ti(c,n)一mo金属陶瓷的制备与性能研究

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1、Ti(C，N)一MO金属陶瓷的制备与性能研究第一章绪论1.1引言人类文明是伴随着新材料的发明和应用而发展的。从早期的青铜器、铁器，到现在的磁性材料、高分子材料、半导体材料以及先进陶瓷材料，材料的发展无不起着改变时代的作用。陶瓷材料是继金属材料、高分子材料之后出现的第三大类材料，一般具有弹性模量大、极不容易变形、热稳定性好、高温耐氧化能力强，以及重量轻、价格低廉等优点，因此，深受人们的青睐。但是它有一个致命的缺点，那就是脆性大，限制了它的实际应用。所以，陶瓷的韧化成为世界性范围的陶瓷材料研究的核心课题[1]。而在陶瓷基体中引入金属粒子，通过

2、使用金属粒子包覆陶瓷基体来达到增强增韧的方法促使了金属陶瓷的出现和对它的研究。金属陶瓷既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性和可塑性，是一类非常重要的工具材料和结构材料。其用途极其广泛，几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业的发展和生产率的提高起着重要的推动作用，对金属陶瓷的研究已成为材料研究领域中一个非常重要的研究课题。近几年来，我国刀具行业在面向国内国际市场激烈竞争中，积极进行重点技术改造，引进国外先进技术和设备，在提高企业的技术制造能力和市场竞争活力方面有了长足的

3、进步。但是，必须清醒地看到，国内刀具行业在技术水平、生产工艺和制造设备等方面与国外工具企业相比，还存在较大差距，其刀具寿命、加工质量很难满足用户的要求。进口刀具仍占主导地位，在一些大型汽车制造厂，国产化刀具只占总项目的10%左右。因此，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料在我国具有巨大的潜在市场。1956年，Humenik等人发现向TiC-Ni金属陶瓷中加入Mo或Mo2C后，可改善Ni对TiC的润湿性，使TiC晶粒变细，材料强度大大提高[2,3]。当Mo以其它硬质相制成的固溶体形式加入时，反而降低了粘结相对碳化物的润湿性。此后，在Ti(C,N

4、)基金属陶瓷中，Mo元素成为不可或缺的组分。本文通过研究Mo含量对Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和性能的影响，可以为生产Ti(C,N)基金属陶瓷刀具提供成分设计依据。这对促进Ti(C,N)基属陶瓷材料广泛应用于切削加工领域具有理论和实验指导意义。31Ti(C，N)一MO金属陶瓷的制备与性能研究1.2金属陶瓷概述1.2.1金属陶瓷的定义金属陶瓷(Cermet)是由陶瓷(Ceramics)中的词头Cer与金属(Metal)中的词头Met结合起来构成[4]。所谓金属陶瓷，是由一种或多种陶瓷相与金属或合金组成的多相复合材料。美国标准试验方法（AS

5、TM）陶瓷－金属复合材料研究委员会给金属陶瓷复合材料下的定义是：“一种由金属或合金与同一种或多种陶瓷相组成的非均质的复合材料，其中后者约占材料体积的15％～85％，同时在制备温度下，金属相与陶瓷相间的溶解度是极微弱的。”按此定义，通过粉末冶金方法制备的WC-Co系复合材料及TiC-TiN-Mo-Ni系复合材料都属于金属陶瓷。但人们习惯仍将WC-Co系复合材料称为硬质合金，而将Ni和（或）Mo粘结的TiC和TiN基合金材料称为金属陶瓷[5]。非金属成分使金属陶瓷具有所要求的强度、硬度、热强性、耐腐蚀性和耐磨性；金属相把金属陶瓷中的固体颗粒组

6、合在均一的物料中，使制品能保证必要的强度和可塑性。所以，金属陶瓷的性能决定于金属的性能、陶瓷的性能、两者的体积比、两者的结合性能以及相界面的结合强度[6]。1.2.2金属陶瓷的发展历史金属陶瓷的研制开始于1923年，当时德国研制出了首批金属材料的典型材料——硬质合金，后来又研制了铁－氧化铝的复合物。第二次世界大战后，新型的金属材料研制工作进一步发展，出现了以碳化钛为基体添加铌、钽的碳化物的用钴和镍做黏结剂的金属陶瓷。后来，又由Kiffer提出和研制了以碳化钛为基，添加碳化铌和碳化钽，并用镍－钴－铬做黏结剂的金属陶瓷，该金属陶瓷被称之为WZ

7、－合金。后来Kieffer等人发现[7]，在TiC-Mo-Ni系金属陶瓷中添加TiN，不仅可显著细化硬质相晶粒，改善金属陶瓷的室温和高温力学性能，而且还可大幅度地提高金属陶瓷的高温耐腐蚀和抗氧化性能。自20世纪80年代以来，Ti(C，N)基金属陶瓷获得了迅速的发展，世界各国硬质合金生产厂家先后推出了系列的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具。现在，金属陶瓷的硬质相主要由TiC/TiN构成，粘结相由Ni/Co构成。另外，大约20－40mass%的Mo2C，WC，TaC，NbC，和VC被引入以提高材料的烧结性能和红硬性[8]。Ti（C，N）基金属陶瓷

8、的发展可大致总结于下表[9]。31Ti(C，N)一MO金属陶瓷的制备与性能研究表1-1金属陶瓷的发展过程SinceCeramicPhaseMetalBinderPhase1931TiCNi(C