TiMoC添加劑制備TiC金屬陶瓷復合材料的研究

肖玄

（攀枝花學院材料工程學院，攀枝花 617000）

1 引言

金屬陶瓷具有高強度、耐磨性好、導熱導電性能優良以及耐腐蝕等優點而被廣泛用于機械、電子、化工、汽車等領域[1-6]。TiC是重要的金屬陶瓷原料，由于TiC和金屬粘結相的潤濕性較差使得制備的TiC基金屬陶瓷韌性偏低，從而限制了其大規模工業生產應用。N的引入能夠改善TiC硬質相和金屬陶瓷的潤濕性，TiCN的研究成為鈦基金屬陶瓷領域的研究熱點。Mo是TiCN基金屬陶瓷必不可少的重要添加劑[7-12]。但是Mo一般以Mo粉或Mo2C的形式作為添加劑使用。本實驗以自制的TiMoC固溶粉體為Mo元素的添加劑載體，研究了TiMoC固溶體的添加對TiC基金屬陶瓷的影響。

2 試樣的制備及方法

本實驗首先將鈦粉和Mo粉按摩爾比1∶1冶煉成TiMo合金，并將其氫化制粉。然后將TiMo粉按計量比配石墨，經球磨混勻后壓制成柱狀圓坯于1700℃真空燒結制備TiMoC固溶粉體。

TiC基金屬陶瓷的制備為市售TiC添加金屬Co、Ni粘結相合成。其中，TiC含量為80%、粘結相占20%、Co含量為12%、Ni含量為8%。添加TiMoC固溶粉體的TiC基金屬陶瓷對比實驗中，TiMoC的添加量為5%。其中，市售Ti粉純度大于99.5%，粒度為 400目。Mo粉純度為99.9%，粒度為2.6 um。Ni粉純度為99.85%，粒度為-200目。Co粉純度為99%，粒度為-200目。混合粉料在球磨機內進行濕磨混勻的工藝參數為：球磨時間為8 h，球磨轉速為200 r/min。混合粉料干燥后在350 MPa壓力下壓制成形。壓坯經真空燒結制得TiC基金屬陶瓷，燒結溫度為1430℃，保溫時間為1 h。

采用DX-2700型X射線衍射儀對TixMo1-x粉體及TixMo1-xC基金屬陶瓷進行物相分析。實驗參數為：管電壓40 kV、電流30 mA、Cu靶、波長為1.54，使用單色器濾波，掃描范圍為10°～90°，步長0.02°；用TESCAN VEGAⅡLMU型掃描電鏡對添加TiMoC的TiC基金屬陶瓷顯微組織進行觀察。維氏硬度在HV-50A圖像處理計上測量，加載載荷為20 kg。抗彎強度測試在萬能力學性能測試儀上進行。

3 實驗結果分析與討論

3.1 TiMoC硬質相的制備

圖1 TiMo合金的XRD圖譜

圖2 TiMoC硬質相的XRD圖

圖1為Ti粉和Mo粉熔煉合成的Ti0.5Mo0.5合金XRD衍射圖。從圖1中可以看出，產物為單一的Ti0.5Mo0.5(JCPDS04-004-8876)立方相。Ti0.5Mo0.5相的衍射晶面由（110）、（200）、（211）、（220）、（310）組成，晶格常數為 a=3.175。將Ti0.5Mo0.5合金氫化后研磨成粉體，按理論配碳制備的TiMoC陶瓷硬質相的物相衍射結果如圖2所示。Ti0.5Mo0.5相轉化為 Ti0.33Mo0.67C (JCPDS04-002-9769)立方相。Ti0.33Mo0.67C的衍射晶面由 （111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）組成，晶格常數為a=4.326。Ti0.5Mo0.5形成Ti0.33Mo0.67C立方相的過程導致立方晶胞長大。此外，圖1和圖2中的衍射晶面指數均屬于全奇全偶分布，說明Ti0.5Mo0.5和Ti0.33Mo0.67C立方相結構中原子間呈無序分布[13-14]。

3.2 TiC金屬陶瓷的顯微組織分析

將合成的Ti0.33Mo0.67C以添加劑組分制備的TiC基金屬陶瓷，和未添加Ti0.33Mo0.67C制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織對比如圖3所示。從圖3中可以看出，相同放大倍數下添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織得到了明顯的細化，孔隙率大幅降低。主要是由于高溫燒結過程中硬質相TiC和粘結相的潤濕性較差，液相形成后部分TiC溶解到粘結相中，未溶解的TiC顆粒相接觸從而聚集長大。溶解在粘結相中的TiC隨后在未溶解TiC顆粒上析出。因此，圖3(a)中可以看出聚集長大的硬質相TiC顆粒。添加Ti0.33Mo0.67C后，Mo元素溶解在粘結相中優先擴散到硬質相TiC顆粒周圍形成包覆層，包覆組織的出現避免了TiC顆粒之間的直接接觸，從而有效抑制了燒結過程中 TiC顆粒的粗化長大[15-17]。進一步將添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織中的包覆結構進行了EDS成份分析。

圖3 TiC基金屬陶瓷背散射顯微組織圖

添加Ti0.33Mo0.67C后所得TiC基金屬陶瓷顯微組織中黑芯區和包覆殼區的EDS成份分析結果分別如圖4所示。從圖4中可以看出，芯部a區域主要由Ti和C元素組成，包覆殼b區域由Ti、C和Mo元素組成。由此可知，Mo元素擴散到TiC硬質相周圍和TiC顆粒發生固溶形成TiMoC。包覆層結構改善了TiC硬質相和粘結相的潤濕性，使得TiC基金屬陶瓷組織更加致密。

3.3 綜合力學性能分析

TiC基金屬陶瓷的綜合力學性能結果如表1所示。與未添加 Ti0.33Mo0.67C制備的TiC基金屬陶瓷相比，添加Ti0.33Mo0.67C后制備的 TiC基金屬陶瓷抗彎強度從 427 MPa提高到835 MPa，提高了43%。硬度從HV1325增加到HV1480，提高了10%。對比數據，說明TiMoC作為添加劑可以改善TiC基金屬陶瓷的顯微組織，從而提高其綜合力學性能。

圖4 TiC基金屬陶瓷EDS能譜圖

表1 TiC基金屬陶瓷綜合力學性能值

4 結論

（1）Ti0.5Mo0.5合金配碳后形成Ti0.33Mo0.67C立方相導致晶格常數增加，衍射晶面均為全奇全偶規則。

（2）添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織得到了明顯的細化，孔隙率大幅降低。Mo元素在燒結過程中擴散到TiC硬質相周圍形成包覆殼，阻礙了TiC顆粒的粗化長大。

（3）添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷力學性能提高，抗彎強度提高了43%，硬度提高了10%。

[1]儲開宇.我國硬質合金產業的發展現狀與展望[J].稀有金屬與硬質合金,2011(01)∶52-56.

[2]付龍，柳學全，李一等.國內外礦用高耐磨、高韌性硬質合金新技術[J].硬質合金,2012(04)∶254-261.

[3]Liu Ning,Xu Yudong,Li Zhenhong,Chen Minghai,Li Guanghai, Zhang Lide.Influence of molybdenum addition on the microstructure and mechanical properties of TiC-based cermets with nano-TiN modification[J].Ceramics International,2003,29 (8)∶919-925.

[4]Brown I.Fabrication,microstructure and properties of Fe–TiC ceramic–metal composites[J].Current Applied Physics,2004,4 (2-4)∶171-174.

[5]Abkowitz Stanley,Abkowitz Susan M,Fisher Harvey,Schwartz Patricia J.discontinuously reinforced Ti-matrix composites∶Manufacturing,properties,and applications[J].JOM Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2004,56(5)∶37-41.

[7]Ahn Sun‐Yong,Kang Shinhoo.Formation of Core/Rim Struc tures in Ti(C,N)‐WC‐Ni Cermets via a Dissolution and Precipitation Process[J].Journal of the American Ceramic Society,2000,83(6)∶1489-1494.

[8]Welham Nicholas J,Willis Paul E,Kerr Tony.Mechanochemical formation of metal–ceramic composites[J].Journal of the American Ceramic Society,2000,83(1)∶33-40.

[9]Bin Z,Ning L,Zhibo J,et al.Effect of VC/Cr3C2on microstructure and mechanical properties of Ti(C,N)-based cermets[J].Science Direct.2011,4(43)∶1096-1104

[10]Xia Yu Y,Ji X,Zhi xing G,et al.Effect of VC addition on the microstructure and properties of Ti(C,N)-basednano cermets[J]. RARE METALS.2011,6(30)∶583-587.

[11]Ning L,Minghai C,Yu dong X,et al.Effect of Various Carbides on the Wet ability in Ni/Ti(C,N)System[J].Journal of Wuhan University of Technology.2005,3(20)∶35-38.

[12]Kim S,.Min KH,Kang S.Rim structure in Ti(C0.7N0.3)-WC-Ni cermets[J].J Am Ceram Soc,2003,86(10)∶1761一1766.

[13]姜中濤，葉金文，劉穎.碳熱還原法制備V8C7粉末的研究[J].功能材料,2009,5(40)∶820-822.

[14]姜中濤，劉穎，陳巧旺.V2O5碳熱還原合成碳化釩粉末的反應過程[J].粉末冶金技術,2012,30(01)∶40-45.

[15]MARI D,BOLOGNINI S,FEUSIER G,et al.TiMoCN based cermets∶Part I.Morphology and phase composition[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2003,21(1)∶37-46.

[16]章曉波，劉寧.Mo含量對Ti(C,N)基金屬陶瓷組織和性能的影響[J].硬質合金,2006,23(03)∶160-163.

[17]S.Q.Zhou，W.Zhao，W.H.Xiong,et.al.EFFECT OF Mo AND Mo2C ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF THE CERMETS BASED ON Ti（C,N）[J].Acta Metallurgica Sinica,2008,21(3)∶211-219.