Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的性能影响因素

张 茜，刘 兵，陈 慧

(1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 巴南 400054;2.重庆市粉末冶金工程技术研究中心，重庆 永川 402160;3.重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室，重庆 永川 402160)

现代加工技术对切削刀具的要求越来越高，刀具材料的改进和开发也越来越重要.Ti(C，N)基金属陶瓷材料是在20世纪70年代出现的新型工具材料［1］，它在高速切削条件下显示出很好的红硬性、耐磨性、耐热性和优异的抗月牙洼磨损能力.Ti(C，N)基金属陶瓷具有与普通陶瓷相近的硬度和耐热性，但抗弯强度及断裂韧性更高［2］.因此，Ti(C，N)基金属陶瓷是对钢材进行高速加工和半精加工较为理想的刀具材料.

Ti(C，N)基金属陶瓷可制成微型可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工及“以车代磨”等精加工和半精加工领域;其功能填补了传统WC-Co系硬质合金与Al2O3陶瓷刀具之间的空白，是一种具有广泛应用前景的刀具材料，也是目前各国刀具新材料的研究热点之一.

1 材料的基本组元及其作用

Ti(C，N)基金属陶瓷的主要组元包括硬质相、黏结相和添加剂，其中硬质相为Ti(C，N)，黏结相为 Co/Ni/(Co+Ni)［3］，添加剂主要有 WC、Mo2C等.

1.1 黏结相对材料性能的影响

黏结相含量对材料性能有很大的影响，当其含量增加时，材料的断裂韧性提高，但是硬度下降.

在以Ni作为黏结相的Ti(C，N)基金属陶瓷中，随着Ni的含量逐渐降低，黏结相的体积分数也逐渐降低，硬质相的体积分数增加，使材料的硬度提高，抗弯强度下降;但含Ni量达到一定水平后，材料硬度反而下降.用Co部分代替Ni后，材料的强度提高，硬度基本不变，可以通过改变Co的含量来调整金属陶瓷的力学性能［4］.

1.2 添加剂对材料性能的影响

Ti(C，N)基金属陶瓷中添加剂所起的主要作用有以下几个方面:

(1)改善润湿性

Ti(C，N)金属陶瓷的烧结温度超过了黏结相的熔点，属于液相烧结.在烧结过程中黏结相与硬质相的润湿性直接影响到材料的力学性能.Ni对Ti(C，N)的润湿性很差，它的润湿角大于90°，不利于材料的烧结致密化过程.在金属陶瓷基体中添加Mo元素后，Mo向Ti(C，N)颗粒扩散并取代其中的 Ti，形成固溶相，使 Ni与Ti(C，N)的润湿角减小，研究表明，润湿角可以减小为0°［5］.因此，在制备过程中通常添加一定量的Mo或Mo2C以改善Ni/(Co+Ni)对硬质相的润湿性.

(2)细化晶粒

细化硬质相晶粒有利于提高金属陶瓷的强度、硬度和韧性等［6］.添加Mo元素后形成的固溶体不仅改善了硬质相和黏结相之间的润湿性，还可以减少硬质相晶粒间的接触，抑制硬质相晶粒在烧结过程中长大，从而使金属陶瓷的断裂韧性提高.

向金属陶瓷中添加一定量的WC，可以促进环形相的形成，并在环形相中富集，抑制Ti(C，N)晶粒的长大，从而达到细化晶粒的目的［7］;但WC的量过多时，使环形相的厚度增加，材料的脆性也相应增加.在金属陶瓷中添加一定量的V，可以与C、N等元素结合形成碳氮化合物，并在晶界上富集，抑制硬质相晶粒长大，提高材料的疲劳强度［8］.另外，添加颗粒细小的TaC、NbC，与 TiC 形成(Nb，Ta，Ti)C 固溶体，能够均匀地弥散分布在整个基体上，成为固态相变中的晶核，使烧结后组织中的硬质相无法团聚，也能达到细化Ti(C，N)晶粒的目的.

(3)提高材料的强韧性

材料的抗弯强度与添加剂的弹性模量的关系满足 Griffith-Orowan 方程［9］:

式中:E为添加剂的弹性模量，P为随裂纹伸长而增加的塑性变形功，L为裂纹长度.由于材料的抗弯强度与弹性模量的平方根成正比，而金属陶瓷材料中添加剂的弹性模量比Ti(C，N)的弹性模量高(如表 1 所示)［10］，所以 Ti(C，N)基金属陶瓷的抗弯强度得到提高.

表1 Ti(C，N)基金属陶瓷中主要添加剂的弹性模量

提高材料韧性的方法主要有晶须增韧、纤维增韧、纳米颗粒增韧等.

晶须增韧主要是在金属陶瓷中添加SiC晶须来提高材料的强韧性.瞿峻等［11］在 Ti(C，N)基金属陶瓷中添加SiC晶须对其进行增韧.结果表明:微米级SiC晶须的添加量为1﹪时，断裂韧性从8.9 MPa·m-1/2提高到9.5 MPa·m-1/2;但是，随着SiC晶须添加量继续增加，Ti(C，N)金属陶瓷孔隙度增加，材料的力学性能呈现降低的趋势.

章晓波等［12］用碳纳米管增韧超细Ti(C，N)金属陶瓷，研究结果表明:由于碳纳米管的加入，裂纹沿硬质相和金属相界面扩展，扩展路径变曲折，增加了断裂表面能，消耗更多的断裂功，起到增韧的作用.同时发现，由于碳纳米管的长径比大，在材料中分散不均匀，容易发生团聚，材料内部产生微孔洞，使裂纹尖端钝化，提高材料的断裂韧性.

刘文俊等［13］使用第二相纳米TiC、TiN颗粒增韧Ti(C，N)基金属陶瓷，研究表明:纳米颗粒的加入使具有内-外环形相的小颗粒以及具有白芯-灰壳结构的小颗粒增加，并且在黏结相中弥散分布，减小硬质相的平均粒度，产生细晶强化.

根据 Gurland 强度理论［14］，

式中:σ为轴应力，φ为硬质相的体积分数，d为硬质相的平均粒度，K'为常数.当向基体中加入一定量的纳米TiC、TiN颗粒后，小颗粒数目增加，硬质相平均粒度 d减小，σ增大，提高Ti(C，N)金属陶瓷的强度.

(4)提高红硬性

Ti(C，N)金属陶瓷刀具主要用于高速切削，在切削过程中产生大量的热，使刀具温度升高，所以它需要添加一些高熔点的碳化物来提高金属陶瓷的红硬性，如 Ta、Nb、Zr、Hf(铪)等.Ta、Nb与C、N的结合力很强，形成的碳氮化物具有很高的热稳定性.TaC的添加可以提高金属陶瓷材料的高温硬度和抗热震性，从而改善材料抗高温形变的能力［15］.添加了 NbC的 Ti(C，N)基金属陶瓷的环形相明显变薄，有利于提高Ti(C，N)的红硬性，并且能够降低材料的烧结温度，提高材料的烧结性能，节约能源［16］.Zr与 C、N 形成Zr(C，N)，抑制了Ni的扩散，使黏结相不易产生塑性变形，从而提高材料的高温性能［17］.Hf与C形成HfC，它具有高硬度和高熔点(4TaC·HfC的熔点约为4 215℃)，能够提高材料的耐高温性能和硬度.

2 微观组织结构对性能的影响

Ti(C，N)基金属陶瓷材料通过液相烧结而成，烧结后的组织由碳氮化合物硬质相颗粒和金属黏结相组成，即是由Ti(C，N)为核心以及环形相(包覆相)组成［18］.影响材料性能的微观组织结构包括:(1)晶粒度;(2)环形相;(3)孔隙度.

2.1 晶粒度的影响

晶粒度对材料的力学性能有很大的影响，根据 Hall-Petch 公式［19］，

上式中:σ0为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径.晶粒尺寸d越小，材料的强度越高，特别是当硬质相尺寸小于0.5 μm时，材料的硬度和强度同时得到提高.因此，可以通过细化晶粒获得具有优良综合性能的金属陶瓷材料［18，20］.

在金属陶瓷制备过程中，影响烧结体晶粒度的因素主要有原始硬质相粒度、添加剂的粒度等.减小TiC、TiN粉末粒度可以有效细化硬质相颗粒，提高材料的抗弯强度和硬度［21］.在Ti(C，N)基金属陶瓷中添加较细的WC颗粒，可以促进环形相的形成，提高材料的强韧性［19］.粒径越小，材料的抗弯强度越高［22］.

2.2 环形相的影响

环形相是由 W、Mo、Ta、Nb、V、Hf等添加元素和 Ti(C，N)在黏结相中固溶而形成的［20］，在硬质相和黏结相间形成过渡，改善了它们之间的润湿性，使得两者更好地结合在一起，并且阻碍硬质相颗粒聚集在一起而长大，使硬质相晶粒变细且分布更为均匀，提高材料强度.完整度以及厚度对材料的性能有很大影响，金属陶瓷材料内部的较为完整的环形相增加了硬质相与黏结相的结合强度，产生的裂纹不易扩展，材料的抗弯强度提高.但是，环形相的本质较脆，当环形相的厚度超过一定值时，材料的抗弯强度有明显下降的趋势［23］.

2.3 孔隙度的影响

孔隙度对金属陶瓷材料的性能有着显著影响，随着孔隙度的增加，材料的力学性能急剧下降.材料的孔隙度受成形工艺和烧结工艺的影响很大.在压制成形过程中，成形剂的黏结性能和润滑性能差、压制压力较小，会导致压坯的孔隙度大.在烧结过程中，烧结温度和保温时间不足，使材料的致密化过程进行不彻底，也会使孔隙度较大.

3 制备工艺对结构性能的影响

3.1 Ti(C，N)粉体制备工艺的影响

Ti(C，N)粉体的制备方法有很多，基本方法有化学法和物理法.

(1)化学方法制备的粉体

白万杰［24］利用等离子体化学气相合成法来制备纳米级及亚微米级超细陶瓷材料粉体.通过控制反应时间来调整粉体的粒度，控制氨气和液化气的流量来调整C∶N比，调整原料的配方来生产多种碳化物、氮化物和碳氮化物粉体.用此方法获得的粉体纯度高、粒径小、分布均匀，制备的烧结体密度高、晶粒细小，得到的材料性能比较高.

Frederic等［25］将纳米级 TiN粉末和10﹪ C混合后置于流动的Ar气中，在1 430℃保温3 h，固态合成超细Ti(C，N)粉末，得到的粉末形状规则，团聚少，C/N比在0.6～1.5.发生的反应过程如下:

在Ar气的保护下得到的粉末被氧化的可能性极小，所以粉末中的含氧量极低，有利于材料的烧结，降低烧结后的孔隙度，从而提高材料的性能.

穆云超等［26］用自蔓延高温合成技术制备了Ti(C，N)材料，通过调节原料中Ti粉的含量，可以得到多种Ti(C，N)粉末，制备出来的Ti(C，N)金属陶瓷材料具有较高的致密度和优良的力学性能.

(2)物理方法制备的粉体

在物理法粉体制备Ti(C，N)粉体的过程中，球料比、球磨时间以及球磨方式都会对材料的性能有很大影响.随着球料比增加，碾磨面积增大，球磨效率提高，硬质相粒度减小且分布更加均匀，制备的材料强度提高［27］;在一定范围内，随着球磨时间的增加，组织的硬质相尺寸得到细化，材料的强度提高;干磨与湿磨相比，湿磨所得的烧结体密度更高，性能更好［19］.

3.2 成形工艺的影响

Ti(C，N)粉体几乎没有可塑性，需要加入成形剂才能压制成型和烧结.

成形工艺对性能的影响因素主要有压力、加压速度和加压方式.当压力不够时，坯体的强度低、密度低、烧结收缩率较大，较易变形开裂.在压制过程中，初始阶段应该均匀地施加压力，以便于坯体中的空气排出;当颗粒完全靠拢时，坯体的收缩率变小，需要保压，防止裂纹产生.采用双向压制成型有利于改善压坯的密度分布，提高压坯密度，减小烧结收缩率，提高Ti(C，N)基金属陶瓷产品的尺寸精度和力学性能.

3.3 烧结工艺的影响

Ti(C，N)基金属陶瓷材料的烧结方法主要有真空烧结、气氛烧结等.此外，一些新型的烧结方法(如自蔓延高温合成技术、微波烧结、脉冲烧结、放电等离子烧结、激光烧结等)［19］逐渐被应用到Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备研究中.

在烧结过程中，成形剂是否完全脱除对烧结体的性能影响很大，成形剂脱除不全，会显著降低烧结体的性能.

真空烧结是Ti(C，N)基金属陶瓷制备的传统烧结方式，一般是将原料成型后的样品在300～500℃温度下进行脱脂预烧结，再在1 440℃下真空烧结1 h，制成金属陶瓷产品［28］.在真空烧结条件下，颗粒表面的氧化物可在较低温度下被还原，改善液相对硬质相的湿润性，从而改善黏结相的分布均匀性，使烧结体致密，工艺容易控制［5］.但在真空烧结时，易发生脱氮反应，影响材料性能.

采用气氛加压烧结的方法，可以加快烧结时的颗粒重排，快速实现致密化，消除孔隙.随着烧结压力的增加，孔隙度明显降低，硬质相之间的结合程度加大，但是导致冷却阶段时间延长，环形相变厚.在温度上升的过程中，材料的抗弯强度提高而硬度下降，经过快冷处理后，环形相变薄，黏结相的固溶强度增加，孔隙度下降，从而使材料的强度与硬度同时提高.

在Ti(C，N)基金属陶瓷材料烧结时，还可以将真空烧结和加压烧结方式结合起来.冯燕等［29］采用加压一次性烧结方法制得试样 A，通过真空——加压两次烧结——真空烧结方法制得试样B.通过比较发现，B试样的抗弯强度比A的要高，抗冲击性能也要好得多.所以，真空——两次加压更适合于制备增韧Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料.

4 结语

Ti(C，N)基金属陶瓷用作高速高效切削刀具材料，提高了刀具的切削性能，节约了钨、钴等战略资源.然而，随着航空航天和高端装备中难加工材料和高精度零部件的大量应用，对Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削性能提出了更高要求，需要从材料的组分设计、反应过程机理、新工艺开发与控制等方面对Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料进行系统、深入研究.综合国内外的研究现状，新型Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的研究重点将体现在以下几个方面:

(1)新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料的研究与开发.这主要包括两方面:开发新型硬质相、细晶粒硬质相和复合硬质相等;作为黏结相的金属或合金可以用资源丰富的金属代替资源短缺的金属(如用Fe代替Ni和Co).

(2)制备超细晶粒或纳米级Ti(C，N)基金属陶瓷.超细晶粒或纳米级金属陶瓷比普通金属陶瓷具有更高的强度、韧性、硬度、耐磨性等综合性能.这也是今后的一个重要发展趋势.

(3)提高Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性.通过研制新型添加剂，或对现有的添加剂进行改良，以及使用稀土元素来对Ti(C，N)基金属陶瓷材料进行增韧.

(4)功能梯度Ti(C，N)基金属陶瓷的应用开发.梯度金属陶瓷的不同工作部位有不同的性能，是一种由于组织连续变化引起性能渐变的功能复合材料.

(5)Ti(C，N)基金属陶瓷的回收再利用.社会倡导绿色环保、节能减排，所以Ti(C，N)基金属陶瓷的回收再利用已成为研究的一大热点，应采用现代技术和大规模生产模式来实现资源的充分利用和经济效益的统一.

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