固相烧结阶段保温参数对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

采用真空烧结工艺制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,液相出现前,在1 220~1 260℃进行了保温。采用扫描电镜、能谱仪等研究了此阶段的保温温度和保温时间对Ti(C,N)基金属陶瓷最终烧结体的显微组织和力学性能的影响。结果表明:在1 220~1 260℃温度区间,随着保温温度的升高,金属陶瓷最终烧结体的组织逐渐变得均匀,环形相包覆变得完整且环形相厚度增加,材料致密度和强度提高;随着保温时间的延长,硬质相晶粒逐渐细化,粘结相中固溶合金元素含量增加,强度硬度均提高;当保温温度过高或保温时间过长时,环形相过度变厚,反而降低了材料的综合性能。经过1 240℃保温120min,并在1 400℃真空烧结60 min,金属陶瓷最终烧结体显微组织分布均匀,环形相厚度适中,致密度和力学性能较优异。     

原位碳热还原法制备Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结技术研究

基于原位碳热还原法,通过真空液相烧结制备了Ti(C,N)基金属陶瓷。利用XRD、SEM、EDS等手段研究了不同烧结工艺参数对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。结果表明:基于原位碳热还原法制备出的Ti(C,N)基金属陶瓷,与常规方法制备的金属陶瓷相比,其显微组织中具有白芯-灰壳结构硬质相和没有明显包覆相的灰色硬质相的体积占比均明显增加,而具有黑芯-灰壳结构硬质相的体积占比明显减小;经1 400℃烧结,保温60 min,材料的组织均匀性较好,环形相厚度适中,且具有最佳的室温力学性能:抗弯强度为2 516 MPa,硬度为88.6 HRA,断裂韧性为18.4 MPa·m1/2。     

碳含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

通过真空烧结方法制备了4种碳含量的Ti(C,N)基金属陶瓷,通过X射线衍射分析仪、扫描电镜、万能力学试验机、维氏硬度测试仪等仪器检测Ti(C,N)基金属陶瓷试样的物相结构、微观组织、抗弯强度、硬度和断裂韧性,分析了碳含量和烧结工艺对Ti(C,N)基金属显微组织和力学性能的影响。结果表明,增加碳含量和提高烧结温度能促进烧结过程中的冶金反应,金属陶瓷显微组织中具有黑芯-灰环结构硬质相的黑芯部分体积分数减少,环形相体积分数增加,粘结相体积分数减少,显微组织均匀化。碳含量对横向抗弯强度(TRS)有显著影响;碳含量对硬度(HV)和断裂韧性(KIC)的影响较小,随碳含量上升,均略有增加。在1 440~1 500℃范围烧结,金属陶瓷的TRS保持在相近的水平值;随烧结温度升高,硬度HV下降;高温1 520℃烧结,能显著提升Ti(C,N)基金属陶瓷的断裂韧性KIC,提高裂纹扩展阻力。     

N2分压烧结时间对超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能的影响

针对真空烧结制备超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷时,烧结体的易脱氮和N的分解问题,通过在液相保温阶段1 450℃通入130 Pa氮气,采用分压烧结制备了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了氮气分压烧结时间对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,氮气分压烧结能提升试样内部组织均匀性。在氮气氛的影响下,试样最外层会形成富Ni层,材料的近表层形成TiN层。分压刚开始,试样最外层只有富Ni层,随分压时间的增加,近表层组织中黑芯相在氮气氛影响下发生溶解,黑芯相尺寸减小,环形相尺寸增加,直至黑芯相逐渐消失,形成富Ti的(Ti,W)(C,N)固溶体,固溶体通过合并长大的方式形成固溶体层,随分压时间增加,富钛的固溶体与N反应在试样近表层形成TiN层。分压烧结时间达40 min时试样的综合力学性能最佳,其抗弯强度增加了20%,达到2 350 MPa;维氏硬度增加了13.9%,达到1 635HV30;断裂韧性提升不明显。     

Ti(C,N)_w/Ti(C,N)基金属陶瓷的组织与力学性能研究

采用Ti(C,N)晶须和颗粒复合粉末(Ti(C,N)w+Ti(C,N)p)制备Ti(C,N)w/Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了复合粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明,Ti(C,N)w的加入,金属陶瓷的各项力学性能都得到了提高。组织表现为环形相结构特征,与Ti(C,N)基金属陶瓷相比,双层环形相结构所占比例增大,且尺寸加厚。烧结组织中Ti(C,N)w的长径比大于临界长径比,在强化金属陶瓷方面起着重要的作用。环形相使Ti(C,N)w与基体界面结合紧密,增韧机制主要表现为裂纹桥联和裂纹偏转,拔出效应不明显。     

Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织及力学性能的影响

本文以不同N/C原子比的Ti(C,N)固溶体为硬质相,通过真空烧结制备了Ti(C,N)基金属陶瓷。用三点弯曲法、洛氏硬度计、压痕法分别测得试样的抗弯强度、硬度、断裂韧性,并通过光学金相显微镜、XRD、SEM、EDS等手段研究了Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织的影响规律。结果表明:在一定范围内随着N/C原子比的增大,Ti(C,N)固溶体在液相中溶解度下降,环形相的析出受到抑制,使得金属陶瓷的硬质相芯部逐渐细化且分散均匀,环形相厚度减薄。但Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为6∶4及以上时,硬质相与液相之间的润湿性较差,使得金属陶瓷孔隙度增加,显微组织中开始出现亮白色的晶粒。随N/C原子比的增大,金属陶瓷的抗弯强度和硬度先增大后降低,断裂韧性逐渐降低。当Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为5∶5时,金属陶瓷的综合力学性能最佳,其抗弯强度为2 429 MPa,硬度为92.2 HRA,断裂韧性为8.44 MPa·m~(1/2)。     

氮含量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织与磨粒磨损行为的影响

采用真空烧结方法制备了4种氮含量的Ti(C,N)基金属陶瓷,测试了试样的抗弯强度、硬度、断裂韧性等力学性能,用扫描电镜、能谱仪等研究了N含量对其显微组织及磨粒磨损行为的影响。结果表明:在一定范围内随N含量的增加,硬质相芯部逐渐细化且分布均匀,环形相厚度变薄、体积分数减小;磨粒磨损形貌中犁沟所占的比例减少,微观脆性断裂形成的凹坑增加,耐磨粒磨损性能逐渐提高。随N含量增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度呈现出先增加后减小的趋势,断裂韧度逐渐递减,硬度变化不大。当N含量为3.6%时(文中含量均为质量分数),Ti(C,N)基金属陶瓷综合力学性能最佳,其抗弯强度为1 873 MPa,硬度为89.9 HRA,断裂韧度为20.7 MPa.m1/2。     

烧结工艺和Y_2O_3添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以TiC、TiN、Ni、Co等粉末为主要原料,以稀土Y2O3为添加剂,采用无压烧结技术制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究烧结工艺和稀土Y2O3添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着温度的升高,TiC、TiN、WC、Cr3C2、Mo等相逐渐消失,向硬质芯相扩散发生固溶,经溶解-析出过程,最终形成新的Ti(C,N)硬质相和(Cr,W,Mo,Ti)(C,N)固溶体环形相,黏结金属Ni和Co主要以Ni相、TiCo和Co3W3C中间相的形式存在;稀土Y2O3的添加未改变Ti(C,N)基金属陶瓷烧结过程中的相结构演变过程,材料的显微硬度、抗弯强度和断裂韧性均随Y2O3添加量的增加呈先增加后降低的趋势,当Y2O3的加入量为0.8%(质量分数)时,Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能最佳,样品的显微硬度、抗弯强度和断裂韧性相比1450℃烧结50 min样品的分别提高了7.9%、45.8%和6.1%。     

WC粒径对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

用真空烧结法制备了添加微米级和亚微米级WC的Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了WC粒径对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响。研究结果表明:添加微米级和亚微米级WC的Ti(C,N)基金属陶瓷试样均呈现出典型的"芯-环"结构,但在添加了亚微米级WC的试样中出现了"白芯-灰环"结构。同时,随着原始WC颗粒粒径的变小,其硬质相和黑色的芯相尺寸变小,而且黑色的芯相体积分数也变小。能谱分析表明,白色芯相具有与环形相相同的元素组成,但白色芯相含有较多的W和Mo元素。力学性能测试表明,添加亚微米级WC的金属陶瓷的抗弯强度要优于添加微米级WC的金属陶瓷,但硬度却偏低。     

钛钒的量之比对(Ti,V)C基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以TiC、VC、Co、Ni为原料,通过粉末冶金的方法制备了(Ti,V)C基金属陶瓷,结合XRD、SEMEDS及力学性能测试研究了n_(Ti)/n_V对(Ti,V)C基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响以及(Ti,V)C基金属陶瓷烧结后的物相变化。结果表明:经高温烧结后TiC和VC固溶形成立方相(Ti,V)C。当n_(Ti)/n_V从4增加到15.75时,(Ti,V)C基金属陶瓷的硬度变化波动较小,抗弯强度先增加后降低。当n_(Ti)/n_V=7.35时,(Ti,V)C基金属陶瓷的显微组织得到细化,抗弯强度为1 237 MPa,维氏硬度为1 444 N/mm~2,综合力学性能较佳。     

陶瓷相原始粉末粒度对Ti（C，N）基金属陶瓷组织和性能的影响

采用粉末冶金法制备了超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷和纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷试样和刀具。研究了陶瓷相粉末粒度对Ti（ C, N）基金属陶瓷显微组织、力学性能及其刀具耐磨损性能的影响。结果表明,超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷和纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷的硬质相均具有黑芯/灰壳和白芯/灰壳两种显微结构。超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷中白芯/灰壳结构硬质相晶粒较多,而纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷中硬质相晶粒主要为黑芯/灰壳结构。与超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷相比,纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷具有较高的抗弯强度和断裂韧度以及较低的硬度和孔隙度。纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷刀具具有较长的使用寿命,约为超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷刀具使用寿命的2．3倍。     

Ti(C,N)基金属陶瓷材料显微结构与性能研究进展

对国内外近年来有关Ti(C,N)基金属陶瓷材料的显微结构与性能的研究成果进行了总结。首先,介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷材料的发展史;Ti(C,N)基金属陶瓷的显微结构、力学性能,以及显微结构与其性能的关系等。其次,列举并比较了不同的烧结方法所制备的Ti(C,N)基金属陶瓷材料的力学性能;结果表明:微波烧结和放电等离子烧结技术在较低的温度就可以成功烧结高硬度、高抗弯强度与断裂韧性高的产品,但实际生产中,这类技术还没有广泛被应用,应用最广的是真空烧结方法。最后介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷材料的今后的研究趋势。     

Effect of carbon content and cooling mode on the microstructure and properties of Ti(C,N)-based cermets

Ti(C,N)-based cermets were prepared by vacuum liquid sintering. The effects of carbon content as well as cooling mode on the microstructure, magnetic and mechanical properties of the cermets were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscope (TEM) and vibrating sample magnetometer (VSM). Hardness and transverse rupture strength (TRS) were also measured. The grains of Ti(C,N)-based cermets became finer and solid solubility of titanium, molybdenum, tungsten in binder phases decreased with increasing carbon content. The thickness of the rim phases increased when the cermet was annealed at 1360 °C for 30 min during cooling, which resulted in the decrease of the hardness and the transverse rupture strength (TRS). On the other hand, the magnetic saturation of Ti(C,N)-based cermets increased with increasing carbon content, which was due to the decrease of the solid solution of alloy elements in binder phases.     

Ostwald ripening and grain growth in Ti(C,N)-based cermets during liquid phase sintering

After liquid phase sintering, core-rim microstructure occurs in the grains of Ti(C,N)-based cermets. The mechanisms of the microstructural evolution during different sintering stages were investigated here. Our theoretical analyses show that the rim thickness of a grain is relatively independent of its initial radius when rim formation is dominated by Ostwald ripening during dissolution-reprecipitation stage, whereas it increases linearly with its initial radius when grain growth during subsequent cooling stage is the dominant mechanism. A geometric analysis via cross-sectioning technique is developed to identify dominant rim formation mechanism. Experiments with Ti(C,N)-based cermets show that rim formation is dominated by grain growth at low sintering temperatures and by Ostwald ripening at sufficiently high sintering temperatures.     

原始粉末粒度组合对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

采用粉末冶金方法制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了TiC和TiN在不同粒度组合下,Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和性能。利用SEM、XRD等分析手段对所制备的金属陶瓷进行分析。结果表明,采用微米级TiC和纳米级TiN粒度组合得到的Ti(C,N)基金属陶瓷综合力学性能最好。其抗弯强度达到了1 052.8 MPa,断裂韧性达到了9.3 MPa·m1/2。     

碳添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

碳含量对Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织和机械性能有着重要影响。本文综述了碳含量对Ti(C,N)基金属陶瓷晶粒大小、相成分和力学性能的影响,分析了影响机制。在一定范围内适当调整碳含量,可以获得综合性能良好的Ti(C,N)基金属陶瓷。     

Ti(C,N)基金属陶瓷抗弯强度的研究

研究了提高Ti(C,N)基金属陶瓷抗弯强度的方法。采用改变粘结相成分、进行低压烧结及快冷处理来制备Ti(C,N)基金属陶瓷。试验发现,粘结相成分对材料的强度有很大的影响,提高Ni/Ni+Co的比例可以提高材料的强度,当然,在实际应用中还要考虑对其它性能的综合影响;低压烧结和快冷处理都可以有效的提高Ti(C,N)基金属陶陶的抗弯强度。     

硬质相比例含量对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响

本文采用真空烧结方法制备Ti(C,N)基金属陶瓷,结合光学金相显微镜、SEM以及力学性能检测等手段,研究了硬质相Ti(C0.5,N0.5)、(Ti39.8W46.9)C的比例含量对金属陶瓷微观性能、力学性能的变化规律。结果表明,经过真空条件1 450℃烧结60 min,不同比例硬质相的金属陶瓷微观组织均出现有明显的核芯/环形结构。随着硬质相(Ti39.8,W46.9)C含量增加,Ti(C0.5,N0.5)相含量减小,黑芯硬质相数量减小,环形相厚度增加,白芯硬质相增加。基体硬度逐渐降低而抗弯强度则逐渐增加,断裂韧性随白芯数量增加而有所提升。通过研究综合性能,当硬质相Ti(C0.5,N0.5)和(Ti39.8W46.9)C的质量分数比例分别为29.6%及29.5%,力学性能最佳,硬度达到92.2±0.3 HRA,抗弯强度为2 050±50MPa,断裂韧性为10.2±0.2 MPa·m1/2。     

Effect of WC addition and cooling rate on microstructure,magnetic and mechanical properties of Ti(C0.6,N0.4)-WC-Mo-Ni cermets

Ti(C_0.6,N_0.4)-8Mo-xWC-25Ni (x = 0, 3, 6 and 9 wt%) cermets were synthesized under different cooling rates by vacuum sintering. The influence of WC addition and cooling rate on microstructure, magnetic and mechanical properties of the as-prepared Ti(C,N)-based cermets was investigated by using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), vibrating sample magnetometer (VSM) and physical property measurement system (PPMS). The results revealed that the grain size of the Ti(C,N)-based cermets became finer with WC addition. Furthermore, room-temperature saturation magnetization (M_s), remanence (M_r) and Curie temperature (T_c) of the Ti(C,N)-based cermets initially decreased with increasing WC content, followed by a gradual increase. Cermets bacame paramagnetic at x = 6 under the cooling rate of 2 °C/min, x = 6 and 9 under the cooling rate 35 °C/min, respectively. The decrease in magnetic properties could be ascribed to the enhanced solid solubility of alloy elements in Ni-based binder phase. Moreover, the hardness and transverse rupture strength (TRS) of the Ti(C,N)-based cermets initially increased and followed by a gradual decrease, whereas the fracture toughness initially decreased followed by an increase with increasing WC content. At the same value of x, the Ti(C,N)-based cermets exhibited better magnetic and mechanical properties at the cooling rate of 35 °C/min than that at the cooling rate of 2 °C/min, which could be attributed to the grain refinement strengthening and solid-solution strengthening of the binder phase.