Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的性能影響因素

張 茜，劉 兵，陳 慧

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 巴南 400054;2.重慶市粉末冶金工程技術研究中心，重慶 永川 402160;3.重慶市高校微納米材料工程與技術重點實驗室，重慶 永川 402160)

現代加工技術對切削刀具的要求越來越高，刀具材料的改進和開發也越來越重要.Ti(C，N)基金屬陶瓷材料是在20世紀70年代出現的新型工具材料［1］，它在高速切削條件下顯示出很好的紅硬性、耐磨性、耐熱性和優異的抗月牙洼磨損能力.Ti(C，N)基金屬陶瓷具有與普通陶瓷相近的硬度和耐熱性，但抗彎強度及斷裂韌性更高［2］.因此，Ti(C，N)基金屬陶瓷是對鋼材進行高速加工和半精加工較為理想的刀具材料.

Ti(C，N)基金屬陶瓷可制成微型可轉位刀片，用于精鏜孔、精孔加工及“以車代磨”等精加工和半精加工領域;其功能填補了傳統WC-Co系硬質合金與Al2O3陶瓷刀具之間的空白，是一種具有廣泛應用前景的刀具材料，也是目前各國刀具新材料的研究熱點之一.

1 材料的基本組元及其作用

Ti(C，N)基金屬陶瓷的主要組元包括硬質相、黏結相和添加劑，其中硬質相為Ti(C，N)，黏結相為 Co/Ni/(Co+Ni)［3］，添加劑主要有 WC、Mo2C等.

1.1 黏結相對材料性能的影響

黏結相含量對材料性能有很大的影響，當其含量增加時，材料的斷裂韌性提高，但是硬度下降.

在以Ni作為黏結相的Ti(C，N)基金屬陶瓷中，隨著Ni的含量逐漸降低，黏結相的體積分數也逐漸降低，硬質相的體積分數增加，使材料的硬度提高，抗彎強度下降;但含Ni量達到一定水平后，材料硬度反而下降.用Co部分代替Ni后，材料的強度提高，硬度基本不變，可以通過改變Co的含量來調整金屬陶瓷的力學性能［4］.

1.2 添加劑對材料性能的影響

Ti(C，N)基金屬陶瓷中添加劑所起的主要作用有以下幾個方面:

(1)改善潤濕性

Ti(C，N)金屬陶瓷的燒結溫度超過了黏結相的熔點，屬于液相燒結.在燒結過程中黏結相與硬質相的潤濕性直接影響到材料的力學性能.Ni對Ti(C，N)的潤濕性很差，它的潤濕角大于90°，不利于材料的燒結致密化過程.在金屬陶瓷基體中添加Mo元素后，Mo向Ti(C，N)顆粒擴散并取代其中的 Ti，形成固溶相，使 Ni與Ti(C，N)的潤濕角減小，研究表明，潤濕角可以減小為0°［5］.因此，在制備過程中通常添加一定量的Mo或Mo2C以改善Ni/(Co+Ni)對硬質相的潤濕性.

(2)細化晶粒

細化硬質相晶粒有利于提高金屬陶瓷的強度、硬度和韌性等［6］.添加Mo元素后形成的固溶體不僅改善了硬質相和黏結相之間的潤濕性，還可以減少硬質相晶粒間的接觸，抑制硬質相晶粒在燒結過程中長大，從而使金屬陶瓷的斷裂韌性提高.

向金屬陶瓷中添加一定量的WC，可以促進環形相的形成，并在環形相中富集，抑制Ti(C，N)晶粒的長大，從而達到細化晶粒的目的［7］;但WC的量過多時，使環形相的厚度增加，材料的脆性也相應增加.在金屬陶瓷中添加一定量的V，可以與C、N等元素結合形成碳氮化合物，并在晶界上富集，抑制硬質相晶粒長大，提高材料的疲勞強度［8］.另外，添加顆粒細小的TaC、NbC，與 TiC 形成(Nb，Ta，Ti)C 固溶體，能夠均勻地彌散分布在整個基體上，成為固態相變中的晶核，使燒結后組織中的硬質相無法團聚，也能達到細化Ti(C，N)晶粒的目的.

(3)提高材料的強韌性

材料的抗彎強度與添加劑的彈性模量的關系滿足 Griffith-Orowan 方程［9］:

式中:E為添加劑的彈性模量，P為隨裂紋伸長而增加的塑性變形功，L為裂紋長度.由于材料的抗彎強度與彈性模量的平方根成正比，而金屬陶瓷材料中添加劑的彈性模量比Ti(C，N)的彈性模量高(如表 1 所示)［10］，所以 Ti(C，N)基金屬陶瓷的抗彎強度得到提高.

表1 Ti(C，N)基金屬陶瓷中主要添加劑的彈性模量

提高材料韌性的方法主要有晶須增韌、纖維增韌、納米顆粒增韌等.

晶須增韌主要是在金屬陶瓷中添加SiC晶須來提高材料的強韌性.瞿峻等［11］在 Ti(C，N)基金屬陶瓷中添加SiC晶須對其進行增韌.結果表明:微米級SiC晶須的添加量為1﹪時，斷裂韌性從8.9 MPa·m-1/2提高到9.5 MPa·m-1/2;但是，隨著SiC晶須添加量繼續增加，Ti(C，N)金屬陶瓷孔隙度增加，材料的力學性能呈現降低的趨勢.

章曉波等［12］用碳納米管增韌超細Ti(C，N)金屬陶瓷，研究結果表明:由于碳納米管的加入，裂紋沿硬質相和金屬相界面擴展，擴展路徑變曲折，增加了斷裂表面能，消耗更多的斷裂功，起到增韌的作用.同時發現，由于碳納米管的長徑比大，在材料中分散不均勻，容易發生團聚，材料內部產生微孔洞，使裂紋尖端鈍化，提高材料的斷裂韌性.

劉文俊等［13］使用第二相納米TiC、TiN顆粒增韌Ti(C，N)基金屬陶瓷，研究表明:納米顆粒的加入使具有內-外環形相的小顆粒以及具有白芯-灰殼結構的小顆粒增加，并且在黏結相中彌散分布，減小硬質相的平均粒度，產生細晶強化.

根據 Gurland 強度理論［14］，

式中:σ為軸應力，φ為硬質相的體積分數，d為硬質相的平均粒度，K'為常數.當向基體中加入一定量的納米TiC、TiN顆粒后，小顆粒數目增加，硬質相平均粒度 d減小，σ增大，提高Ti(C，N)金屬陶瓷的強度.

(4)提高紅硬性

Ti(C，N)金屬陶瓷刀具主要用于高速切削，在切削過程中產生大量的熱，使刀具溫度升高，所以它需要添加一些高熔點的碳化物來提高金屬陶瓷的紅硬性，如 Ta、Nb、Zr、Hf(鉿)等.Ta、Nb與C、N的結合力很強，形成的碳氮化物具有很高的熱穩定性.TaC的添加可以提高金屬陶瓷材料的高溫硬度和抗熱震性，從而改善材料抗高溫形變的能力［15］.添加了 NbC的 Ti(C，N)基金屬陶瓷的環形相明顯變薄，有利于提高Ti(C，N)的紅硬性，并且能夠降低材料的燒結溫度，提高材料的燒結性能，節約能源［16］.Zr與 C、N 形成Zr(C，N)，抑制了Ni的擴散，使黏結相不易產生塑性變形，從而提高材料的高溫性能［17］.Hf與C形成HfC，它具有高硬度和高熔點(4TaC·HfC的熔點約為4 215℃)，能夠提高材料的耐高溫性能和硬度.

2 微觀組織結構對性能的影響

Ti(C，N)基金屬陶瓷材料通過液相燒結而成，燒結后的組織由碳氮化合物硬質相顆粒和金屬黏結相組成，即是由Ti(C，N)為核心以及環形相(包覆相)組成［18］.影響材料性能的微觀組織結構包括:(1)晶粒度;(2)環形相;(3)孔隙度.

2.1 晶粒度的影響

晶粒度對材料的力學性能有很大的影響，根據 Hall-Petch 公式［19］，

上式中:σ0為無限大單晶的強度，k為系數，d為晶粒直徑.晶粒尺寸d越小，材料的強度越高，特別是當硬質相尺寸小于0.5 μm時，材料的硬度和強度同時得到提高.因此，可以通過細化晶粒獲得具有優良綜合性能的金屬陶瓷材料［18，20］.

在金屬陶瓷制備過程中，影響燒結體晶粒度的因素主要有原始硬質相粒度、添加劑的粒度等.減小TiC、TiN粉末粒度可以有效細化硬質相顆粒，提高材料的抗彎強度和硬度［21］.在Ti(C，N)基金屬陶瓷中添加較細的WC顆粒，可以促進環形相的形成，提高材料的強韌性［19］.粒徑越小，材料的抗彎強度越高［22］.

2.2 環形相的影響

環形相是由 W、Mo、Ta、Nb、V、Hf等添加元素和 Ti(C，N)在黏結相中固溶而形成的［20］，在硬質相和黏結相間形成過渡，改善了它們之間的潤濕性，使得兩者更好地結合在一起，并且阻礙硬質相顆粒聚集在一起而長大，使硬質相晶粒變細且分布更為均勻，提高材料強度.完整度以及厚度對材料的性能有很大影響，金屬陶瓷材料內部的較為完整的環形相增加了硬質相與黏結相的結合強度，產生的裂紋不易擴展，材料的抗彎強度提高.但是，環形相的本質較脆，當環形相的厚度超過一定值時，材料的抗彎強度有明顯下降的趨勢［23］.

2.3 孔隙度的影響

孔隙度對金屬陶瓷材料的性能有著顯著影響，隨著孔隙度的增加，材料的力學性能急劇下降.材料的孔隙度受成形工藝和燒結工藝的影響很大.在壓制成形過程中，成形劑的黏結性能和潤滑性能差、壓制壓力較小，會導致壓坯的孔隙度大.在燒結過程中，燒結溫度和保溫時間不足，使材料的致密化過程進行不徹底，也會使孔隙度較大.

3 制備工藝對結構性能的影響

3.1 Ti(C，N)粉體制備工藝的影響

Ti(C，N)粉體的制備方法有很多，基本方法有化學法和物理法.

(1)化學方法制備的粉體

白萬杰［24］利用等離子體化學氣相合成法來制備納米級及亞微米級超細陶瓷材料粉體.通過控制反應時間來調整粉體的粒度，控制氨氣和液化氣的流量來調整C∶N比，調整原料的配方來生產多種碳化物、氮化物和碳氮化物粉體.用此方法獲得的粉體純度高、粒徑小、分布均勻，制備的燒結體密度高、晶粒細小，得到的材料性能比較高.

Frederic等［25］將納米級 TiN粉末和10﹪ C混合后置于流動的Ar氣中，在1 430℃保溫3 h，固態合成超細Ti(C，N)粉末，得到的粉末形狀規則，團聚少，C/N比在0.6～1.5.發生的反應過程如下:

在Ar氣的保護下得到的粉末被氧化的可能性極小，所以粉末中的含氧量極低，有利于材料的燒結，降低燒結后的孔隙度，從而提高材料的性能.

穆云超等［26］用自蔓延高溫合成技術制備了Ti(C，N)材料，通過調節原料中Ti粉的含量，可以得到多種Ti(C，N)粉末，制備出來的Ti(C，N)金屬陶瓷材料具有較高的致密度和優良的力學性能.

(2)物理方法制備的粉體

在物理法粉體制備Ti(C，N)粉體的過程中，球料比、球磨時間以及球磨方式都會對材料的性能有很大影響.隨著球料比增加，碾磨面積增大，球磨效率提高，硬質相粒度減小且分布更加均勻，制備的材料強度提高［27］;在一定范圍內，隨著球磨時間的增加，組織的硬質相尺寸得到細化，材料的強度提高;干磨與濕磨相比，濕磨所得的燒結體密度更高，性能更好［19］.

3.2 成形工藝的影響

Ti(C，N)粉體幾乎沒有可塑性，需要加入成形劑才能壓制成型和燒結.

成形工藝對性能的影響因素主要有壓力、加壓速度和加壓方式.當壓力不夠時，坯體的強度低、密度低、燒結收縮率較大，較易變形開裂.在壓制過程中，初始階段應該均勻地施加壓力，以便于坯體中的空氣排出;當顆粒完全靠攏時，坯體的收縮率變小，需要保壓，防止裂紋產生.采用雙向壓制成型有利于改善壓坯的密度分布，提高壓坯密度，減小燒結收縮率，提高Ti(C，N)基金屬陶瓷產品的尺寸精度和力學性能.

3.3 燒結工藝的影響

Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的燒結方法主要有真空燒結、氣氛燒結等.此外，一些新型的燒結方法(如自蔓延高溫合成技術、微波燒結、脈沖燒結、放電等離子燒結、激光燒結等)［19］逐漸被應用到Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的制備研究中.

在燒結過程中，成形劑是否完全脫除對燒結體的性能影響很大，成形劑脫除不全，會顯著降低燒結體的性能.

真空燒結是Ti(C，N)基金屬陶瓷制備的傳統燒結方式，一般是將原料成型后的樣品在300～500℃溫度下進行脫脂預燒結，再在1 440℃下真空燒結1 h，制成金屬陶瓷產品［28］.在真空燒結條件下，顆粒表面的氧化物可在較低溫度下被還原，改善液相對硬質相的濕潤性，從而改善黏結相的分布均勻性，使燒結體致密，工藝容易控制［5］.但在真空燒結時，易發生脫氮反應，影響材料性能.

采用氣氛加壓燒結的方法，可以加快燒結時的顆粒重排，快速實現致密化，消除孔隙.隨著燒結壓力的增加，孔隙度明顯降低，硬質相之間的結合程度加大，但是導致冷卻階段時間延長，環形相變厚.在溫度上升的過程中，材料的抗彎強度提高而硬度下降，經過快冷處理后，環形相變薄，黏結相的固溶強度增加，孔隙度下降，從而使材料的強度與硬度同時提高.

在Ti(C，N)基金屬陶瓷材料燒結時，還可以將真空燒結和加壓燒結方式結合起來.馮燕等［29］采用加壓一次性燒結方法制得試樣 A，通過真空——加壓兩次燒結——真空燒結方法制得試樣B.通過比較發現，B試樣的抗彎強度比A的要高，抗沖擊性能也要好得多.所以，真空——兩次加壓更適合于制備增韌Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料.

4 結語

Ti(C，N)基金屬陶瓷用作高速高效切削刀具材料，提高了刀具的切削性能，節約了鎢、鈷等戰略資源.然而，隨著航空航天和高端裝備中難加工材料和高精度零部件的大量應用，對Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的切削性能提出了更高要求，需要從材料的組分設計、反應過程機理、新工藝開發與控制等方面對Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料進行系統、深入研究.綜合國內外的研究現狀，新型Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的研究重點將體現在以下幾個方面:

(1)新型Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的研究與開發.這主要包括兩方面:開發新型硬質相、細晶粒硬質相和復合硬質相等;作為黏結相的金屬或合金可以用資源豐富的金屬代替資源短缺的金屬(如用Fe代替Ni和Co).

(2)制備超細晶粒或納米級Ti(C，N)基金屬陶瓷.超細晶粒或納米級金屬陶瓷比普通金屬陶瓷具有更高的強度、韌性、硬度、耐磨性等綜合性能.這也是今后的一個重要發展趨勢.

(3)提高Ti(C，N)基金屬陶瓷的強韌性.通過研制新型添加劑，或對現有的添加劑進行改良，以及使用稀土元素來對Ti(C，N)基金屬陶瓷材料進行增韌.

(4)功能梯度Ti(C，N)基金屬陶瓷的應用開發.梯度金屬陶瓷的不同工作部位有不同的性能，是一種由于組織連續變化引起性能漸變的功能復合材料.

(5)Ti(C，N)基金屬陶瓷的回收再利用.社會倡導綠色環保、節能減排，所以Ti(C，N)基金屬陶瓷的回收再利用已成為研究的一大熱點，應采用現代技術和大規模生產模式來實現資源的充分利用和經濟效益的統一.

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