Ti(C,N)基金属陶瓷在烧结-热等静压条件下的组织、性能研究

用真空烧结和烧结 -热等静压两种方法制备了不同粘结相含量的 Ti(C,N)基金属陶瓷 ,并对合金的组织和性能进行了对比分析。结果表明 :与真空烧结相比 ,烧结 -热等静压有效降低了合金的孔隙度 ,因而使合金的横向断裂强度有较大幅度的提高 ,硬度也稍有提高 ;对于本试验所采用的 Ti(C,N)基金属陶瓷 ,烧结 -热等静压处理温度为142 0～ 145 0℃时 ,合金可获得好的组织、性能。本文还对烧结 -热等静压能有效改善 Ti(C,N)基金属陶瓷组织、性能的原因进行了探讨。     

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。     

烧结气氛对Ti(CN)基金属陶瓷组织和性能的影响

用X射线衍射、背散射扫描电镜及能谱仪等分析手段研究了烧结气氛(真空、N2、Ar)对不同成分TiC基和Ti(CN)基金属陶瓷合金显微组织和性能的影响.金属陶瓷在N2和Ar中烧结后,合金碳含量比在真空中烧结的碳含量低0.5%左右;在N2中烧结后,合金的氮含量提高了0.5%左右.环状结构心部可以是以钨等重金属元素为主要成分的碳化物,也可以是以钛为主要成分的碳化物和碳氮化物.环状结构为金属元素含量和分布不同的(Ti,W,Ta,Mo,Co,Ni)(C,N)固溶体,粘结相是与Ti,W,Ta,Mo,C,N等元素有不同溶解度的钴镍固溶体.真空烧结后组织结构比较均匀,合金的性能最好.在Ar、N2中烧结后,气氛中的氧和氮参加烧结反应,影响合金成分碳氮平衡,在合金表面形成壳层结构,产生表面缺陷,合金的密度、显微硬度、抗弯强度均有比较大的降低;N2气氛影响更大.     

固相阶段烧结气氛对Ti(C,N)基金属陶瓷成分、组织和性能的影响

在Ti(C,N)基金属陶瓷固相烧结阶段,进行了烧结气氛分别为真空、低压氩气及不同压力氮气气氛的实验。研究了固相阶段烧结气氛对合金微观结构、碳氮氧含量、物理力学性能和切削性能的影响。结果表明,固相阶段进行氮气氛烧结对金属陶瓷最终氮含量有显著的影响,从而影响合金成分、微观结构和各项性能。相比真空烧结工艺,在固相烧结1 100~1 300℃阶段通入30~50 mbar N_2气进行气氛烧结,能抑制Ti(C,N)分解脱N,提高合金的N/C比,合金抗冲击性能得到提升。     

N含量对超细Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

用扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜等观察手段研究了N含量对超细Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响.结果表明N含量对超细Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能有显著的影响.随N含量增加,其晶粒尺寸细化,晶粒长大受到抑制,并且这种抑制作用非常显著.与此同时,组织中高的N含量也会导致烧结体中孔隙率增加,严重损害着横向断裂强度(TRS).高的N含量一方面能有效抑制晶粒长大,另一方面也促进N的分解.     

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。     

碳纳米管添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷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,通过XRD、TEM和SEM等手段研究碳纳米管(CNTs)对金属陶瓷组织和性能的影响.结果表明:与未加碳纳米管的基体组织相比,添加CNTs的金属陶瓷组织中具有"白芯-灰壳"结构的小颗粒大大增加,金属陶瓷晶粒逐渐细化且分布均匀;当CNTs添加量(质量分数)为0.5%时,Ti(C, N)基金属陶瓷的硬度可达90.9HRA;金属陶瓷的抗弯强度比未加碳纳米管的试样提高14.1%,可达2 180.7 MPa,其强化机制主要为细晶强化;金属陶瓷的断裂韧性比未加碳纳米管的试样提高18.5%,可达14.7 MPa·m1/2,CNTs对金属陶瓷强韧化机制主要为桥联作用、拔出效应和裂纹偏转作用.     

二次低压烧结对Ti(C,N)基金属陶瓷组织与性能的影响

本文对真空烧结后的Ti(C,N)基金属陶瓷进行了二次低压烧结并对材料的组织和性能做了研究。研究发现,二次低压烧结后,Ti(C,N)基金属陶瓷中出现了一些白色的芯相组织,与黑色的芯相比,其Mo含量更高,而Ti含量更低。低压烧结后,金属陶瓷中的孔隙减少了,硬质相平均晶粒度从0.8μm增加到0.9μm。金属陶瓷的线收缩率从18.7%增加到20.3%;相对密度从99.19%增加到99.31%;硬度从93 HRA下降到92.8HRA;横向断裂强度从1 587 MPa增加到1 844 MPa。从断口形貌看,二次低压烧结后金属陶瓷断口中硬质相内部的微裂纹减少了,而且穿晶断裂的现象增多。     

(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的烧结致密化过程研究

本文研究了(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷材料烧结致密化过程、烧结过程中金属陶瓷的成分、组织结构和性能的变化,初步探讨烧结工艺控制对成分、组织结构和性能的影响。研究结果表明：(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷致密化过程中,合金因烧结而引起的质量损失在液相出现前的固相烧结阶段基本结束;而1340℃以后,由于液相的出现,合金的体积收缩和密度急剧上升。烧结过程中氮含量的变化趋势与合金磁性能的变化趋势一致,金属陶瓷合金成分中氮含量的变化对合金固溶体的形成有显著的影响。在1490℃烧结温度下,(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的综合力学性能最佳,而通过合适的N₂分压烧结工艺,可以实现对(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷强韧性的进一步提升。     

CeO2添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微结构和力学性能的影响

采用真空烧结工艺制备了(56-x)Ti(C0.5,N0.5)-20WC-3.5Mo2C-20(Co+ Ni)-xCeO2(x=0,0.05％,0.1％,0.2％)系列金属陶瓷,研究了CeO2添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微结构和力学性能的影响.结果 表明:添加适量的CeO2有利于Ti(C,N)金属陶瓷显微组织细化,使硬质相颗粒尺寸减小,而且分布更加均匀,从而提高其力学性能.此外,添加CeO2后金属陶瓷中裂纹扩展过程产生较多的桥接现象,使其具有较高的断裂韧性.随着CeO2添加量增加,Ti(C,N)金属陶瓷的密度和力学性能先增大后减小,CeO2添加量为0.1％时,金属陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为6.51 g/cm3、91.6 HRA、1577 MPa和9.11 MPa·m1/2.     

二次颗粒尺寸和添加WC对双结构金属陶瓷组织和性能的影响

研究了二次颗粒尺寸和添加WC对双结构金属陶瓷组织和力学性能的影响,结果表明二次颗粒均匀地分布在基体中,随着添加WC含量的增加,组织中白芯灰壳结构和无芯结构增加。组织中发现了一种新的四层复合结构的硬质相。随着二次颗粒尺寸的增加,材料的断裂韧性提高,但抗弯曲度和硬度下降,而提高WC加入量,断裂韧性和抗弯曲度提高,但硬度有所下降。更高的断裂韧性主要归功于裂纹的分叉、桥接、偏转、微裂纹以及二次颗粒的拔出效应。     

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。     

Adherent coating on gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_(0.5),N_(0.5))

Gradient cemented carbide is usually employed as the substrate for coated carbide insert. In this work,gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) was prepared and its microstructure and properties were researched. Moreover, this novel substrate was coated to investigate cutting performance. It is found that the average WC grain size in the gradient zone is larger than that in the bulk. Owing to ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) introduction, gradient cemented carbide prepared by vacuum sintering exhibits full densification. By contrast, the gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) shows higher transverse rupture strength(TRS) and hardness than the homogenous one. Gradient cemented carbide suffers small TRS reduction after coating, and the bonding between coatings and gradient substrate is tidy and compact. The coated gradient cemented carbide shows much better endurance and impact resistance than the coated homogenous one. It confirms the superiority of gradient cemented carbide when used as the substrate for coating inserts.     

High-quality Ti(C,N)-based cermets via solid-state nitrogen-pressure sintering: Influence of the sintering atmosphere

Owing to the denitrification behavior of Ti(C,N)-based cermets during the sintering process, nitrogen atmosphere sintering is essential for the fabrication of high-quality products. Disclosing the roles of the sintering atmosphere on the microstructure and properties of cermet is of significance. Herein, Ti(C,N)-based cermets were fabricated under six types of sintering atmosphere. Effects of sintering atmosphere on the microstructure, coercive force (Hc), specific saturation magnetization (Ms (%)), and mechanical properties of cermets were investigated. More rimless Ti(C,N) grains with increased fraction of black cores were formed with increasing the nitrogen partial pressure. Three types of gradient structure of cermets were confirmed caused by the different nitrogen activity at the liquid sintering state. Vacuum sintering induced the formation of thicker rims on smaller Ti(C,N) cores at the surface due to the low nitrogen potential, while fcc solid solutions rich in N was formed in nitrogen atmosphere. Vacuum sintered cermets showed the lowest Hc and Ms. (%) of 3.66 KA/m and 2.13%, owing to the denitrification process. High-quality Ti(C,N)-based cermets were achieved via the solid-state nitrogen atmosphere sintering, benefiting from the optimized core-rim structure, i.e. moderate thickness of rims and certain amount of black Ti(C,N) cores.     

Cr_3C_2对Ti(C，N)基金属陶瓷性能的影响

采用真空液相烧结法制备了添加微量TaC、NbC的(Ti,Ta,Nb)(C,N)-(Ni,Mo)- Cr_3C_2系Ti(C,N)基金属陶瓷。对添加不同质量Cr_3C_2材料的力学性能、断口形貌和高温氧化过程进行了研究。结果表明:随Cr_3C_2加入量的增加,材料的硬度呈增加趋势,抗氧化性能逐渐提高,但抗弯强度降低;Cr_3C_2加入量为12.5wt%时,材料的综合性能最佳,其高温氧化机制为外界氧离子通过氧化层向反应界面的扩散。     

Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的切削性能

利用真空烧结工艺和表面氮化处理工艺制备纳米复合Ti(C,N)基金属陶瓷可转位刀片和功能梯度可转位刀片,并对刀片的切削性能进行分析。结果表明:切削正火态45#钢、淬火态45#钢和奥氏体不锈钢时,与YT15、YG8、TN20相比,制备的刀具皆表现出较优的切削性能和较高的耐磨性,表面经氮化处理后,刀具的表面硬度提高了HRA2.2,大幅度提高了刀具的抗热冲击性能。具有梯度结构的金属陶瓷刀片切削正火钢、铸铁和不锈钢时的切削性能比无梯度结构金属陶瓷刀片的切削性能优良,具有更高的耐磨性。     

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。     

Ti(C,N)基金属陶瓷断口形貌及增韧机理

采用真空烧结工艺制备Ti(C,N)基金属陶瓷,测定了材料的力学性能。结果表明,其力学性能与未加纳米粉的金属陶瓷相比,硬度略有升高,但横向断裂韧性提高了近一倍。断口形貌和微观组织分析表明:金属陶瓷的断口形貌与其强韧性有着密切的关系。纳米粉的加入降低了原始粉末的平均粒度,使得金属陶瓷硬质相的粒度降低,减小了晶粒间的平均自由程。镶嵌于大颗粒环形相和弥散分布于粘结相中的细小硬质相颗粒,对裂纹的形成和扩展起到阻碍作用,会使金属陶瓷因裂纹扩展途径发生偏转而增韧。     

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.