高氮含量Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及其磨粒磨损特性研究

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Ti(C,N)基金属陶瓷因其优异的性能且相对较低的制备成本,作为传统WC-Co硬质合金的替代材料,有着巨大的潜力和广阔的应用前景。本文采用真空烧结方法制备了系列较高氮含量的Ti(C,N)基金属陶瓷,用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等研究了氮元素对金属陶瓷显微组织、力学性能和磨粒磨损性能的影响。首先研究了以TiN形式引入氮元素对材料的影响规律,结果表明:在一定范围内随N含量的增加,硬质相芯部逐渐细化且分布均匀,环形相厚度变薄、磨粒磨损形貌中犁沟所占比例减少,微观脆性断裂形成的凹坑增加,耐磨粒磨损性能逐渐提高。N含量为3.6wt%时,Ti(C,N)基金属陶瓷综合性能较好,其抗弯强度、硬度及断裂韧性分别为:1873MPa、89.9HRA、20.7MPa m1/2;当N含量进一步增加到4.2wt.%时,由于致密度降低,抗弯强度和耐磨粒磨损性能反而下降,其磨粒磨损形貌中出现了明显的宏观裂纹和一些较大的孔洞。研究了以Ti(C1-x,Nx)固溶体引入N元素对材料的影响规律,结果表明:金属陶瓷的晶粒大小和孔隙度对N/C比的变化比较敏感。随着N/C比的增加,环形相的厚度变薄,晶粒逐渐细化;但当N/C比超过5/5时,由于硬质相团聚长大导致晶粒又开始粗化;同时,随着N/C比的增加,孔隙度增大。在此基础上,以较稳定的Ti(C0.6,N0.4)为N源进一步提高氮含量到4.2wt.%时,金属陶瓷组织细小均匀,环形相包覆完整且厚度适中,耐磨粒磨损性能最好,综合力学性能最佳,其抗弯强度、硬度及断裂韧性分别为:1954MPa、89.5HRA、22.4MPa m1/2。研究了AlN添加量对金属陶瓷的影响规律,结果表明:添加适量的AlN能够进一步改善Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和性能,内环形相随AlN添加量的增加逐渐变薄甚至消失,外环形相也明显变薄,当添加量过多时会出现一些类似外环形相的灰色无芯结构。随着AlN添加量的增加,金属陶瓷的抗弯强度呈现出先增加后减小的趋势,硬度持续增大,断裂韧性先减小后增大,耐磨粒磨损性能先逐渐提高而后小幅降低。当AlN添加量为1wt.%时,Ti(C,N)基金属陶瓷耐磨粒磨损性能最好,综合力学性能最佳,其抗弯强度、硬度及断裂韧性分别为:2051MPa、90.8HRA、20.3MPa m1/2。最后,研究了Ti(C,N)基金属陶瓷的典型磨粒磨损过程和机理以及转速、载荷及磨料粒度等工作条件对其磨粒磨损过程的影响。发现金属陶瓷的磨粒磨损机理可能是因为磨粒切削形成犁沟,或者是微观脆性断裂以及陶瓷硬质相颗粒拔出脱落,还可能是它们综合作用的反映。金属陶瓷的磨损失重随着转速增大逐渐上升,当转速增大到4100r/min时反而有所降低;与载荷成线性正相关,但当载荷增大到90N时,磨损率快速上升;与磨料粒度成反相关,呈现出近似线性减小的规律。
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