TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的制備及力學性能

徐秀國，許崇海，，方 斌，王春林，衣明東

（1齊魯工業大學 機械與汽車工程學院，濟南250353；2齊魯工業大學 山東省高校輕工裝備先進制造與測控技術重點實驗室，濟南250353；3山東大學 機械工程學院，濟南250061）XU Xiu－guo1，2，XU Chong－hai 1，2，3，FANG Bin1，2，

二硼化鈦（TiB2）是B－Ti二元系統中唯一的穩定化合物。作為非氧化物陶瓷材料，TiB2具有高熔點、高硬度、耐腐蝕性和抗氧化性好等優點，同時具有良好的導電性、導熱性和可加工性[1］。由于自擴散系數很低，TiB2陶瓷的燒結性能很差。隨著超微細粉末制備技術和有效燒結助劑的開發，以及復相陶瓷設計等的發展，使得TiB2低溫燒結成為可能，TiB2陶瓷材料已經獲得廣泛應用[2，3］。碳化鎢（WC）具有良好的抗彎強度，適合作為增強劑[4］。Song等[5］采用熱壓燒結技術，制備的TiB2／WC陶瓷復合材料具有良好的燒結性能和力學性能。六方氮化硼（h－BN）的熱膨脹系數低、熱導率高、抗熱震性優良，具有良好的化學穩定性和電絕緣性，在惰性氣氛中2800℃的溫度下仍很穩定，是良好的高溫固體潤滑劑[6］。對于h－BN的研究，主要包括抗熱震性能和潤滑性能兩個方面。一些學者分 別 研 究 了 Al2O3／h－BN[7－10］，Si3N4／h－BN[11－13］，AlN／h－BN[14，15］， SiC／h－BN[16，17］， SiO2／h－BN[18］，TiB2／h－BN[19］，B4C／h－BN[20］，ZrO2／h－BN[21］等復合陶瓷，發現h－BN的添加，可以有效地提高陶瓷材料的潤滑性能和抗熱震性能。

本工作以TiB2為基體，WC為增強劑，h－BN為固體潤滑劑，Ni和Mo為燒結助劑，采用熱壓燒結工藝制備了TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料，并研究了材料的力學性能。

1 實驗

采用的TiB2粉末和h－BN粉末購自濰坊邦德特種材料有限公司，平均粒徑分別為2.5μm和1.5μm，純度均大于99.9%；WC粉末購自廈門金鷺特種合金有限公司，平均粒徑為1μm，純度大于99.9%；燒結助劑Ni，Mo購自國藥集團化學試劑有限公司，純度分別為99.5%和99%。TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料組分配比如表1所示，其中試樣1和試樣2分別是添加10%（體積分數，下同）h－BN和不添加h－BN的材料。按表1的配比稱量粉末，添加適量的無水乙醇，用攪拌器充分攪拌，超聲分散40min，配制成懸浮液，再用硬質合金球球磨48h，然后真空干燥48h，粉體過篩，密封保存。采用真空熱壓燒結工藝，將制備的粉體裝入石墨模具中冷壓15min，然后裝爐熱壓燒結。熱壓燒結工藝：燒結溫度1650℃，熱壓壓力25MPa，保溫時間30min，升溫速率10℃／min。

由于TiB2陶瓷材料具有良好的導電性能，制得的TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料采用電火花線切割加工。試樣經過粗磨、精磨、研磨、拋光，制成尺寸為3mm×4mm×35mm的樣條。采用三點彎曲法測量陶瓷材料的抗彎強度，跨距為20mm，加載速率為0.5mm／min；采用壓痕法測量陶瓷材料的斷裂韌性和硬度，加載載荷196N，保壓時間15s，在400倍光學顯微鏡下測量壓痕的大小和裂紋的長度；采用阿基米德排水法測定材料的實際密度；采用FEI－quanta 200型環境掃描電鏡（SEM）觀察材料斷口形貌、晶界與晶粒情況和壓痕裂紋擴展情況；采用BRUKER D8X－ray衍射儀（XRD）分析材料的物相，掃描角度20～80°；在MMW－1A組態控制萬能摩擦磨損試驗機上采用銷－盤配副形式進行材料摩擦因數的測試，磨環材料為45＃鋼，加載載荷50N，轉速200r／min。

表1 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的組分配比（體積分數／%）Table 1 Compositions of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（volume fraction／%）

2 結果與討論

2.1 密度

TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的密度如表2所 示。 可 知，TiB2／WC／h－BN 自 潤 滑 陶 瓷 材 料 與TiB2／WC陶瓷材料相比，相對密度較低，為97.5%，這是由于添加了10%的片狀結構h－BN，降低了材料的致密度。

表2 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的密度Table 2 Density of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

2.2 力學性能

TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的力學性能如表3所示。可知，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的硬度為14.8GPa，與TiB2／WC陶瓷材料的硬度相近；斷 裂韌性為4.5MPa·m1／2，略低于TiB2／WC陶瓷材料；但抗彎強度降低明顯，僅為652MPa，這主要是由于h－BN自身的低強度所致。因此，固體潤滑劑h－BN的添加，雖然降低了TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性，但是對材料的硬度影響很小。

表3 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的力學性能Table 3 Mechanical properties of TiB2／WC／h－BNself－lubricating ceramic material

固體潤滑劑h－BN的添加，在改善材料摩擦性能的同時，力學性能均有不同程度的降低。如李永利等[22］制備的 Al2O3／h－BN 納米復合材料的抗彎強度和斷裂韌性分別為451MPa和5.5MPa·m1／2。陳曉虎[23］制備的 Al2O3／h－BN 自潤滑復相陶瓷的抗彎強度為247.6MPa。陳永紅等[24］采用熱壓燒結工藝制備的 TiB2／h－BN／AlN復相陶瓷，最大抗彎強度為230MPa。

2.3 XRD分析

TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的XRD圖譜如圖1所示。可見，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的主晶相為 TiB2，WC，h－BN，同時還有生成物 W2C，TiC，Ni4B3和 MoNi4。其中，Ni4B3的生成是由于發生了界面反應，但是輕微的界面反應可以改善陶瓷材料的燒結性能[5］。

2.4 SEM 分析

圖1 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

圖2為 TiB2／WC和 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料斷面的SEM形貌。可以看出，在TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料中，TiB2晶粒的平均尺寸為2～3μm，片狀結構的h－BN分布均勻，表面平整，邊緣光滑，顆粒發育良好；而TiB2／WC陶瓷材料中TiB2晶粒的平均尺寸為3～5μm，這表明固體潤滑劑h－BN的加入，可以有效地抑制TiB2晶粒生長，改善材料的微觀結構。與 TiB2／WC 陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN 自潤滑陶瓷材料中存在較多的氣孔，這是由于各向異性的片狀h－BN顆粒與TiB2顆粒的結合較弱。在TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料中，h－BN 會形成支架結構，使得燒結過程中液相形成后顆粒之間的滑動、旋轉和重排受到阻礙，影響了自潤滑陶瓷材料的致密化。

圖2 TiB2／WC／h－BN（a），TiB2／WC（b）陶瓷材料的斷面SEM 形貌Fig.2 SEM morphologies of fractures of TiB2／WC／h－BN（a）and TiB2／WC（b）ceramic materials

在TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的斷口處都有明顯的晶粒穿晶斷裂的斷面，這是典型的穿晶斷裂模式；還有凸起的晶粒和部分晶粒拔出后留下的凹坑，這是典型的沿晶斷裂模式。因此，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的斷裂模式是穿晶／沿晶斷裂的混合型，但以穿晶斷裂模式為主。這種穿晶斷裂模式有利于提高自潤滑陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性。

圖3是TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料壓痕裂紋擴展的SEM 形貌。可以看出，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料壓痕裂紋的擴展形態以裂紋偏轉和裂紋橋聯為主。由于TiB2，WC與h－BN的熱脹失配等的影響，當裂紋沿著某個方向擴展時，碰到增強相 WC或TiB2基體顆粒阻礙時，會在界面處發生偏轉，消耗一部分斷裂能（圖3（b））。同時，當延伸擴展的裂紋遇到WC顆粒時，部分WC顆粒會起到橋接的作用，并在裂紋表面產生閉合應力，抵消部分裂紋表面的應力（圖3（a））。此外，由于 TiB2，WC與h－BN 的界面較弱，當裂紋在擴展過程中遇到h－BN顆粒時，會沿著h－BN的界面擴展，因而增加和改變了裂紋的擴展路徑。幾種增韌機制的綜合作用，使得TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料能保持較高的斷裂韌性。

圖3 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料壓痕裂紋擴展的SEM形貌 （a）裂紋橋聯；（b）裂紋偏轉Fig.3 SEM morphologies of indentation crack propagation for TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（a）crack bridging；（b）crack deflection

2.5 摩擦因數

h－BN具有良好的潤滑性能，適合作為刀具材料中的固體潤滑劑。TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的摩擦因數如圖4所示。TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的摩擦因數μ為0.3以下，TiB2／WC陶瓷材料的摩擦因數μ在0.45左右。實驗表明，固體潤滑劑h－BN的添加能改善材料摩擦性能。此外，孟慶昌等[25］研究了Si3N4／h－BN陶瓷復合材料的摩擦性能，當h－BN的含量從0%增加到10%時，摩擦因數從0.85逐漸降低到0.65。與其他添加h－BN的自潤滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料具有良好的力學和摩擦性能，有望在干切削加工中作為刀具材料得到應用。

圖4 TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的摩擦因數Fig.4 The friction coefficient of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

3 結論

（1）采用真空熱壓燒結工藝制備了含10%h－BN的TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料，具有良好的力學性能，其相對密度為97.5%。

（2）在 TiB2／WC／h－BN 自潤滑陶瓷材料中，各相晶粒分布均勻，片狀結構的h－BN顆粒保存完整，可有效抑制基體TiB2晶粒的長大。材料的斷裂模式是以穿晶斷裂為主的穿晶／沿晶斷裂的混合型。壓痕裂紋擴展形貌分析表明，增韌機理主要是裂紋偏轉和裂紋橋聯。

（3）TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料的摩擦因數低于0.3。與其他添加h－BN的自潤滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自潤滑陶瓷材料具有良好的力學和摩擦性能，有望作為一種新型刀具材料，在干切削加工中得到應用。

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