铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的显微组织和力学性能

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:2

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式中Y=1.93-3.07(a/h) 14.53(a/h)²-25.11(a/h)³ 25.8(a/h)⁴

3 结果与讨论

1) Mo添加量对显微组织的影响

由图1可以看出，铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的组织仍为陶瓷相和金属相两相；基体组织中较粗大的陶瓷相呈芯/壳结构，即TiC芯外包覆有一层硬质相(Ti，Mo，W)(C，N)即“SS”相)。环形相(“SS”相)形成能有效抑制基体Ti(C，N)晶粒的长大，从而提高了材料的力学性能；它的形成是由于WC、Mo2C及Ti(C，N)向液相中溶解和在粗Ti(C，N)颗粒上再析出的结果。

(a) 12Ni-12Co-4Mo (b) 16Ni-8Co-6Mo (c) 18Ni-6Co-15Mo
图1 铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的显微组织(SEM)

研究表明，向Ti(C，N)基金属陶瓷中添加Mo能改善液态金属Ni对基体的润湿性和抑制烧结时碳化物晶粒的长大，并且能提高Ti(C，N)基金属陶瓷的高温抗弯强度Q5R。在TiC-Ni-Mo系中，当Ni中Mo含量达10wt%时能完全润湿TiC颗粒(接触角q=0°。由图1可见，随Mo添加量的增加，TiC基金属陶瓷的组织明显细化。这是因为Mo能抑制烧结时碳化物相晶粒的长大，这与润湿性的改善有关；在完全润湿的条件下，碳化物颗粒不出现聚集再结晶，这种见解现在已经得到普遍承认。此外，在烧结温度下，Mo向TiC颗粒扩散，并取代TiC晶格中的Ti，在TiC颗粒表面上形成(Ti，Mo), 固溶体，这就减少了纯TiC颗粒接触，并防止纯TiC颗粒聚集长大。这同样是造成TiC基金属陶瓷晶粒更细和组织更均匀的另一个重要原因。特别由图1(c)可以看出，当Mo含量达15wt%时，对TiC基金属陶瓷的组织细化效果要更加显著。由Hall-Petch公式可知，金属陶瓷组织的细化可以明显提高材料的屈服强度，这为其下一步用作刀具材料奠定了良好的基础。

由图1还可以看出，在腐蚀掉组织中大部分金属粘结相后，可见许多诸如TiC、WC等异种亚微米碳化物和纳米TiN颗粒随机分布于各陶瓷相颗粒之间。据文献报道，这些分布于TiC/TiC的两相或三相晶界上的纳米TiN和异种亚微米碳化物颗粒，一方面，起到固溶强化金属粘结相的作用，另一方面，能起到有效钉扎TiC晶界和粘结相中位错的作用，使TiC晶界和位错难以运动，从而在一定程度上阻碍金属陶瓷的晶粒异常长大，这样整个基体中TiC晶粒也可得到明显的细化，使金属陶瓷的整体组织趋于均匀化。

2) 金属粘结相力学性能的影响

图2为金属粘结相含量和种类对铣削刀片用纳米改性金属陶瓷力学性能的影响。由图2可知，无论采用单相金属Ni 还是采用复相Ni-Co做金属粘结相，金属陶瓷的抗弯强度(σbb)和断裂韧性(KIC)都随粘结相含量的增加而升高，而硬度(HRC)则随粘结相含量增加而降低。但是，采用(Ni Co)复相粘结时，金属陶瓷的力学性能要优于单相Ni粘结的金属陶瓷性能。

(a) 粘结相含量对强度影响 (b) 粘结相含量对硬度影响 (c) 粘结相含量对断裂韧性影响
图2 粘结相含量和类型对金属陶瓷力学性能的影响

用(Ni Co)复合粘结相使金属陶瓷力学性能提高的原因主要还是与显微结构的改善有关。由于Co有着比Ni更高的韧性，而且适当添加Co可以改善粘结相对硬质相的润湿性，所以在采用相同的烧结工艺时，含Co金属陶瓷的断裂韧性和致密度比完全用Ni作粘结相的要高。但是，由于Co价格比较昂贵，因此，Co添加量较多时对成本不利。

3) 断口形貌分析

图3为铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的抗弯断口SEM形貌。由图(a)、(b)、(c)可见，随着粘结相含量的增加，断口形貌也随着变化。断裂模式以沿晶断裂为主。这是由于裂纹沿晶界扩展所需的能量较少的缘故。但对较粗大的陶瓷相，存在着解理断裂。从断口还可以看出，金属相存在着明显撕裂的痕迹(撕裂棱)和小碳化物颗粒从金属粘结相中拔出后留下的韧窝。

(a) 12Ni-12Co-4Mo (b) 14Ni-10Co-6Mo (c) 14Ni-14Co-4Mo
图3 铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的断口形貌(SEM)