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。     

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。     

WC含量对超细Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

采用真空烧结法制备超细Ti(C,N)基金属陶瓷,研究WC含量0wt%～20wt%对超细Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。通过SEM观察组织形貌发现,添加WC后金属陶瓷的组织出现了典型的芯壳结构,并且芯壳产生了明显细化,但当WC添加量超过15wt%时,环形相碳化物粗化、变脆。伴随着WC添加量,抗弯强度、硬度、断裂韧性均呈现先上升再下降的趋势。在WC添加量15wt%时,抗弯强度达到1262MPa,维氏硬度值达到16.3HV,金属陶瓷的综合力学性能达到最优。     

Ni–xCr粘结剂对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备了Ni–xCr(wt%,x=0、10、20、30)粘结剂含量为18wt%和38wt%的Ti(C,N)基金属陶瓷,以研究Ni–xCr粘结剂成分及含量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。除Ni–30Cr粘结剂含量为38wt%的金属陶瓷外,在其它金属陶瓷中仅观察到了Ni基粘结相和Ti基碳氮化物陶瓷晶粒,而未观察到高Mo高Cr白色组织。粘结剂中含Cr时,陶瓷晶粒的黑芯中易出现非常细小的白色颗粒,特别是粘结剂含量为38wt%时,黑芯中通常出现大量的白色颗粒;并且,粘结剂中Cr含量高时,陶瓷晶粒的灰色外环明显变厚。不管粘结剂含量高低,金属陶瓷的硬度随着粘结剂中Cr含量增加而增加,且粘结剂含量为38wt%时增幅更明显。金属陶瓷的横向断裂强度和断裂韧性在粘结剂含量为18wt%时随着粘结剂中Cr含量增加而下降,而在粘结剂含量为38wt%时随着粘结剂中Cr含量增加先增加后下降,以Ni–10Cr作粘结剂时达到峰值。陶瓷晶粒细化致使沿晶断裂几率增加而穿晶断裂几率下降;通过陶瓷晶粒细化、裂纹偏转、裂纹桥联和诱发微裂纹等机制的协同作用,可显著提高Ti(C,N)基金属陶瓷的横向断裂强度和断裂韧性。     

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。     

TaC含量对Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷组织和性能的影响

以Ti(C_(0.7),N_(0.3))、TaC、WC、C、Co、Ni以及Mo粉为原料,利用粉末冶金法制备了Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷。使用XRD、SEM、硬度计和万能试验机等研究了不同的Ta C含量对金属陶瓷显微组织和性能的影响。结果表明,金属陶瓷的组织呈现出"芯-壳"结构,随着Ta C含量的增加,环形相包覆得更加完整,晶粒尺寸明显细化,当Ta C含量超过4%时,部分颗粒开始发生团聚、长大,环形相越来越厚;随着Ta C含量的增加,金属陶瓷的硬度和断裂韧性呈现出不断下降的趋势,而抗弯强度先升后降。综合来看,当添加Ta C含量为4%时,金属陶瓷具有最佳的综合力学性能,其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别达到了88.7 HRA、1 297 MPa和10.0 MPa·m~(1/2)。     

Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料的力学性能与微观结构

采用真空热压工艺制备了添加纳米ZrO2和微米WC的Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料,并研究了材料的力学性能与微观结构。结果表明:在纳米ZrO2添加量为5%、微米WC添加量为9.6%(质量分数,下同)时,Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料的综合力学性能较好,抗弯强度为1014MPa,断裂韧性为7.25MPa·m1/2,硬度为15.57GPa,其抗弯强度和断裂韧性比未添加纳米ZrO2与微米WC的Ti(C,N)基金属陶瓷材料分别提高了3.5%和18.1%。材料断裂模式为以穿晶断裂为主的穿晶/沿晶断裂混合模式。"晶内型"纳米结构弥散增韧、纳米ZrO2相变增韧以及裂纹桥联、裂纹偏转是其主要的增韧补强机理。     

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.     

TiN/TiAIN涂层的断裂韧性研究

采用多弧离子镀技术在Ti(C,N)基和WC基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN涂层,利用维氏硬度计对涂层进行压痕试验;通过测试压痕周围的裂纹长度和数目,用裂纹密度β来评价涂层的断裂韧性.结果表明,Ti(C,N)基金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的裂纹密度为4558,比WC基金属陶瓷基体上涂层的裂纹密度低.TiN/TiAlN涂层的压痕形貌中,涂层没有剥落,只有沿压痕应力角径向显微裂纹和压痕四周的侧向显微裂纹,不同基体其压痕裂纹特点也不同.Ti(C,N)基金属陶瓷基体上涂层的径向裂纹非常短,并有裂纹偏转现象,侧向裂纹很长.WC基金属陶瓷基体上涂层的径向裂纹很长,非常平直,侧向裂纹很短.     

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。     

WC/Mo_2C比例对金属陶瓷组织和性能的影响

研究了不同WC/(WC+Mo_2C)值对TiCN-WC-Mo_2C-Co-Ni金属陶瓷组织和性能的影响。通过分析SEM组织照片发现,随WC/(WC+Mo_2C)值的增大,金属陶瓷的组织有黑芯硬质相减少、白芯硬质相增多的明显趋势。XRD图谱显示,添加Mo_2C后组织中会出现一种与TiCN晶格常数差异稍大的(Ti,M)(C,N)物相,且其衍射强度随Mo_2C比例的增加而提高。WC/(WC+Mo_2C)值对金属陶瓷的硬度影响很小,采用纳米压痕仪测量了富Ti黑芯硬质相和富W白芯硬质相的纳米硬度值,二者硬度处于同一水平。金属陶瓷的断裂韧性随WC/(WC+Mo_2C)值的增大明显上升,观察裂纹扩展特征发现,这是因为富W白芯硬质相易于使裂纹发生偏转,抗裂纹扩展能力明显优于黑芯-灰环硬质相。     

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。     

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。     

基于正交试验和BP神经网络的Ti(C,N)基金属陶瓷成分及性能研究

本文针对真空烧结气氛下制备的Ti(C,N)基金属陶瓷,借助正交试验方法探究了黏结金属Co+Ni含量及Co/Ni比例、钨钼碳化物添加量及WC/Mo₂C比例、Ti(C,N)含量和钛钨固溶体添加比例等因素对金属陶瓷性能的影响。通过极差分析法确定了各因素对金属陶瓷性能的影响权重。研究表明黏结金属Co+Ni含量是影响金属陶瓷硬度的最主要因素,其次是黏结金属Co/Ni比例和钨钼碳化物添加量。黏结金属Co+Ni含量也是影响金属陶瓷断裂韧性的最主要因素。随后以正交试验的数据建立了BP神经网络预测模型,结合补充试验和模型修正获得了最优试验硬度HRA为91.6、断裂韧性K_IC为10.03 MPa·m^1/2,预测了Ti(C,N)基金属陶瓷最优成分组合下的HRA-K_IC(MPa·m^1/2)函数关系为：HRA=-0.71K_IC+98.5,同时还获得了在最佳硬度-断裂韧性组合下Ti(C,N)基金属陶瓷黏结金属Co+Ni含量、Co/Ni比例、钨钼碳化物添加量和WC/Mo₂     

二次颗粒尺寸对双结构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常规结构Ti(C,N)基金属陶瓷,将其人工破碎过筛后,获得2种不同粉末粒度的二次颗粒,分别与预先混合均匀的(Ni+Mo)粉末进行混合并压制成型,再在真空烧结炉中1 400℃烧结1 h(0.1 Pa),制备出双结构金属陶瓷。研究了二次粒度尺寸对双结构金属陶瓷显微组织和力学性能的影响,利用SEM、EDX等分析手段对所制备的金属陶瓷进行分析。结果表明,双结构金属陶瓷的微观组织表现为常规结构金属陶瓷制备的二次颗粒镶嵌在粘结相基体中,二次颗粒内部(BSE模式)表现为经典的黑芯-灰壳结构,还出现了少量的白芯-灰壳结构。随着二次颗粒尺寸的增大,双结构金属陶瓷的断裂韧性也随之增加,最高达到了17.3 MPa·m~(1/2),与常规结构金属陶瓷相比,硬度和抗弯强度均有所下降。     

WC的添加对涂层Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构及性能的影响

本文制备了不同WC含量的涂层Ti(C,N)基金属陶瓷,对金属陶瓷基体与涂层组织及性能进行了研究,并进行切削实验。结果表明,随着WC的增加,涂层的硬度、弹性模量、硬模比(H/E)以及结合力都是先增加后减少,当添加量为15%时涂层金属陶瓷的机械性能最优;随着WC的增加,涂层金属陶瓷刀具的后刀面磨损量先增加后减少,且其中添加15%的WC的涂层金属陶瓷刀片耐磨性能最佳,这与涂层的硬模比和结合力有关;涂层金属陶瓷切削刀具的主要磨损机理是涂层剥落、磨粒磨损、粘着磨损以及氧化磨损。     

NiMo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的组织与力学性能

本文通过粉末冶金法制备Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷,研究Ni Mo粘结相含量和烧结温度对Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和力学性能的影响。结果表明,随着Ni Mo粘结相含量的增加,硬质相颗粒弥散分布更加均匀,黑芯相得到细化,芯-环结构更加完整,环形相变厚,组织更加均匀。当Ni质量分数为30%时,在XRD图谱中出现明显的Ni4Mo类型的金属间化合物的衍射峰。粘结相含量越高,Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度越高,硬度越低。随着烧结温度升高,黑芯相尺寸变小,环形相变厚。抗弯强度随着温度先升高后降低,粘结相含量越高,抗弯强度峰值对应的烧结温度越低。1 430℃烧结的20Ni Mo金属陶瓷硬度HRA达到91,抗弯强度大于2 000 MPa。     

稀土元素Y对Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响

研究了稀土元素 Y对 Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和性能的影响。 Y在 Ti(C,N)基金属陶瓷中可以起到净化粘结相 /硬质相界面的作用 ,并使其包覆层的厚度略有增加 ,从而使硬质相颗粒得到细化。当 Y含量为 0 .8wt%时细化效果最明显 ,此时 Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度和硬度值最大。     

多层石墨烯添加量对Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷组织和力学性能的影响

本文采用低压烧结工艺制备了不同石墨烯含量的Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷刀具材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)对材料进行微观结构分析,通过X射线衍射(XRD)对材料进行物相分析,测试了金属陶瓷的密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性等力学性能,研究了石墨烯添加量对Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷组织和力学性能的影响。结果表明,石墨烯的加入并未改变Ti(C,N)基金属陶瓷的组织结构特征,却可以有效增韧Ti(C_(0.7),N_(0.3))基金属陶瓷。随着石墨烯添加量的增加,显微硬度逐渐降低,抗弯强度先上升后下降,断裂韧性呈现先增加后略有下降的趋势。当石墨烯添加量为0.6%时(质量分数,下同),综合力学性能达到最好,在抗弯强度不降低的情况下,断裂韧性提高了32.7%。此时,金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为1 450.8 MPa和12.85 MPa·m~(1/2)。     

渗硼对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纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷,并用固体粉末法对其进行了渗硼处理。研究了渗硼处理对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织以及抗弯强度和硬度的影响。结果表明:渗硼处理使Ti(C,N)基金属陶瓷中生成了CoB、TiB2、MoB2和石墨相。金属陶瓷的渗硼层由硼化物层、扩散层和基体区组成,厚度为100～140μm。硼化物层主要由CoB组成,扩散层含有较多孔隙,基体区存在富硼的渗硼影响区,影响区具有与Ti(C,N)基金属陶瓷近似的微观组织,但金属相含量较少。渗硼处理使Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度降低,主要是由材料中产生的热应力、组织应力以及组织变化引起的。Ti(C,N)基金属陶瓷的表面硬度提高48.7%。在由渗硼层表面向内部100～140μm范围内,硬度呈下降趋势。