1、納米改性金屬陶瓷刀具材料 最佳納米粉添加量的研究謝 峰 劉 寧 張崇高 楊海東合肥工業大學 , 合肥 , 230009摘要 :提出了將納米 T i N 粉體添加到常規的金屬陶瓷中來制備納米 T i N 改性金屬陶瓷刀 具材料的新方法 , 著重對最佳的納米 T i N 的添加量進行了研究 。 對含不同納米 T i N 添加量試 樣的力學性能測試表明 , 不同的納米 T i N 添加量對所研制的金屬陶瓷刀具材料的力學性能的 影響是不同的 , 當納米 T i N 添加量在 6%8%時 , 可獲得較好的綜合力學性能 。 分析了不同 的納米 T i N 添加量對材料微觀組織的影響 。關鍵詞 :金屬陶瓷

2、; 納米改性 ; 力學性能 ; 納米復合材料中圖分類號 :TG113. 264 文章編號 :1004 132 (2005 15 1395 03R esearch on the Opti m al Nano -powder Adding A m ount to N ano -m odified C er m et CutterX ie Feng L i u N i n g Zhang Chonggao Yang H aidongH efe iUniversity o fTechnology , H efe, i 230009Abst ract :According to th is idea ,

3、 t h e m ethod i s used in this paper to deve l o p nano-T i N m odified cer m e t cutter by adding nano-T i N po wder to conventional cer m e. t Especia ll y the opti m al nano -powder add i n g a -m ount is stud ied . The m easure m ents o f m echanical properties to different sa m ple , wh ich co

4、ntai n s d ifferen t nano-T i N addi n g a m oun, t state that different nano-T i N add i n g a m ount result in d ifferentm echan ica l proper -ties o f deve l o ped cer m e. t The better co mb i n ed m echan ical pr operties can be obta i n ed w hen the add i n g is 68%.I n the sa m e ti m e the m

5、 icrostructure is also analyzed for different cer m et sa m ples that contain d ifferen t nano-T i N addi n g a m oun. tK ey w ords :cer m e; t nano m od ificati o n ; m echan ica l property ; nano co m posite m aterial收稿日期 :2004 08 13基金項目 : 九五 國家科技攻關 項目 (99-D049; 教育 部留學 回國人員基金資助項目0 引言在納米材料的研究和生產應用中

6、 , 對納米復 合材料的研究一直都受到 人們的重視。 20世紀 90年代后期科學家們提出了在 常規材料中添加 納米粉末使材料 (特別是陶瓷 性能改善的想法 , 并取得了一些具有商業價值的研究成果 13。T i(C , N 基金屬陶瓷刀具材料是一種新型的 刀具材料 , 具有硬度高、 耐磨損以及高溫抗軟化能 力和抗氧化能力強的特點 , 但也存在抗塑性變形 能力和抗崩刃性能差及韌性不好等缺點。因此 , 長期以來對金屬陶瓷刀具進行增韌一直是材料科 學工作者努力的方向 , 近年來出現的通過納米材 料添加對傳統材料進行改性的新方法 , 為金屬陶 瓷刀具的增韌提供了新的途徑。在制備納米 T i N 改性的

7、T i C 基金屬陶瓷刀具 材料的工藝過程中 , 除了要研究合理的納米 T i N 粉末的分散工藝以及完善的制備工藝之外 , 最佳 的納米 T i N 添加量也是值得研究的一個問題。一般來說 , 納米粉添加量對材料性能的影響也不是 單調的 , 并不是說添加量越大材料的 性能越好。 合適的納米微粉添加量 , 可獲得較優的材料綜合 性能 2, 3。在用納米改性技術制備納米復合材料時 , 有一最佳的納米粉末添加量 , 同樣在制備納米 T i N 改性的 T i C 基金屬陶瓷刀具材料中 , T i N 納米 粉末的添加量也有一最佳值。1 實驗方案T i(C , N 基金屬陶瓷屬于硬質合金類 , 通常

8、 以 T i C 為主要 成分 , N i 作為粘 結金屬 , 我 們研制 的是添加 T i N 的 T i(C , N 基金屬陶瓷 , 其中 T i N 是納米級的微粉。納米 T i N 改性 T i C 基金屬陶瓷 刀具的 基礎成分主要包括 T i C 、 T i N 、 W C 、 N i 、 Co 、 M o 、 C 。 各 化 學 成 分 的 的 質 量 分 數 如 下 :w (Ti C , W C =54%, w (T i N =10%, w (Mo =15%, w (Ni =15%, w (Co =5%, w (C =1%。 在上述成分中 , T i C 、 T i N 及 W

9、C 是金屬陶 瓷刀具 的硬質相 , N i 為主要的粘結相 , 由于 Co 具有比 N i 更高的韌性和硬度 , 與硬質相潤濕好 , 能減少合金 孔隙度 , 故以 Co 部分取代 N i 可使金屬陶瓷具有納米改性金屬陶瓷刀具材料最佳納米粉添加量的研究 謝 峰 劉 寧 張崇高等高硬度和高強度的良好匹配4。而 M o 能顯著改 善液態金屬對硬質相的潤濕性 , 燒結時能抑制碳 化物相晶粒的長大 , 對燒結后金屬陶瓷的性能影 響也很大 5。為了求出最佳的納米 T i N 添加量 , 本實驗通 過改變納米 T i N 在 T i C -T i N -N i-M o 系金屬陶 瓷中的添加量來制備出不同組分

10、的試樣 , 并測定 出各組分試樣的力學性能 , 從而得出最優的納米 T i N 的添加量。實驗采用固定的工藝方法來制取 各組分的金屬陶瓷試樣 , 測試 抗彎強度 bb 和斷 裂韌性 K I C 的試樣的形狀如圖 1 所示。(a 測試抗彎強度試樣(b 測試斷裂韌性試樣圖 1 測試力學性能的試樣 (跨距為 25mm 表 1列出了納米 T i N 不同添加量的各試樣成 分。制得金屬陶瓷試樣后 , 對試樣進行線切割、 磨 削 , 使之達到圖 1所示 尺寸要求 , 然后在 DCS 3000型材料試驗機上用三點彎 曲法測試試樣抗 彎強度 bb 和斷裂韌性 K I C , 在普通洛氏硬度儀上 測量試樣硬度。

11、每個試驗點取一個試樣 , 經表面 拋光處理后 , 在 H I TACH I X 650型掃描電鏡上 觀察試樣組織。表 1 納米 T i N 改性金屬陶 瓷試樣成分試樣號質量分數 (%納米 T i NT i CN i12243648510其余 202 添加納米 T i N 對材料力學性能的影響按照上述的實驗步驟和材料成分 , 可得出納 米 T i N 添加量對材料的抗彎強度、 斷裂韌性、 硬度 的影響規律 , 分別見圖 2、 圖 3、 圖 4(圖中數據為 12個試樣的平均值 。從圖 2圖 4中可看出 :在納米 T i N 的添加 量較小 (小于 4% 時 , 抗彎強度、 斷裂韌性的值隨 納米 T

12、 i N 的添加量的增加而略有增加 , 而硬度略圖 2 納米 T i N 添加量對 金屬陶瓷抗彎強度的影響有 下 降。當 添 加 量 繼續增加時 , 抗彎強 度、 斷裂 韌 性、 硬度 的值 都 有 較 明 顯的 增 大 , 其 中 , 斷 裂韌 性 在 納米 T i N 的 添 加量為 6%時達到最大 值 12 7MPa m 1/2, 圖 3 納米 T i N 添加量對 金屬陶瓷斷裂韌性的影響 抗彎強度在納米 T i N 的添加量為 8%時達 到最 大值 1310M Pa , 硬 度 在納 米 T i N 的 添加量為 6%時達到 最大值 H RA92 9, 隨 后三者都降低 , 強度 圖

13、4 納米 T i N 添加量對 金屬陶瓷硬度的影響降低較為緩慢。在 圖 2圖 4中 , 當納米 T i N 添加 量小于 4%時 , 隨添加量的增加 , 各力學 性能 增 加 不 明 顯甚至有所下降 , 這是由于所添加的 T i N 納米顆粒大部分都溶入液相中所 致 , T i N 在高溫液相中 的溶解度較大 (明 顯高于 T i C , 加之納米顆粒的表面能和表面活性較高 , 所 以納米 T i N 顆粒在最終的燒結材料中殘留下來的 并不多 (通過電鏡 照片發現 , 在 納米 T i N 添加量 為 2%的金屬陶瓷中幾乎找不到殘存的納米 T i N 顆粒 , 因此起到的強韌化 作用非常有限。

14、同時 由于前述的納米 T i N 添加帶來的孔隙 等負面影 響 , 它的加入還有可能導致 材料某些性能 (如硬 度 的下降。當納米 T i N 的添加量逐漸增加時 , 材料中實 際存在的納米 T i N 顆粒不斷增多 , 其強韌化的效 果也逐步體現出來 , 加上 T i N 本身對 T i C 基金屬 陶瓷的強韌化作用 , 各力學性能都有了較大幅度 的增加。從上述分析可知 , 不同的納米 T i N 添加量對 所研制的金屬陶瓷刀具材料的力學性能的影響是 不同的 , 當 T i N 納米添加量在 6%8%時 , 可獲 得較好的綜合力學性能。3 納米 T i N 添加量對材料微觀組織的影響不同納米

15、 T i N 添加量下的金屬陶瓷組織的掃 描電鏡 (SE M 照片見圖 5。從圖 5中可以看出 , 隨著納米 T i N 添加量的中國機械工程第 16卷第 15期 2005年 8月上半月(a w (T i N =2%(b w (T i N =6%(c w (T i N =10%圖 5 納米 T i N 改性 T i C 基金屬陶瓷組織 (SE M (3000 增加 , 金 屬陶瓷的組織逐漸變細 , 當添加量大于 6%時 , 組織明顯細化。納米 T i N 的添加對金屬陶 瓷組織的細化作用有以下幾方面的原因 :(1 T i N 的加入對 T i C 基金屬陶瓷的組織有 細化作用。 T i N 在

16、金屬陶瓷中 或與 T i C 、 N i 等形 成固溶體 (T, i N i (C , N 覆于 T i C 或 T i N 的表面 (即形成所謂 SS 相 , 或殘留下來作為硬質相。 當其 (特別是 N 處于 SS 相 中時 , 可阻止 M o 向 硬質相核的擴散和 N 、 T i 通過 N i 的擴散 , 以及 M o 向 SS 相 的析出 , 這使得硬質 相核心的粒徑與 SS 相 的厚度都減小 6。同時 , T i N 還可以使得 材料中出現的液相溫度上升 , 從而可以抑制 N i 中 T i 和 M o 的擴散。這兩方面的效應都能使金屬陶 瓷的晶粒細化。(2 如果部分納米 T i N

17、顆粒在燒結過程中未 被溶解 , 也未向硬質相擴散而依附于硬質相長大 , 則有可能以單個顆粒的形式或數個顆粒或更多一 些的顆粒聚集長大而成的較大納米顆粒 (基本上 仍屬于納米級 的形式在兩個或數個硬質相的晶 界上存在。這種位于晶界上的納米 T i N 顆粒可以 阻礙晶界移動 , 有效地阻止晶粒長大。在所制備 的納米 T i N 改性的金屬陶瓷材料中可以清晰地觀 察到以上述方式存在的納米 T i N 顆粒。由圖 6可 明顯地觀察到存在于晶界中的納米顆粒以及納米 顆粒與周圍界面的位置關系。(3 對實驗中有瞬時液相出現的燒結過程來 說 , 納米顆粒雖然活性較高 , 易被液相溶解 , 但如 果顆粒數量足

18、夠多 , 則在液相結晶時會有部分顆 粒仍未溶解 , 這些顆粒可提供大量的形核核心 , 并 可得到較細的晶粒 , 特別是硬質相顆粒。對納米 T i N 添加量較高的試樣 , 如在納米 T i N 添加量為 10%的試樣中就可能有這種細化機制在起作用。 雖然納米 T i N 顆粒的加入有利于得到細晶結 構 , 使材料的綜合力學性能得到提高 , 但納米粉的 添加也會帶來不易致密的缺點 , 使材料的組織中 有孔隙存 在 , 尤其 是當 納米 T i N 的 添加 量高 于(a 明場像 (80000 (b 暗場像 (80000 (c 衍射花樣 (80000 (d 標定圖 6 晶粒晶界上的納米 T i N

19、 顆粒10%時 , 孔隙較明顯且分布較廣 , 顯然這對材料的 強度、 硬度、 韌性等各種力學性能都會產生不利的 影響 , 圖 2圖 4中不同納米添加量試樣的力學 性能的變化也驗證了這一點。另外 , 納米 T i N 的添加還帶來如下一些問題 :由于納米 T i N 生產工藝過程的特點和納米粉的巨 大比表面所造成的強吸附性 , 使納米 T i N 中含有 較多的 C 元素和 O 元素。 C 在高溫下或是與 O 結合生成 CO 2等氣體放出或是殘存在材料中造 成孔隙、 夾雜等缺陷。此外 , O 還非常不利于液相 對硬質相的潤濕及硬質相與 相的結合。這些 因素都是納米 T i N 添加帶來的負面影響

20、 , 材料組 織中的孔隙是這些因素綜合作用的結果。4 主要結論綜上所述 , 用納米 T i N 對 T i C 基金屬陶瓷刀 具材料進行改性 , 其添加量有一最佳值 , 過多或過 少都不能獲得最佳的刀具材料性能。由于納米微粒所特有的效應 , 使得經納米改 性的金屬陶瓷材料具有優良的綜合性能。對所研 制材料的力學性能測試表明 , 納米改性后的金屬 陶瓷刀具材料比不加納米 T i N 的金屬陶瓷刀具材 料的力學性能得到提高 , 這為金屬陶瓷的增韌提 供了一條有效的途徑。具體的切削試驗也表明該 刀具具有良好的切削性能。參考文獻 :1 新原皓一 . ! #復合 體 構造制御 機械的性 質 . 粉體 粉

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