碳纤维添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷材料组织和性能的影响

以Ti(C,N)、Mo_2C、Co、Ni、WC和C_f(碳纤维)为原料,通过粉末冶金工艺制备了不同添加量C_f增强Ti(C,N)基金属陶瓷材料,研究了C_f添加量对金属陶瓷密度、硬度和抗弯强度的影响。结果表明,随着C_f添加量的逐渐增大,Ti(C,N)基金属陶瓷材料密度和硬度略有降低,抗弯强度先增大后减小;当C_f添加量(质量分数)为2%时,Ti(C,N)基金属陶瓷材料力学性能最佳,此时硬度为66 GPa,抗弯强度为672.6 MPa。     

TaC含量对TiCN基金属陶瓷组织与性能的影响

以TiC,TiN,WC,Mo,Co,Ni和Ta C为原料制备TiCN基金属陶瓷,结合XRD,SEMEDS和力学性能测试,研究TaC含量对TiCN基金属陶瓷物相组成、显微组织与力学性能的影响。结果表明:TiCN基金属陶瓷的硬质相为TiC_(0.7)N_(0.3),Mo C,TiWC_2和TiTaCN。粘结相Co,Ni固溶Ti,W,Mo,Ta元素形成Ti_(0.08)Ni_(0.92),TiCo_3,W_(0.15)Ni_(0.85),Co_(0.9)W_(0.1),Ta_(0.08)Ni_(0.92)和Mo_(0.09)Ni_(0.91)等。TiCN基金属陶瓷的显微组织由黑色相Ti(C,N)、灰色相(Ti,Mo,Ta,W)(C,N)和白色相(Ti,Mo,Ta,W)C-Co-Ni组成,形成黑芯-灰环及黑芯-白环-灰环包覆结构。随TaC含量增加,固溶相(Ti,Ta,W,Mo)(C,N)的含量与黑芯-白环-灰环包覆结构相增加,TiCN基金属陶瓷的抗弯强度提高,硬度略有下降。适宜的TaC添加量为9%,所得金属陶瓷的抗弯强度和硬度HV分别为1 299 MPa和1 252 MPa。     

烧结温度对Ti(C,N)-HfN/Ti(C,N)-WC层状陶瓷微观组织和力学性能的影响

以Ti(C,N)为基体相,HfN和WC为不同层的增强相,金属Ni和Mo为粘结相,采用交替铺层法制备素坯,并利用真空热压烧结技术制备Ti(C,N)-HfN/Ti(C,N)-WC层状陶瓷,研究了烧结温度对层状陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明：随着烧结温度的升高,材料中的晶粒逐渐长大,在烧结温度为1350℃和1400℃时,材料的晶粒较小但分布不均匀,且存在较多的微缺陷;在烧结温度为1450℃和1500℃时,材料中的晶粒相对均匀（粒径～1μm）,微缺陷较少;在烧结温度达到1550℃时,材料中出现了大量粗大晶粒（粒径～2μm）。随着烧结温度的升高,层状陶瓷的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度均先增大后减小。在1450℃下所制备的Ti(C,N)-HfN/Ti(C,N)-WC层状陶瓷具有较好的综合力学性能,其抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为(1263.6±17.1)MPa、(18.5±0.3)GPa和(8.2±0.1)MPa·m1/2。此外,Ti(C,N)-HfN/Ti(C,N)-WC层状陶瓷在断裂时表现为穿晶与沿晶并存的断裂模式。     

WC含量对TiB_2基金属陶瓷微观组织与力学性能的影响

采用粉末冶金法制备w(WC)为0～20%的TiB_2-WC-0.8Cr_3C_2-20(Co/Ni)(质量分数,%)金属陶瓷,研究WC含量对TiB_2基金属陶瓷微观组织与力学性能的影响。结果表明,随WC含量增加,TiB_2在黏结相中的溶解度降低,TiB_2/黏结相界面减少,使得TiB_2基金属陶瓷晶粒细化,晶粒尺寸更加均匀。此外,添加WC可显著改善TiB_2基金属陶瓷的力学性能。当w(WC)为15%时,金属陶瓷的性能最佳,硬度(HRA)、抗弯强度以及相对密度分别达到92.6±0.2、(1256±30) MPa和(99.65±0.20)%。但添加过量WC(w(WC)=20%)时部分WC相发生团聚并生成脱碳相W_2C,使得TiB_2基金属陶瓷的力学性能降低。     

Mo_2C/WC对金属陶瓷组织和性能的影响

以TiC、TiN、Mo_2C、WC、Co、Ni为原料,采用粉末冶金法制备Ti(C,N)基金属陶瓷。结合XRD物相检测、显微组织分析以及力学性能测试研究了Mo_2C/(WC+Mo_2C)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Mo_2C/(WC+Mo_2C)的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度逐渐增加,抗弯强度先降低后增加。当Mo_2C/(WC+Mo_2C)=0.8时,Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织细化明显,综合力学性能最佳,维氏硬度(HV)为1 411.15,抗弯强度为1 053.7 MPa。     

成型压力对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响

以Ti(C,N)为基体硬质相,Ni和Co为金属黏结相,WC、Mo₂C和TaC为第二相碳化物,借助真空热压烧结技术制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,探究了成型压力对金属陶瓷物相组成、微观形貌和成分、相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度的影响.研究结果表明：成型压力并未改变金属陶瓷的物相组成,所有试样均展现出典型的芯-环结构;无压成型烧结制备出的金属陶瓷不仅具有典型的黑芯-灰白双环结构,还呈现另一种白芯灰环结构.同时,金属陶瓷的晶粒度得到了细化.力学性能测试结果表明：成型压力达到8 MPa,金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度达到最大值,分别为99.1%,19.39 GPa, 7.84 MPa·m^1/2和1 488 MPa.金属陶瓷的断裂模式主要为沿晶断裂,并呈现较多的韧窝和撕裂棱.     

原料中C/N原子比对TiCN基金属陶瓷组织结构和性能的影响

分别以Ti(C_(0.4),N_(0.6)),Ti(C_(0.5),N_(0.5))和Ti(C_(0.7),N_(0.3))等3种TiCN粉末为原料,制备TiCN-25WC-10TaC-2Mo_2C-7Ni-7Co金属陶瓷,研究TiCN原料中C/N原子比对TiCN基金属陶瓷组织结构、硬度、抗弯强度、韧性、磁学性能以及耐腐蚀性能的影响。结果表明,以Ti(C_(0.4),N_(0.6))为原料制备的TiCN基金属陶瓷中出现M_6C型脱碳相(η相),导致材料的抗弯强度和韧性显著降低。以Ti(C_(0.7),N_(0.3))为原料制备的金属陶瓷为典型的弱芯环结构,具有最佳的力学性能,硬度(HV30)、抗弯强度和Palmqvist韧性分别为15.61 GPa,2 294 MPa和11.29 MN·m~(-3/2)。随TiCN原料中C/N原子比降低,金属陶瓷的矫顽磁力和相对磁饱和均大幅降低。在pH=1的H_2SO_4溶液中的电化学腐蚀实验结果表明,采用Ti(C_(0.4),N_(0.6))和Ti(C_(0.5),N_(0.5))原料制备的金属陶瓷的耐腐蚀性能相近,采用Ti(C_(0.7),N_(0.3))原料制备的金属陶瓷的耐腐蚀性能显著降低。     

Ti(C,N)-xWC-Ni-Mo-C金属陶瓷组织的研究

采用粉末冶金工艺制备不同WC含量的Ti(C,N)-xWC-Ni-Mo-C金属陶瓷,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了Ti(C,N)-xWC-Ni-Mo-C金属陶瓷组织、断口形貌和裂纹扩展路径。结果表明:Ti(C,N)-xWC-Ni-Mo-C金属陶瓷除了有黑芯-灰壳组织,还有白芯-灰壳组织。随着WC含量的增加,晶粒有细化趋势,但当WC含量达到20%(质量分数)时,晶粒有所长大。材料断裂模式主要是沿晶断裂和穿晶断裂;在裂纹扩展过程中,产生裂纹桥接、裂纹偏转和微裂纹。     

微米／纳米Ti（C,N）基金属陶瓷刀具材料的研制

系统研究了添加纳米级Al2O3的含量对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能和显微结构的影响。结果表明:纳米Al2O3的添加可大幅提高Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能,特别是硬度和断裂韧性明显提高,克服了Ti(C,N)基金属陶瓷硬度较低的缺点,扩大了其应用范围。通过对微观结构观察和分析,可以看出,纳米Al2O3的添加细化了基体的晶粒,主要断裂模式为穿晶断裂,晶粒的细化和断裂模式的改变是材料力学性能提高的主要原因。     

Ti(C_(0.7)N_(0.3))对(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金属陶瓷组织与性能的影响

以(Ti,W,Ta)C和Ti(C_(0.7)N_(0.3))固溶体颗粒共同作为硬质相原料,采用粉末冶金工艺制备Ti(C,N)基金属陶瓷材料,研究Ti(C_(0.7)N_(0.3))添加量对(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金属陶瓷组织与性能的影响。结果表明,(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金属陶瓷由黑芯–灰环结构和白芯–灰环结构的2种硬质相和粘结相构成,黑芯相为Ti(C_(0.7)N_(0.3))颗粒,白芯相为(Ti,W,Ta)C颗粒。随Ti(C_(0.7)N_(0.3))添加量增加,黑芯–灰环结构增多,环形相变薄。Ti(C_(0.7)N_(0.3))固溶体的加入对(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金属陶瓷硬度的影响很小,而抗弯强度随Ti(C_(0.7)N_(0.3))增加呈先升高后降低趋势。当Ti(C_(0.7)N_(0.3))添加量(质量分数)为40%时,金属陶瓷的力学性能最优,硬度(HRA)为90.3,抗弯强度为1 748 MPa。     

高能球磨制备WC/Al2O3-Cr-Mo-Ni金属陶瓷及其组织和力学性能

以亚微米级WC粉、Al2O3粉、Cr粉、Mo粉与Ni粉为原料,采用高能球磨+热压工艺制备WC/Al2O3-Cr-Mo-Ni金属陶瓷材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析材料的物相组成和显微组织结构以及断裂方式,研究粘结相Ni和陶瓷相Al2O3的含量(均为质量分数)对该材料力学性能和微观结构的影响。研究表明:金属陶瓷的抗弯强度及断裂韧性随Ni含量增加而提高,随Al2O3含量增加而降低,硬度的变化趋势则相反。当Ni含量为7%、Al2O3含量为10%时,该金属陶瓷具有良好的综合性能,抗弯强度为567 MPa,断裂韧性为7.46(MPa.m1/2),维氏硬度为15.24 GPa,基本达到现用模具材料的水平。随着Ni含量增加,金属陶瓷的断裂方式由沿晶断裂向沿晶断裂与穿晶断裂相混合的方式转变。     

WC粉末粒度对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

研究了WC粉末粒度对Ti(C,N)基金属陶瓷Ti(C_(0.7)N_(0.3))-15%WC-15%Ni显微组织和性能的影响。研究结果表明,降低WC粉末粒度后组织中出现了大量的白芯-灰环结构的晶粒,总体晶粒度均匀并得到细化(2μm以下)。细化的WC粉末不仅使WC的溶解速度增大,Ti(C,N)的溶解速度也增大。细化WC粉末粒度可以提高金属陶瓷的硬度,但是断裂韧性却有所下降。     

HfN含量对ZrB2基陶瓷材料微观组织和力学性能的影响

以HfN为增强剂、Ni为金属添加剂, 通过真空热压烧结工艺制备了ZrB₂-HfN陶瓷材料, 研究了HfN含量(质量分数)对ZrB₂基陶瓷材料微观组织和力学性能的影响。结果表明: 随着HfN质量分数从5%增加到15%, ZrB₂-HfN陶瓷材料的硬度和抗弯强度先增大后减小, 而断裂韧度逐渐增大; 当HfN质量分数为15%时, ZrB₂-HfN陶瓷材料的断裂模式为穿晶断裂与沿晶断裂共存; 当HfN含量为10%时, ZrB₂-HfN陶瓷材料具有较好的综合力学性能, 其硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为: (16.47±0.24) GPa、(734.48±25) MPa和(5.37±0.20) MPa·m 1/2。     

Mo含量对(Ti,W,Ta)C-Ni系金属陶瓷组织与性能的影响

以(Ti,W,Ta)C固溶体粉末、金属Mo粉和Ni粉为原料,采用真空液相烧结法制备(Ti,W,Ta)C-x Mo-1%Ni金属陶瓷(x为质量分数,x=0~20%),研究Mo含量对(Ti,W,Ta)C-Ni系金属陶瓷的显微组织、物相组成、致密度和力学性能的影响。结果表明,随Mo含量增加,金属陶瓷的组织逐渐细化;Mo对(Ti,W,Ta)C-Ni系金属陶瓷的致密化具有较强的促进作用,使得金属陶瓷的烧结收缩率增加,孔隙减少;随Mo含量增加,(Ti,W,Ta)C-Ni系金属陶瓷的硬度提高,而抗弯强度先升高后降低。当Mo含量为15%时,(Ti,W,Ta)C-Ni系金属陶瓷的力学性能最优,硬度HRA和抗弯强度分别为90.2和1 661 MPa。     

机器人覆盖件用金属陶瓷模具材料的研究

以微米Al₂O₃为主要原料,微米金属Cr和W为主要添加物,采用热压烧结工艺改性制备了机器人覆盖件用氧化铝挤压金属陶瓷模具材料,研究了该金属陶瓷模具材料的强度、断裂韧性、硬度及耐磨性等力学性能,并分析了该材料磨损试样表面的微观结构。结果表明:当微米Al₂O₃添加量（质量分数）为65%,金属Cr和W添加量均为12.5%,烧结温度为1640 ℃时,所制备的试样综合性能最佳,其中相对密度为99.8%,抗弯强度为805.6 MPa,断裂韧性为14.5 MPa·m1/2,硬度为11.2 GPa;金属W和Cr形成的金属第二相在摩擦磨损过程中能产生机械冷焊作用,大大提高了模具材料的耐磨性能。     

双芯环结构Ti(C,N)基金属陶瓷材料的制备与性能研究

采用固相化学反应与碳热还原氮化相结合的方法, 将W、Mo、Ta等重金属元素与(C, N)复合, 制备得到(W, Mo, Ta)(C, N)粉末, 并利用高能球磨机与Ti(C, N)基体进行混合, 再经压制成型、低压烧结制备出具有双芯环结构的Ti(C, N)基金属陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜分析双芯环结构对Ti(C, N)基金属陶瓷微观形貌和力学性能的影响。结果表明, 在高温烧结过程中, 通过Ostwald溶解–析出机制所形成的双芯环结构可以阻止裂纹扩展, 达到增韧效果; 结果说明, 可通过优化Ti(C, N)基金属陶瓷材料的芯环结构, 达到增加金属陶瓷材料韧性的目的。     

WC质量分数对Ti(C0.7N0.3)基金属陶瓷组织和性能的影响

采用粉末冶金低压烧结方法制备Ti(C_0.7N_0.3)基金属陶瓷, 结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察、能谱(energy dispersive spectrum, EDS)分析、力学及磁学性能测试, 研究了WC质量分数从0增大到20%的过程中, Ti(C_0.7N_0.3)基金属陶瓷的显微组织、力学性能及磁学性能变化。结果表明, 经1420℃低压烧结1 h后, Ti(C_0.7N_0.3)基金属陶瓷显微组织有明显的芯/壳结构, 且随着WC质量分数增大, 黑色硬质相数量及体积减小, 环形相和黏结相体积增大。WC质量分数从0增大到20%的过程中, 硬度先增大后减小, 抗弯强度先增大后趋于稳定, 饱和磁化强度逐渐减小, 矫顽磁力逐渐增大。WC质量分数为15%时, 力学性能最佳, 其中HRA 91.6, 抗弯强度2160 MPa。     

Rare earth ceramic cutting tool and its cutting behavior when machining hardened steel and cast iron

The addition of rare earth element yttrium played an important role in the improvement of both mechanical properties and wear resistance of Al2O3/(W,Ti)C ceramic cutting tool material.Mechanical properties especially the fracture toughness and flexural strength were obviously increased when a suitable amount of the yttrium were added.Wear resistance of the developed rare earth ceramic cutting tool material was higher than that of the corresponding materials without rare earth in the machining of the hardened 45# carbon steel and cast iron HT20-40.Wear modes of the Al2O3/(W,Ti)C rare earth ceramic tool materials were mainly flank wear and crater wear accompanied with slight notch wear when machining the hardened carbon steel.Wear mechanisms were major abrasive wear at low cutting speed and adhesive wear at high cutting speed.Wear modes were nearly the same except that the adhesion phenomenon in the crater area was intensified when machining cast iron.The flank wear area was relatively smooth with no obvious plowing phenomenon which was possibly concerned with the workpiece of low hardness and the adhesion phenomenon at high cutting temperature.     

放电等离子烧结制备超细晶WC-3Co硬质合金的组织和性能

采用高能球磨制备纳米WC-3Co粉末,再通过放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)制备超细晶WC-3Co硬质合金。研究SPS工艺参数对合金致密度、显微组织和力学性能的影响,并对SPS和热压工艺(hotpressing,HP)进行对比。结果表明:SPS可实现WC-3Co粉末的低温快速致密化。升高温度或提高压力都使得合金的致密度提高,同时导致WC晶粒长大。SPS较HP升温速率快且烧结时间更短,合金组织更加均匀,在1 300℃保温5 min、烧结压力为40 MPa的条件下所制备的合金具有最佳综合性能,其平均晶粒度为0.32μm,相对密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为99.3%、2257 HV30、1 906 MPa、10.36 MPa.m1/2。而在1 450℃、压力为50 MPa、保压5 min条件下,热压合金的致密度、硬度和断裂韧性分别为99.6%、2 264 HV30和11.01 MPa.m1/2,但抗弯强度只有1 301 MPa,平均晶粒度为0.47μm。