龙龙岩岩学学院院毕毕业业论论文文（设设计计）题题目目： 烧烧结结温温度度对对 Ti(C,N)基基金金属属陶陶瓷瓷显显微微组组织织及及力力学学性性能能的的影影响响学学 院院： 化化学学与与材材料料学学院院 专专 业业： 材材料料科科学学与与工工程程 学学 号号： 2011061502 作作 者者： 星星光光 指指导导教教师师 (职职称称 )： 吴吴鹏鹏（讲讲师师） 二 0 一五年二月一日烧结温度对烧结温度对 Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响摘要：摘要：本文采用真空烧结工艺制备了本文采用真空烧结工艺制备了 Ti(C,N)基金属陶瓷，研究了不同烧结温度对基金属陶瓷，研究了不同烧结温度对 Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响，使用了扫描电子显微镜（性能的影响，使用了扫描电子显微镜（SEM）观察了）观察了 Ti(C,N)试样的显微组织，使用万能试验机和洛氏硬度计测试了材料试样的显微组织，使用万能试验机和洛氏硬度计测试了材料的力学性能。结果表明：随着烧结温度的升高，的力学性能。结果表明：随着烧结温度的升高，Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织变得更加均匀，抗弯强度逐渐增大。在基金属陶瓷的显微组织变得更加均匀，抗弯强度逐渐增大。在1440 烧结，保温时间烧结，保温时间 60 min，表现出最佳力学性能。当烧结温度继续升高时，表现出最佳力学性能。当烧结温度继续升高时，Ti(C,N)基金属陶瓷的性能有所下降。基金属陶瓷的性能有所下降。关键词：关键词：烧结温度烧结温度；Ti(C,N)基金属陶瓷基金属陶瓷；显微组织显微组织；力学性能力学性能1 引言引言材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。材料作为人 类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。值得注意的是，现代先进科 技的迅速发展，恶劣的工作环境(高温、腐蚀、磨损等)使得对材料的应用提出了越来越苛刻的要求。对 材料的质量、强度、韧度、抗氧化性及腐蚀性等提出更高的要求。因为传统的单一材料根本无法满足人 类目前以上性能的需求，因此人们必须寻找一种新的材料。在新型材料研究、开发和应用，在特种性能 的充分发挥以及传统材料的改性等方面，材料科学都肩负着重要的历史使命1。于是，工程结构陶瓷便 应运而生。它是伴随现代科学和工程技术的发展以及世界能源危机而兴起的一个新的陶瓷材料领域，近 年来发展十分迅猛,研究成果日新月异，已成为无机材料体系中的一大分支2。1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况 Ti(C,N)基金属陶瓷，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中陶 瓷相约占 l5 %85 %(体积比) ，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相之间的溶解度相当小3。Ti(C,N)基 金属陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、良好的热导率和化学稳定性、优异的抗蠕变性、极低的摩擦因数， 因而受到国内外的普遍关注4-5。在 1950 年 TiC 金属陶瓷烧结工艺成功开始，人们把大量的目光聚集到 切削工具材料上来，通过加入碳化物来增强硬质相。到 90 年代初，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额的 30 %6。当用其做刀具时，其使用寿命也比硬质合金高，如图 1 所示 7。图 1 切削铸铁 GGG40 时金属陶瓷与其它刀具寿命的比较 金属陶瓷既有陶瓷的高强度、高硬度、抗高温和抗氧化等优良性能，又有金属的韧性。和之前的 WC 基硬质金属相对比，现今的 Ti(C,N)基金属陶瓷具有优良的性能，已经成功的引入了金属削切工业， 其具备的多种优良性能使其广泛应用于今天的火箭、导弹、超音速飞机的外壳、发动机喷口等地方。因 此采用 Ti(C,N)基硬质合金刀具高速研磨、粗加工、半加工工件的尺寸精度和加工表面质量都优于用 TiC 基硬质合金刀具所加工的工件。但其强硬度的不足限制了其优越性的发挥。长期以来，如何提高 Ti(C,N) 基金属陶瓷的强硬度，一直是材料科学工作者的研究方向。在之前的 Ti(C,N)基金属陶瓷研发制备中，很多通过优化配方的成分、制备工艺来提高金属陶瓷的性能，但是对于烧结工艺对于其性能的影响研究比 较少，而 Ti(C,N)基金属陶瓷制备工艺最关键的是烧结，只有对烧结工艺参数有精准的理解和把握，才有 可能制备出性能良好的材料。1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的微观结构 Ti (C, N)基金属陶瓷的典型显微结构是芯/壳结构(图 1.2)，其特征是由 TiC 或 Ti ( C, N)陶瓷相为核心， 边缘为(Ti, Mo) C 或(Ti, Mo) (C, N)固溶体组成的环形结构 SS 相及 Ni、Co 和溶入其中的 Ti、Mo、C、N 等组成的粘结相 r 相。在陶瓷相周围生成 SS 相，改善了 Ni 对 Ti ( C,N)的润湿性，抑制了 Ti ( C, N)晶粒 长大，有利于碳化物晶粒细化。但是 SS 相很脆，为了得到性能优异的 Ti ( C,N)基金属陶瓷，必须控制 SS 相的生长。图 1.2 Ti (C, N)基金属陶瓷的典型结构1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的性能 (l) 高硬度耐磨性好。根据实际使用需要，一般硬度可达 HRA85-93。具有理想的抗月牙洼磨损能力， 其耐磨性可比 WC 硬质合金高 3-4 倍。 (2) 高强度。抗弯强度一般可达 1300-2800 MPa，断裂韧性可达 10-16 MPam1/2。 (3) 有较高的抗氧化能力和红硬性。由于采用 Ni 或 Ni+Co。作为粘结剂，其抗氧化能力比 WC-Co 硬质合金有极大的提高，一般可达 1100 oC 以上，使得其具有较好的高温硬度、高温强度与高温耐磨性。 同时，Ti(C,N)基金属陶瓷的氧化产物为 TiO2，其具有自润滑作用，在高速切削时可以有效减小摩擦力。 (4) 良好的化学稳定性。Ti(C,N)基金属陶瓷刀具用作加工钢材时，不易产生积屑瘤，加工表面质量 较高。具有良好的耐酸碱腐蚀性能。 (5) 导电且导热率高，可以进行线切割加工。由于导热率高,温度梯度较低，热应力小，适合高速高 效加工。 (6) 密度低，原料资源丰富，成本低。以地壳中最丰富的元素 Ti 为原料，大量节省了地球上稀缺的 战略贵重金属 W、CO 等8。1.4 本文研究内容 本实验使用 WC 粉、TiC 粉、TiN 粉、Mo 粉、Ni 粉、C 粉 和 Cr3C2粉为原料，采用真空烧结法制 备出高性能的 Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了不同烧结温度对 Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影 响，为生产高品质的 Ti(C,N)基金属陶瓷材料提供有效的依据。2 实验部分实验部分2.1 主要设备和原料 2.1.1实验原料与试剂 实验所用的原料为 WC 粉、TiC 粉、TiN 粉、Mo 粉、Ni 粉、C 粉 和 Cr3C2粉、聚乙烯醇和无水乙 醇。 2.1.2 实验设备主要仪器设备如表 1 所示。表 1 本实验所用主要仪器设备名称型号生产厂家行星球磨机DN2南大天尊电子有限公司真空气氛管式炉CVD(G-0710512)合肥日新高温技术有限公司真空气氛管式电炉SK-G05123K天津市中环实验电炉有限公司 远红外电热鼓风干燥箱YHG-600上海跃进医疗器械厂电子万能试验机CSS-44100长春试验机研究所洛氏硬度计HR-150A莱州华银试验仪器公司X 射线衍射仪DX-2700丹东方圆仪器有限公司扫描电镜(SEM)S-3400N日本日立公司抛光机P-2泰兴市金相船舶设备厂镶嵌机XQ-2泰兴市金相船舶设备厂电动液压制样机DDJ-30湘潭仪器仪表有限公司电子天平MP5002上海舜宇恒平科学仪器有限公司2.2 试样材料的成分设计 混合料成分配比如表 2 所示。表 2 试样的设计成分(wt.%)TiC Mo TiN C WC Ni Cr3C239 16 10.6 1.1 13.7 19 0.62.3 实验工艺流程 试样制备流程工艺为：配料球磨混料烘干造粒过筛压样脱蜡真空烧结 (1) 配料：根据表 2 成分配比，在电子天平准确称取试验原料 150 g，然后装进球磨罐。 (2) 球磨混料：上述粉末充分混合后，按 5:1 的球料质量比在球磨罐中加入硬质合金球，再加入适量 无水乙醇。将球磨罐放在 DN2 型行星球磨机并固定好，设置转速参数 260 r/h，球磨时间为 24 h。 (3) 烘干：将球磨 24 h 后的料浆放进 YHG-600 型电热鼓风烘干箱烘干，温度为 70 ，烘干时间为 30min(或者烘干到震荡时有粉尘扬起即可)，待冷却后，装进密封袋。 (4) 造粒：烘干后的混料，称取 50 g 放入球磨罐，加入造粒剂（将聚乙烯醇与蒸馏水按 9:100 混合， 放入电热恒温水浴锅设置温度为 90 ，不断搅拌直到聚乙烯醇完全溶解），充分搅拌，直到出现较为均 匀的颗粒。 (5) 过筛：将造粒后的混料放在检验筛中，检验筛分别按照 20 目、40 目、60 目、80 目、100 目、 120 目叠放，待震荡后，各自取出密封待用。 (6) 压样：准确称取 6 g 混料，压制过程在 DDJ-30 型电动液压制样机上进行。压制压力为 20MPa， 加载速率 5 mm/min，保压时间为 10 s，卸载速率 10 mm/min；按照此步骤压制 4 组试样。压制工艺曲线 如图 2.1 所示。024681012141618200246810121416182022pressure/MPaTime/s20图 2.1 混料压制工艺曲线 (7) 脱蜡：成型试样放入 SK-G05123K 型真空气氛管式电炉进行脱蜡。脱蜡工艺曲线如图 2.2 所示。01002003004005006000100200300400500600700800900Temperature/oCTime/min700800图 2.2 Ti ( C, N)基金属陶瓷的脱蜡工艺曲线 (8) 烧结：本试验采用真空烧结法，在 CVD(G-0710512)型真空气氛管式炉里进行。在固相烧结阶段 真空度要控制在 110 Pa 之间，液相烧结阶段真空度要控制在 110-2 Pa 之间。将试样分别在 1420 、1430 、1440 、1450 下烧结，保温时间均为 60min。烧结温度工艺曲线如图 2.3 所示。从烧结工艺 曲线中可以看出，在 800 设置了保温台阶，目的是恢复炉内的真空度。在 800 以下，传热以对流为 主，而在真空炉中几乎没有空气对流，故设置这一保温台阶有利于试样均温热透，减小材料的热应力。1220 的保温，主要目的是在液相出现之前，让气体尽可能多地挥发、排除，使液相烧结阶段的真空度 保持在 110-2 Pa 之间，有利于后续烧结时材料致密度的提高。1350 缓慢冷却，主要是降低烧结试样 的内应力，防止试样弯曲开裂。 010020030040050060070002004006008001000120014001600Temperature (oC)Time (min)100012201420-14501350图 2.3 Ti ( C, N)基金属陶瓷的烧结温度工艺曲线2.4 分析与检测 2.4.1 抗弯强度测试 抗弯强度(Bending strength)测试是评定工程陶瓷材料强度的主要实验方法。该方法简单易行，且不同 材料之间有可比性。本实验采用三点弯曲法测试抗压强度，跨距 14.5 mm。测试设备为 CSS-44100 型电 子万能试验机。三点抗弯