Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的研究現(xiàn)狀

陳 慧，鄧 瑩，李 力

(重慶文理學(xué)院材料交叉學(xué)科研究中心，重慶 永川 402160)

刀具材料是現(xiàn)代切削和加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，其發(fā)展水平直接關(guān)系到機(jī)械加工的效率、產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本［1］.刀具材料種類繁多，目前主要刀具材料仍然是高速鋼和硬質(zhì)合金材料，但從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，世界主要工業(yè)國(guó)家都非常重視金屬陶瓷刀具的研發(fā).金屬陶瓷刀具的硬度比硬質(zhì)合金刀具高，抗氧化性能好［2］，并且斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度比非金屬陶瓷刀具高，更適合對(duì)淬火鋼、高強(qiáng)度鋼以及鑄鐵的加工［3］.Ti(C，N)基金屬陶瓷作為新型的工具材料，其應(yīng)用范圍填補(bǔ)了WC基硬質(zhì)合金和陶瓷刀具之間高速精加工和半精加工領(lǐng)域的空白，既適用于高速精加工，又適用于鋼材等的半精加工和間斷切削加工，且切削速度高，表面質(zhì)量好，刀具壽命長(zhǎng)［4－8］.因此，金屬陶瓷刀具不僅可以大大提高生產(chǎn)效率，還可以解決高速鋼與硬質(zhì)合金刀具的主要成分鎢資源在全球范圍內(nèi)的資源枯竭問(wèn)題［9－10］.

1 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的發(fā)展過(guò)程

第一代金屬陶瓷刀具材料最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，由TiC和Ni粘結(jié)而成.這時(shí)的刀片還比較脆，很容易損壞，受到經(jīng)濟(jì)和操作上的制約，無(wú)法大規(guī)模使用這種材料，只能用于精加工［11－12］.20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)福特汽車公司開(kāi)發(fā)了第二代金屬陶瓷，添加了Mo以改善碳化物的潤(rùn)濕性，以此來(lái)提高材料的韌性，但由于當(dāng)時(shí)的硬質(zhì)合金公司的主要精力放在涂層硬質(zhì)合金的研究上，新材料的出現(xiàn)并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注［13－14］.20 世紀(jì) 70 年代以后，第三代金屬陶瓷刀具材料在原有金屬陶瓷的基礎(chǔ)上添加鈦氮合金(TiCTiN )，改單相為復(fù)合相，通過(guò)添加Co和其他元素改善粘結(jié)相.由于其具有硬度高、耐磨性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)良和不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特性，被廣泛應(yīng)用于難加工材料的切削加工中，可以用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削［15］.目前，金屬陶瓷刀具市場(chǎng)上應(yīng)用最多的就是Ti(C，N)基金屬陶瓷.

2 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的研究現(xiàn)狀

目前Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的主要研究方向?yàn)?組分和成分設(shè)計(jì);晶粒細(xì)化向超細(xì)和納米粒徑發(fā)展;燒結(jié)技術(shù)的改進(jìn).

2.1 Ti(C，N)基金屬陶瓷組織與性能

Ti(C，N)基金屬陶瓷一般是用粉末冶金液相燒結(jié)法制成的，其顯微組織較為復(fù)雜.借用掃描電子顯微鏡的背散射電子成像觀察，其主要特征由TiC或Ti(C，N)硬質(zhì)相為核心，顆粒邊緣形成包覆層結(jié)構(gòu)或稱環(huán)型相，又稱芯殼，溶入固溶體的鈦、鋁、碳、氮等組成的粘結(jié)相3部分.與普通金屬材料相比，金屬陶瓷是一種脆性材料，其斷裂方式多為沿晶斷裂，材料中硬質(zhì)相與粘結(jié)相界面結(jié)合處的組織結(jié)構(gòu)是決定材料性能的關(guān)鍵區(qū)域.現(xiàn)有的分析手段還不能清楚地表征工業(yè)上所用金屬陶瓷的相界面結(jié)構(gòu)，使得這方面的研究存在一定的困難［16］.

在研究金屬陶瓷的相界面時(shí)，重點(diǎn)研究相界面對(duì)材料強(qiáng)韌性的影響，主要研究硬質(zhì)相的尺寸、分布和與粘結(jié)相的連接方式.對(duì)Ti(C，N)基金屬陶瓷的相界面過(guò)渡層進(jìn)行系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)［17－18］:金屬陶瓷中 Ti(C，N)硬質(zhì)相周圍存在明顯的包覆層組織，Ti(C，N)Ni相界面沒(méi)有固定的取向關(guān)系;W、Mo元素主要富集于相界面，Ti、Ni、W、Mo元素在相界面具有成分梯度.劉寧等［19］用 XRD、SEM、TEM 和 HREM 等觀察分析了Ti(C，N)基金屬陶瓷中陶瓷相的芯、殼組織.結(jié)果表明:Ti(C，N)基金屬陶瓷中芯、殼具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、位向關(guān)系和相近的點(diǎn)陣參數(shù)，點(diǎn)陣連續(xù)地穿越芯、殼區(qū)域.

2.2 Ti(C，N)基金屬陶瓷合金成分

Ti(C，N)基陶瓷的粘接相對(duì)金屬陶瓷的組織和性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響.Ti(C，N)基金屬陶瓷一般以 Ni為粘結(jié)相［20］，也有在Ti(C，N)基金屬陶瓷生產(chǎn)中以Co部分代替Ni提高合金性能的［21］.不含 Co的 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料有著較高的切削速度和加工光潔度，但脆性很大;而含Co材料卻無(wú)上述缺點(diǎn)，并且硬度、紅硬性和高溫抗氧化能力都較高［22］，同時(shí)Co對(duì)硬質(zhì)相的潤(rùn)濕性更好，能減少合金孔隙度［23］.因此，以Co部分或全部取代Ni作粘結(jié)相是Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究趨勢(shì)［24－25］.

Mo或Mo2C已經(jīng)成為Ti(C，N)基金屬陶瓷不可或缺的組成部分.Mo或Mo2C的加入具有改善金屬相 Ni、Co對(duì)陶瓷相 TiC、TiN、Ti(C，N)的潤(rùn)濕性，提高燒結(jié)體的致密度，細(xì)化晶粒等作用，但過(guò)多的Mo會(huì)使殼部變厚，導(dǎo)致晶粒粗大，從而影響其力學(xué)性能.Li［26］研究發(fā)現(xiàn)Mo含量小于15﹪時(shí)，組織隨Mo含量的增加而變細(xì)，抗彎強(qiáng)度逐漸升高，硬度在Mo含量為10﹪時(shí)最高，斷裂韌性的峰值則出現(xiàn)在Mo含量為5﹪時(shí).

碳量對(duì)材料的組織性能也有著較大影響.C的加入量一方面要確保Mo2C和脫氧所需碳量，使燒結(jié)后的組織處于粘結(jié)相和硬質(zhì)相兩相區(qū)內(nèi);另一方面要使材料中碳化物有合適的碳含量，以獲得較高的韌性.C量過(guò)多過(guò)少都會(huì)使組織離開(kāi)兩相區(qū)而生成第三相［27］.

2.3 Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結(jié)方法

燒結(jié)過(guò)程是金屬陶瓷制備中的最重要環(huán)節(jié)之一，它對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)、最終性質(zhì)起著舉足輕重的作用［28］.在燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷的性能有著重要的影響.隨著燒結(jié)溫度的升高，金屬陶瓷的組織逐漸變得均勻，硬質(zhì)晶粒逐漸球化，且其表面的環(huán)形相包覆層逐漸變得完整，溫度過(guò)高，晶粒會(huì)明顯長(zhǎng)大.對(duì)于超細(xì)Ti(C，N)基金屬陶瓷，經(jīng)1 410℃保溫60 min，可獲得較滿意的顯微組織和較佳的機(jī)械性能，而復(fù)合Ti(C，N)基金屬陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為1 450℃［29］.

金屬陶瓷傳統(tǒng)的燒結(jié)制備方法主要有真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、真空后續(xù)熱等靜壓等，目前在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用.近幾年出現(xiàn)了一些新型燒結(jié)方法，部分已經(jīng)應(yīng)用到Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究中.

真空燒結(jié)(NS)是Ti(C，N)基金屬陶瓷傳統(tǒng)的燒結(jié)方式，一般是將原料成型后的樣品在800℃脫膠預(yù)燒結(jié)，再在1 440℃下真空保溫1 h，制成金屬陶瓷試樣［27］.在真空燒結(jié)條件下，顆粒表面氧化物可在較低溫度下被爐內(nèi)還原，改善液相對(duì)硬質(zhì)相的濕潤(rùn)性，從而改變粘結(jié)相的分布均勻性，使燒結(jié)體致密，而且可減少氣相和固相之間反應(yīng)，工藝容易控制［23］.在真空燒結(jié)時(shí)，合金易發(fā)生脫氮反應(yīng)，影響合金性能.王社權(quán)［30］發(fā)現(xiàn)Ar、Co、甲烷不同燒結(jié)氣氛下 WC－(W，Ti)C －(Ta，Nb)C－Ti(C，N)－Co的合金性能都受到影響.Zhou Shuzhu［31］發(fā)現(xiàn)TiC基金屬陶瓷在氮?dú)庵斜仍跉錃庵袩Y(jié)得到的燒結(jié)體性能好.目前，關(guān)于Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結(jié)氣氛的研究更多的是在減壓氮?dú)夥罩袩Y(jié)金屬陶瓷.氮?dú)鉄Y(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度和氮?dú)鈮毫σ话汶S合金中氮含量的增大而提高.

為了減少燒結(jié)態(tài)金屬陶瓷的缺陷尺寸，一般在真空燒結(jié)后對(duì)Ti(C，N)基金屬陶瓷進(jìn)行熱等靜壓(HIP)或低壓處理(LP)［32］.在真空燒結(jié)后用HIP技術(shù)處理的稱真空后續(xù)熱等靜壓.熱等靜壓的特點(diǎn)是所需溫度低，溫升速度快，在壓力和溫度的共同作用下能在較低溫度下獲得致密的燒結(jié)體.

熊計(jì)等［33］發(fā)現(xiàn)HIP處理對(duì)納米改性的 Ti(C，N)基金屬陶瓷的合金性能影響較明顯，致密度也有較大提高.袁宏輝等［34］對(duì)TiC－TiN－WC－TaC－Mo2C－NbC－Ni－Co系金屬陶瓷在真空燒結(jié)及低壓燒結(jié)處理工藝下的性能進(jìn)行了對(duì)比，低壓燒結(jié)爐內(nèi)壓力最后達(dá)到5 MPa.發(fā)現(xiàn)低壓燒結(jié)使制品中的孔隙度明顯減少，改善了硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的潤(rùn)濕性，阻止了硬質(zhì)相的長(zhǎng)大，從而細(xì)化了晶粒，減少了Ni池的出現(xiàn)和內(nèi)部組織缺陷，提高了強(qiáng)度和硬度.低壓燒結(jié)TiC基硬質(zhì)合金切削性能也比普通真空燒結(jié)有明顯提高.

自蔓延高溫合成技術(shù) (SHS)是借助反應(yīng)物間固相反應(yīng)所放出的巨大熱量維持反應(yīng)的自發(fā)持續(xù)進(jìn)行，從而使反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌锏牟牧现苽湫鹿に?SHS研究一般針對(duì)諸如碳化物、硼化物、氮化物等單相陶瓷材料，最近也用其來(lái)合成金屬陶瓷，但是所有結(jié)果均表明所制得的材料孔隙度大多高于10﹪，力學(xué)性能無(wú)法得到保證［35］.要想用自蔓延高溫合成法合成致密度較高、組織細(xì)的金屬陶瓷，通常將其與熱壓、熱等靜壓、沖擊壓實(shí)等方法結(jié)合起來(lái).Lasalvia等［36］將其與沖擊壓實(shí)法結(jié)合，制備出的TiC－Ni金屬陶瓷致密度大大提高，使孔隙度降低到2﹪以下.Han［37］將其與準(zhǔn)等靜壓技術(shù)結(jié)合，獲得了致密度高于96﹪、晶粒度為亞微級(jí)的TiC－Ni金屬陶瓷.自蔓延高溫合成法與其它方法的結(jié)合使合成金屬陶瓷的致密度大大提高，但仍比常規(guī)方法略低.

放電等離子燒結(jié)(SPS)是一種快速燒結(jié)新工藝.近幾年國(guó)外許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼利用SPS技術(shù)進(jìn)行研究工作.SPS燒結(jié)系統(tǒng)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)，利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程，通過(guò)瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子使燒結(jié)體內(nèi)部每個(gè)顆粒產(chǎn)生均勻的自發(fā)熱并使顆粒表面化，由于升溫、降溫速度快，保溫時(shí)間短，使燒結(jié)過(guò)程快速跳過(guò)表面擴(kuò)散階段，減少了顆粒的生長(zhǎng)，同時(shí)也縮短了制備周期，節(jié)約了能源.夏陽(yáng)華、Yongzheng 等人［38－39］用 SPS 技術(shù)制備了Ti(C，N)基金屬陶瓷材料，相對(duì)于真空燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度大大降低，保溫時(shí)間縮短.SPS燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)含超細(xì)或納米粉末的Ti(C，N)基金屬陶瓷的組織和性能影響非常明顯.Alvarez［40］研究發(fā)現(xiàn)超細(xì)晶粒特別適合用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)放電等離子燒結(jié)C含量較高的Ti(C，N)粉末，也有可能形成芯－環(huán)結(jié)構(gòu).

微波燒結(jié)的加熱和燒結(jié)速度非常快，且試樣內(nèi)部溫度梯度小，這樣使材料內(nèi)部熱應(yīng)力可以減小到最小.這對(duì)于制備超細(xì)晶粒的高密度、高強(qiáng)度、高韌性陶瓷材料非常有利.晉勇［41］用微波燒結(jié)方法成功地對(duì)納米金屬陶瓷進(jìn)行了燒結(jié).在1 400℃下保溫10 min時(shí)試樣的相對(duì)密度已達(dá)99﹪.燒結(jié)所需溫度降低，燒結(jié)時(shí)間大幅度縮短，且燒結(jié)前后晶粒尺寸變化很小，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能.

Ti(C，N)基金屬陶瓷冶金反應(yīng)十分復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究和深入.新型燒結(jié)方法對(duì)于超細(xì)晶粒的Ti(C，N)基金屬陶瓷制備與研究具有重要的意義，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化.

3 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本、美國(guó)和我國(guó)關(guān)于Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的研究和應(yīng)用急劇增多，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的性能得到了極大的改善，現(xiàn)在Ti(C，N)基金屬陶瓷的制備方法、晶粒細(xì)化、納米改性以及納米Ti(C，N)基金屬陶瓷材料、梯度Ti(C，N)基金屬陶瓷材料制備等方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展.其應(yīng)用范圍已由精加工、半精加工擴(kuò)大到粗加工，由切削擴(kuò)大到銑削等苛刻條件下的加工.Ti(C，N)基金屬陶瓷對(duì)推動(dòng)高速切削、精密加工技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)機(jī)械、汽車、五金裝備等行業(yè)水平的提高有著顯著的積極意義.同時(shí)，采用Ti(C，N)金屬陶瓷刀具，可以解決各行業(yè)難加工材料的切削加工問(wèn)題，改變傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝;另一方面，由于Ti(C，N)金屬陶瓷具有較好的紅硬性和抗氧化能力，可以實(shí)現(xiàn)高速高效切削加工和干式切削加工，減少或不用切削液，大大降低切削加工費(fèi)用，并可實(shí)現(xiàn)綠色加工.

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