Ti（C，N）基金属陶瓷功能梯度材料制备的研究

摘要

Ti(C,N)基金属陶瓷刀具由于具有一系列优良的性能而得到广泛的应用。本文首先 对Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概史、特点及应用现状、涂层金属陶瓷刀具的特点及其 应用现状进行了系统的回顾、总结和展望；介绍了功能梯度材料的概念及其应用；综述了几种制备功能梯度材料的试验方法。 按照10﹪TiN-36.2﹪TiC-32﹪Ni-13﹪Mo-7.0﹪WC 成份，采用1405℃，1415℃， 1425℃，1435℃进行烧结，发现1415℃为最佳烧结温度。在此温度下烧结的金属陶瓷 的抗弯强度值最高，为1850Mpa。同时在此温度下烧结的试样比重最大，说明该烧结温度烧结的试样最致密。真空烧结的金属陶瓷试样的断口呈脆性断裂，粗大的硬质相和材料内部的孔洞是引起断裂的断裂源。对真空烧结的试样做了线分析和面分析，线分析的结果表明：由表面到心部, Ti , W ,C , N 等主要元素的分布没有明显的梯度，基本上保持为常量。面分析的结果与线分析的结果相吻合，说明材料比较均匀。采用热等静压技术制备Ti(C,N)基金属陶瓷功能梯度材料。利用光学显微镜、扫描电镜、电子探针等对处理后的试样的孔隙率、微观组织、断口形貌等进行了观察， 并对处理前后材料的性能进行了对比；结果发现：热等静压的高温高压作用在表面形成了一层金黄色的薄膜，大约4μm厚，XRD分析发现其物相为TiN. 热等静压处理使表面硬度大幅度提高，并且从表面到心部形成了硬度梯度。孔洞的消除或闭合以及微裂纹的减少使材料的比重有所增加，同时晶粒的细化使金属陶瓷材料的韧性得到明显的提高，这对于提高陶瓷刀具的寿命具有非常重要的意义。从热力学角度和孔隙度角度分析了其形成原因，发现表面区域N 的高活度梯度是促使各合金元素迁移, 形成氮化表面层特征组织的最终驱动力。高温高压氮化处理有利于硬质合金材料孔隙度 低，从而使材料更加致密化。 采用多弧离子镀技术制备了Ti(C,N)基金属陶瓷功能梯度材料。利用光学显微镜、扫描电镜、电子探针等对处理后的试样的孔隙率、微观组织、断口形貌等进行了观察，并对处理前后材料的性能进行了对比。结果发现：多弧离子镀处理后的试样表面呈金黄色，XRD分析结果表明其物相为TiN，表面越光滑成膜效果越好，结合力越强。多弧离子镀处理使表面的硬度大幅度提高，抗弯强度几乎不发生变化。