【摘 要】
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Ti（C,N）基金属陶瓷具有良好的红硬性、耐磨性、化学稳定性以及资源储量丰富的优势,可以在切削加工领域替代传统钨钴硬质合金作为新型刀具材料。然而,Ti（C,N）基金属陶瓷的强韧性低于钨钴硬质合金,且目前对Ti（C,N）基金属陶瓷的增韧补强研究不够深入。本文以Ti（C,N）基金属陶瓷的固溶体改性为研究对象,通过碳热还原法制备碳化物固溶体,并以碳化物固溶体为添加剂制备了Ti（C,N）基金属陶瓷,研究了
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Ti（C,N）基金属陶瓷具有良好的红硬性、耐磨性、化学稳定性以及资源储量丰富的优势,可以在切削加工领域替代传统钨钴硬质合金作为新型刀具材料。然而,Ti（C,N）基金属陶瓷的强韧性低于钨钴硬质合金,且目前对Ti（C,N）基金属陶瓷的增韧补强研究不够深入。本文以Ti（C,N）基金属陶瓷的固溶体改性为研究对象,通过碳热还原法制备碳化物固溶体,并以碳化物固溶体为添加剂制备了Ti（C,N）基金属陶瓷,研究了碳化物固溶体的制备工艺、固溶体改性Ti（C,N）基金属陶瓷的烧结工艺,分析了固溶体改性Ti（C,N）基金属陶瓷的组织演变、致密化行为和强韧化机理,阐明了固溶体改性Ti（C,N）金属陶瓷的磨损机理。通过热力学计算和实验优化了固溶体的制备工艺,以过渡金属氧化物为原料采用碳热还原法在不同温度下制备出碳化物固溶体粉体,在1900℃保温1h,得到了(W0.2Ta0.8)C、(W0.2Nb0.8)C固溶体粉体,在1700℃保温1h下得到(MoxTa1-x)C、(MoxNb1-x)C（x=0.2、0.4、0.6、0.8）固溶体粉体,含W体系固溶体粉体粒径在600-800 nm,含Mo体系粉体粒径在300-500 nm,得到的固溶体均呈立方结构,但含Mo体系相对于含W体系更容易固溶,所需反应温度更低,且含Mo体系的单相固溶区更大。采用真空烧结制备了固溶体改性Ti（C,N）基金属陶瓷,研究了1300-1500℃温度范围内烧结得到(W0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷的组织演变和致密化行为,随着温度的升高,致密度在增加,组织中出现芯环结构,在1475℃保温1h制备了具有高致密度、高力学性能和良好组织结构的金属陶瓷,硬度达到1643 HV30,韧性达到9.41MPa·m1/2,抗弯强度达到1428 MPa。在1475℃保温1h制备的其他固溶体改性金属陶瓷,组织具有明显的黑芯-灰环、白芯-灰环结构,以及无环结构。以(Mo0.2Ta0.8)C作为添加剂,材料的硬度和韧性最好,分别达到1678 HV30,10.70 MPa·m1/2。以(Mo0.2Nb0.8)C作为添加剂,材料的抗弯强度达到最高,为1647 MPa。不同固溶体改性的金属陶瓷中,裂纹主要以穿晶断裂和沿晶断裂的方式进行扩展,含Mo体系的材料组织中出现了裂纹桥联增韧。固溶体改性Ti（C,N）基金属陶瓷的断口形貌为硬质相晶粒拔出形成的凹坑、粘结相塑性变形开裂形成的撕裂棱和韧窝。采用球盘回转摩擦副滑动摩擦形式分析了金属陶瓷的抗磨性能和磨损机理,Al2O3球对磨下,当载荷从4 N增大到12 N,(W0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷的摩擦系数在减小,(Mo0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷的摩擦系数在增大,两者的体积磨损率均在增大。在4N载荷下,(Mo0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷的体积磨损率最小,为1.77×10-6mm~3·N-1·m-1,磨损机理为微断裂磨损。当对磨球为304钢球时,(W0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷的摩擦系数和体积磨损率均在减小,而(Mo0.2Ta0.8)C改性材料的摩擦系数和体积磨损率均增大;摩擦面上出现块状磨屑的粘附,(W0.2Ta0.8)C改性金属陶瓷以粘附层及粘附层上的犁沟为主,(Mo0.2Ta0.8)C改性材料以鳞状磨屑粘附和脱落的大颗粒为主,磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。
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