ic,n基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

ic,n基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

0金屬基金屬陶瓷金屬粉ti（c，n）基金屬陶瓷是在tic基金屬陶瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型金屬陶瓷建筑材料。主要由tic、tin或ti（c，n）硬相組成。添加少量wc、tac、nb、hbc、vc、aln、crec2等成員。它是用金屬ni和co作為粘合劑制備的。與硬質(zhì)合金(WC-Co)相比,Ti(C,N)基金屬陶瓷密度低(6～7g·cm-3),硬度高(>90HRA),紅硬性和耐磨性好,化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好,熱膨脹系數(shù)低;與Al2O3、SiC、SiN等陶瓷相比,其強(qiáng)度和沖擊韌性高,因此,在許多場合下可成功地取代硬質(zhì)合金,填補(bǔ)了硬質(zhì)合金與陶瓷之間的空白。近年來,人們對Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,本文主要對Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析。1tic，n金屬陶瓷建筑材料的制備1.1球磨對燒結(jié)體質(zhì)量的影響混料一般是指將2種或2種以上不同成分的粉末混合均勻的過程?；炝嫌袡C(jī)械法和化學(xué)法2種。使用得最廣泛的是機(jī)械法,即用各種混料機(jī)將粉末或混合料機(jī)械地?fù)胶暇鶆蚨话l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械法混料過程中存在著不同程度的機(jī)械合金化?；炝线^程中一般都要進(jìn)行球磨,其目的是利用磨球?qū)Ψ勰┻M(jìn)行砸碎、研磨等機(jī)械作業(yè)使粉末粒度進(jìn)一步細(xì)化,并實(shí)現(xiàn)各種粉末間的均勻混合。對于Ti(C,N)基金屬陶瓷,TiC和TiN一起加入時(shí),只要球磨的功率和時(shí)間足夠,TiC和TiN就可以形成完全的固溶體。球磨對混料的質(zhì)量有很重要的影響,文獻(xiàn)研究了磨球直徑分布對球磨后粉末質(zhì)量的影響,指出直徑相差較大的球,其球磨后粉體粒度大且不均勻,燒結(jié)體結(jié)構(gòu)粗大,硬質(zhì)相顆粒等軸性差,力學(xué)性能較低;而大小一致的球,球磨后的粉體質(zhì)量及燒結(jié)體性能均較好。余立新等研究了球磨方式對Ti(C,N)基金屬陶瓷組織性能的影響,指出攪拌球磨對復(fù)合粉的細(xì)化效果明顯優(yōu)于行星球磨。1.2壓制壓力對壓坯密度的影響成形的目的是對混料后的粉末進(jìn)行加壓使之成為具有一定形狀、密度和密度分布的壓坯。模壓成形是最常采用的一種成形方法,文獻(xiàn)研究了Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的壓制特性。研究表明,石蠟潤滑劑能改善粉末與模壁之間的外摩擦力。混料粉末中大的粘結(jié)相份額雖不能提高壓坯的相對壓制密度,但有利于改善壓坯密度分布的均勻性。同時(shí)壓制壓力對壓坯的壓制密度和壓坯燒結(jié)后的變形及開裂有很大影響。豐平研究指出,隨著壓制壓力的增加,壓坯密度增加;采用小的壓制壓力(<100MPa)和較大的壓制壓力(>300MPa)壓制混料粉末,其壓坯密度分布相對均勻一些,壓坯在燒結(jié)時(shí)不會(huì)變形和開裂。同時(shí),在300MPa壓力下壓制的壓坯燒結(jié)后可獲得最好的橫向斷裂強(qiáng)度。目前在生產(chǎn)中用到的成形方法還有冷等靜壓、注射成型等。冷等靜壓的優(yōu)點(diǎn)主要在于能壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的壓件和各種金屬粉末及非金屬粉末,壓坯密度高,不需要成型劑,但壓坯尺寸精度和壓坯表面光潔度以及生產(chǎn)效率均比鋼模壓制法的低。粉末注射成形工藝是一門新型的近凈成形工藝,有著較大的發(fā)展空間。文獻(xiàn)對Ti(C,N)基金屬陶瓷粉末注射成型工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,在注射成形粘結(jié)劑和粉末的混煉過程,建立了喂料均勻性Hs的判據(jù)以及混煉均勻度Hs與混煉次數(shù)n的關(guān)系式[Hs=90+exp(0.04n+1.88)],并用正交實(shí)驗(yàn)考查了注射參數(shù)及其交互作用對注射坯質(zhì)量的影響。結(jié)果表明,不僅注射參數(shù)的水平影響注射坯的質(zhì)量,而且注射參數(shù)的交互作用對注射坯的質(zhì)量也產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響。他們確立了注射壓力為8MPa,注射溫度為135℃,注射速度為40mm·s-1,保壓壓力為8MPa的注射工藝參數(shù)。但對于粉末注射成形工藝而言,由于采用大量粘結(jié)劑,制品燒結(jié)收縮率比較大,尺寸精度較難控制。1.3燃燒1.3.1金屬陶瓷的顯微組織真空燒結(jié)是一種傳統(tǒng)的燒結(jié)方法,也是當(dāng)前Ti(C,N)基金屬陶瓷制備的常規(guī)手段。文獻(xiàn)采用真空燒結(jié)工藝制備了Ti(C,N)基金屬陶瓷,研究了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,隨著燒結(jié)溫度的升高,金屬陶瓷的組織逐漸變得均勻,硬質(zhì)顆粒逐漸球化,且其環(huán)形相逐漸變得完整;溫度過高和保溫時(shí)間過長均會(huì)使晶粒明顯長大,環(huán)形相變厚,導(dǎo)致材料性能下降。在傳統(tǒng)模壓燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)上,范疇提出了兩階段真空燒結(jié)法,即低溫時(shí)快速升溫,中間溫度時(shí)慢速升溫,最高液相燒結(jié)溫度1430℃時(shí)保溫10min,然后以較快的速度降溫到1350℃下,進(jìn)行第二階段燒結(jié),保溫6h,試樣的密度、硬度和抗彎強(qiáng)度均比傳統(tǒng)模壓燒結(jié)工藝燒結(jié)的試樣的力學(xué)性能有較大改善。1.3.2碳氮法燒結(jié)tic,n基金屬陶瓷和氮?dú)鉄Y(jié)真空氣氛可以減小液相對硬質(zhì)相的潤濕角,但是在真空下高溫時(shí)TiN易分解出N2,套封在材料內(nèi)產(chǎn)生很多氣孔,對材料的性能有很大影響,同時(shí)也會(huì)使?fàn)t內(nèi)的真空度下降,所以燒結(jié)時(shí)常常使用氮?dú)鈿夥铡Ｎ墨I(xiàn)研究了Ti(C,N)基金屬陶瓷在氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié)時(shí)其成分與氮?dú)鈮毫Φ钠胶怅P(guān)系,指出對于不同碳氮比的金屬陶瓷來說,必須在不同的氣氛和壓力下進(jìn)行燒結(jié),以保證其性能。文獻(xiàn)采用氣氛燒結(jié)制備了Ti(C,N)基金屬陶瓷,并研究了燒結(jié)壓力對材料力學(xué)性能的影響,如圖1和圖2所示。研究結(jié)果表明,隨著燒結(jié)壓力的提高,Ti(C,N)基金屬陶瓷的孔隙率明顯降低,硬質(zhì)相之間的粘連程度加大,金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度增加,硬度降低。1.3.3金屬陶瓷復(fù)合材料的制備熱等靜壓技術(shù)是一種成形和燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的新技術(shù),其基本原理是以氣體作為壓力介質(zhì),使粉末在加熱過程中經(jīng)受各向均衡的壓力,借助于高溫和高壓的共同作用來促進(jìn)材料致密。文獻(xiàn)采用熱等靜壓技術(shù)制備Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料,指出熱等靜壓處理使其表面硬度大幅度提高,并且從表面到心部形成了硬度梯度。孔洞的消除或閉合以及微裂紋的減少使材料的密度有所增加,同時(shí)晶粒的細(xì)化使金屬陶瓷材料的韌性得到明顯提高。文獻(xiàn)研究了真空燒結(jié)和真空燒結(jié)加熱等靜壓處理對金屬陶瓷性能的影響,指出熱等靜壓處理后,燒結(jié)體的密度、硬度及抗彎強(qiáng)度均有提高,但只是相對減少了燒結(jié)體的氣孔率,而且晶粒易粗化,也不夠經(jīng)濟(jì)。真空燒結(jié)與真空燒結(jié)加熱等靜壓處理對金屬陶瓷性能的影響見表1。2tic，n金屬陶瓷建筑材料的應(yīng)用2.1金屬陶瓷tiTi(C,N)基金屬陶瓷作為一種新型的工具材料,具有密度低、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),可代替WC基硬質(zhì)合金和TiC基金屬陶瓷用于普通碳鋼、合金鋼和鑄鐵的加工和鋼件的精銑。Ti(C,N)基金屬陶瓷在高速切削條件下顯示出很好的紅硬性和優(yōu)異的抗月牙洼磨損能力,是鋼材高速加工和半精加工較為理想的刀具材料。據(jù)報(bào)道,美國Carboly公司的金屬陶瓷已采用Ti(C,N)作基礎(chǔ)原料,在結(jié)合劑中減少鎳的含量,增加鎢的含量,從而使金屬陶瓷的強(qiáng)度和耐磨性很好地結(jié)合起來,成為一種性能優(yōu)異的合金材料。王全兆采用燒結(jié)連接的方法制備出性能優(yōu)異的Ti(C,N)金屬陶瓷,實(shí)現(xiàn)了其與不銹鋼的連接,并成功地將其應(yīng)用在塑料切粒機(jī)上。Ti(C,N)基金屬陶瓷切削性能優(yōu)異,已成為主要的切削刀具用金屬陶瓷材料,被廣泛用于碳鋼和不銹鋼的高速銑削、精加工和半拋光。盡管如此,金屬陶瓷仍屬于脆性材料,承載時(shí),往往會(huì)沿相界面脫開或斷裂,從而使其應(yīng)用受到限制。2.2tic,n基金屬陶瓷Ti(C,N)基金屬陶瓷具有硬度高、耐磨性好、力學(xué)性能優(yōu)良、抗塑性變形和抗崩刃性能突出等特點(diǎn),在低速切削和濕式切削等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)越性。同時(shí),Ti(C,N)基金屬陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性能,其常用粘結(jié)相Ni和Mo是人體所需元素,所以,Ti(C,N)基金屬陶瓷是目前所有工業(yè)刃具材料中最有可能發(fā)展為新型外科刃具材料的材料之一。文獻(xiàn)根據(jù)外科刃具材料的性能要求,設(shè)計(jì)并制備了用于外科刃具的Ti(C,N)基金屬陶瓷,指出在2種常用醫(yī)療消毒介質(zhì)H2O2溶液和次氯酸鹽溶液中,Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐蝕性明顯優(yōu)于YG8硬質(zhì)合金和T8A普通碳素工具鋼。同時(shí),Ti(C,N)基金屬陶瓷因具有穩(wěn)定的高溫強(qiáng)度、良好的摩擦性能和耐酸堿腐蝕性能(如表2所示),還可用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件,如小軸瓦、葉輪根部法蘭、偏心輪軸、熱噴嘴以及活塞環(huán)等,也可用于石化工業(yè)中各種密封環(huán)和閥門,還適于用作各種量具,如滑規(guī)、塞規(guī)和環(huán)規(guī)等。3納米顆粒材料的應(yīng)用近年來,Ti(C,N)基金屬陶瓷的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展,但與硬質(zhì)合金相比仍有不足,突出表現(xiàn)