分享：AlN含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

王超锋1,陈义坤2,刘华臣2,杜学铭1,姚振华1 

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070; 2.湖北中烟工业有限责任公司,新型烟草制品工程中心,武汉 430040) 摘 要:研究了 AlN 添加量(0,1%,2%,3%,质量分数)对 Ti(C,N)基金属陶瓷硬度、抗弯强度 以及抗氧化性能的影响。结果表明:不同 AlN 添加量下的金属陶瓷主要由 Ti(C,N)、Ni3Al和镍 相组成;随着 AlN 添加量增加,金属陶瓷的硬度增大,抗弯强度先增大后减小,AlN 添加量为2% 时达到峰值;与未添加 AlN 相比,添加2%AlN 金属陶瓷的氧化质量增加较慢,氧化膜结构更致 密,抗氧化性能更好。 

关键词:AlN 添加;Ti(C,N)基金属陶瓷;硬度;抗弯强度;抗氧化性能 中图分类号:TG711 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0006-05

0 引 言 

Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的红硬性、耐磨 性,与金属间较低的摩擦因数以及较好的化学稳定 性等优点,广泛应用于刀具及热成型模具中[1-2]。随 着各种极端的切削工艺,如干式切削、高速切削及微 润滑切削的发展,刀具的服役环境越来越恶劣,这对 刀具的综合性能提出了更高的要求,高温化学稳定 性即高温抗氧化性是其中之一[3-6]。 研究表明,在陶瓷基体中添加少量碳化物可以 提高 Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能,如添加 WC 可以提高烧结性能,添加 TaC 和 NbC 可以提高抗 热应力性能,添加 Mo2C3 可 以 提 高 润 湿 性 能。然 而,这些碳化物的添加会降低金属陶瓷高温抗氧化 性能,从而限制了其应用[7-10]。 在金属陶瓷中添加抗氧化元素,使陶瓷表面在 氧化初期形成致密的氧化膜以防止进一步氧化,是 提高金属陶瓷抗氧化能力的一种有效方法,常见的 抗氧化元素有铝、铬、硅等[11-13]。在 Ti(C,N)基金 属陶瓷中引入铝元素,可以提高陶瓷的高温抗氧化 性能,同 时,铝 还 能 和 陶 瓷 基 体 中 的 镍 元 素 生 成 γ'(Ni3Al)强 化 相,从 而 提 高 金 属 陶 瓷 的 力 学 性 能[14-15]。为此,作者在Ti(C,N)基金属陶瓷中引入 AlN,研究了 AlN 添加量对金属陶瓷硬度、抗弯强 度以及抗氧化性能的影响,为进一步提高 Ti(C,N) 6 王超锋,等:AlN 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响 基金属陶瓷的综合性能提供参考。

 1 试样制备与试验方法 

试验 原 料 为 TiC 粉 末 (纯 度 99.8%,粒 径 2.97μm)、TiN 粉末(纯度99.8%,粒径2.25μm)、 钼粉(纯度99.9%,粒径2.80μm)、WC 粉末(纯度 99.5%,粒 径 4.30μm)、镍 粉 (纯 度 99.8%,粒 径 6.00μm)、石墨粉(纯度 99.9%,粒径 5.50μm)和 AlN 粉末(纯度99.5%,粒径0.5μm)。按照表1进 行配料。将粉末放入尼龙球磨罐中并加入无水乙 醇,置于 QX-4型行星式球磨 机 中 进 行 球 磨 混 料, 球磨转速 220r·min -1,球 磨 时 间 48h,球 料 质 量 比7∶1。球磨后的混合粉末经80 ℃干燥和过200 目金属筛后单向模压成型,压制压力为300 MPa, 将压坯放入 WZDS-20B型气氛烧结炉内进行真空 烧结,真空度10 -4 ~10 -2 Pa,烧结温度1410 ℃, 保温时间1h。 表1 4种金属陶瓷的原料配比 质量分数 Table1 Rawmaterialratiosoffourcermets massfraction % 编号 TiC TiN WC 镍粉 钼粉 石墨粉 AlN A B C D 31 30 29 28 10 10 10 10 10 10 10 10 32 32 32 32 16 16 16 16 1 1 1 1 0 1 2 3 在 Ti(C,N)基金属陶瓷上截取尺寸为5mm× 7mm×10mm 的试样,经磨抛,在丙酮中超声波清 洗后放入焙烧过的 Al2O3 坩锅中,然后置于高温电 阻炉内,在1100 ℃下进行静态氧化,氧化时间为 100h。在氧化过程中每隔一定时间取出试样,采用 分析天平(精度0.1 mg)称取 质 量 (测 5 次 取 平 均 值),计算单位面积质量增加。 采用Zwick/RoellZ020 型万能材料试验机测 试金属陶瓷的抗弯强度,跨距为20 mm,下压速度 0.5mm·min -1。采用 HR-150A 型洛氏硬度计测试 金属陶瓷的硬度,载荷588N。采用 X'PertPRO 型 X射线 衍 射 (XRD)仪 进 行 物 相 分 析。采 用 JXA8230型扫描电子探针仪进行微观结构分析,并用附 带的INCAX-Act型能谱仪分析微区成分。 

2 试验结果与讨论

 2.1 物相组成 

由图 1 可 以 看 出:4 种 金 属 陶 瓷 主 要 由 Ti(C,N)、Ni3Al和镍相组成。 图1 添加不同含量 AlN金属陶瓷的 XRD谱 Fig 1 XRDpatternsofcermetswithdifferentcontentofAlN 

2.2 显微组织 

由图2可以看出,不同 AlN 含量金属陶瓷均主 要由黑色芯相 Ti(C,N)、灰色环形相多元固溶体和 白色黏结相镍组成,AlN 的添加没有明显改变金属 陶瓷的显微组织;随着 AlN 含量增加,黑色芯相的 比例明显下降,尺寸减小。结合图1分析可知,虽然 AlN 的添加量较少,但在烧结过程中仍形成了少量 的 Ni3Al相,弥散均匀地分布在黏结相中。由图3 可以看出,镍与铝元素的偏聚位置一致(见椭圆区 域),表明在烧结过程中,引入的铝元素会与镍元素 结合,在镍含量远高于铝含量的情况下,结合产物为 Ni3Al相。由于 Ni3Al的熔点比镍的低,在相同的 烧结温度下,液相烧结阶段产生的液相更多,促进了 烧结体的致密化。

 2.3 力学性能 

由图4可以看出,随着 AlN 含量增加,金属陶 瓷的硬度增大,抗弯强度先增大后减小,在 AlN 质 量分数为2%时达到峰值2121 MPa。Ni3Al的生 成促进了烧结体的致密化,在一定程度上提高了金 属陶瓷的强度和硬度,但过量的 Ni3Al会降低黏结 相和芯相之间的润湿性,因此当 AlN 质量分数为 3%时,金属陶瓷的抗弯强度下降。

 2.4 氧化行为 

由图 5 可 以 看 出:未 添 加 和 添 加 质 量 分 数 2%AlN 的金属 陶 瓷 的 单 位 面 积 质 量 增 加 量 均 随 氧化时间的延长而增加;AlN 质量分数为 2% 时, 金属陶瓷的单位面积质量增加曲线变化规律符合 抛物线规律,增 加 的 速 率 随 氧 化 时 间 的 延 长 而 减 小,在100h时趋于平缓;2%AlN 金属陶瓷的单位 面积质量增加比未添加 AlN 的小,说明 AlN 的添 加提高了金属陶瓷的抗氧化能力。 由图6可以看出:高温氧化1h后,未添加和添 加2% AlN 金 属 陶 瓷 表 面 均 存 在 NiO、TiO2 和 NiTiO3 相 ,添 加 2%AlN金 属 陶 瓷 表 面 还 存 在 7 王超锋,等:AlN 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响 图2 添加不同含量 AlN金属陶瓷截面的背散射形貌 Fig.2 BSEimagesofcrosssectionofcermetwithdifferentcontentofAlN 图3 添加2%AlN金属陶瓷截面的铝和镍元素面分布 Fig.3 AlelementandNielementmappingonsectionofcermetwith2%AlN 图4 金属陶瓷的抗弯强度和硬度随 AlN含量的变化曲线 Fig.4 CurvesofbendingstrengthandhardnessvsAlN contentofcermet NiAl2O4 相;氧化时间为6h时,未添加 AlN 金属 陶瓷表面 的 各 衍 射 峰 强 度 没 有 明 显 变 化,但 添 加 2%AlN 金属陶瓷表面 NiO 衍射峰的相对强度明显 降低,NiAl2O4 衍射峰明显增强,NiAl2O4 相结构较 图5 未添加和添加2%AlN金属陶瓷的单位面积质量增加随 氧化时间的变化曲线 Fig.5 Curvesofmassgainperunitareavsoxidationtimeof cermetwithoutandwith2%AlN NiO 的致密,因此 NiAl2O4 的增加有利于陶瓷表面 氧化膜致密性的改善。氧化时间达到24h时,添加 2%AlN 金属陶瓷表面的主要物相为 TiO2,此外还 8 王超锋,等:AlN 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响 图6 未添加和添加2%AlN金属陶瓷氧化不同时间后的 XRD谱 Fig.6 XRDpatternsofcermetwithoutandwith2%AlN afteroxidationfordifferenttimes 有少量的 NiO 和 NiTiO3,表明氧化后期主要为钛 原子的氧化。 图7 未添加 AlN和添加2%AlN金属陶瓷氧化100h后的 表面SEM 形貌 Fig 7 SurfaceSEM morphologyofcermetwithout a andwith 2%AlNafteroxidationfor100h 由图7可以看出:氧化100h后,未添加 AlN 金 属陶瓷表面的氧化膜分布不均,呈区域性岛状氧化, 结构疏松,氧化膜底部呈龟裂状,导致基体与氧元素 在高温下进一步结合;添加2%AlN 金属陶瓷表面 的氧化膜分布均匀,呈整体式氧化,结构和组织完整 致密,未观察到明显缺陷。这种氧化膜能有效减少 氧元素和陶瓷基体元素的进一步接触,金属陶瓷表 现出更好的抗氧化性。 由图8可以看出,未添加 AlN 金属陶瓷的氧化 图8 未添加和添加2%AlN金属陶瓷氧化24h后的截面 SEM 形貌 Fig 8 SEM morphologyofsectionofcermetwithout a andwith 2%AlN b afteroxidationfor24h 膜厚度在30μm 左右,氧化膜内部存在较多缺陷, 表层不平整;而添加2%AlN 金属陶瓷的氧化膜厚 图9 添加2%AlN金属陶瓷表层 EDS线扫描结果 Fig.9 EDSlinearscanningresultsofsurfacelayerof cermetwith2%AlN 度在15μm 左右,氧化膜内部的缺陷较少,表层较 为平整。由图9可以看出,添加2%AlN 金属陶瓷 表层铝、镍的含量变化较为一致,表明形成了铝镍复 合氧化物,与 EDS面扫描结果一致。金属氧化物与 金属原子的体积比(PB)过高时容易导致氧化膜开 裂。铝元素的 PB 值仅为1.28,而镍及钛元素的分 别为1.52及1.77 [16],因此局部生成的 Al2O3 能有 效缓解氧化 物 TiO2 之 间 的 热 应 力 引 起 的 开 裂 行 为,从而改善了金属陶瓷表面氧化膜的致密性,提高 了金属陶瓷的抗氧化性能。 9 王超锋,等:AlN 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

 3 结 论

 (1)添加不同含量 AlN 后的 Ti(C,N)金属陶 瓷主要由 Ti(C,N)、Ni3Al和镍相组成;随着 AlN 含量增加,金属陶瓷的硬度增大,抗弯强度先增大后 减小,在 AlN 添 加 量 为 2% 时 达 到 峰 值,为 2121 MPa。 (2)添加2%AlN 金属陶瓷的氧化质量增加曲 线满足抛物线规律,添加2%AlN 金属陶瓷的氧化 质量增加较未添加 AlN 的低,氧化膜结构更致密, 表层更平整,抗氧化性能更好。 

来源：材料与测试网