1、PDF外文：http:/ 3585 字 氮气氛中 Ti（ C， N）基金属陶瓷热处理的显微结构和切削性能研究 摘要： 采用热等静压（ HIP）在 1423K 的氮气氛中对 Ti ( C， N)基金属陶瓷进行热处理 。将烧 结的金属陶瓷用 X 衍射、扫描电镜、透射电镜、 X 射线能谱分析、电子探针分析其微结构并比较。结果发现，表面高氮活性区将造成梯度结构的形成。在约 20 m 深度区，热处理会导致富氮和富钛区的形成。高氮活性推动原子穿过粘结剂，钛原子向表面、 钨，钼向内 扩散。表面区域，粒子变得更细，内部界面消失，外缘体积分数和粘结相大大减少。热处理过程中
2、N， W C， Mo2C 以及富氮碳化物区的细晶化的形成，提高了热处理金属陶瓷的摩擦性能。 关键字： Ti（ C， N）基金属陶瓷 ； 氮气氛 热处理；显微结构；力学性能 1：前言 Ti（ C， N）基金属陶瓷 具有 优异的耐磨性 、 高耐热性 、 化学稳定性 以及对金属的低摩擦系数，作为刀具材料吸引了许多外国研究者的关注。但金属陶瓷的强度比常用的 WC-Co 硬质合金要低。针对改变金属陶瓷的成分以提高其硬度，人们也做了一些研究，其硬度和耐磨性也略有提高。 为了提
3、高在金属加工过程中刀具的寿命，一般会在其表面涂一层薄的 TiN、 TiC材料，或者是涂多层硬质材料。这些薄层一般用 CVD 或 PVD 法制备。由于涂层和镀层热摩擦系数的不同，在用 CVD 或 PVD 法制备后的冷却过程中，涂层中易形成裂纹，在负载下裂纹会从涂层向镀层扩展，从而造成制备涂层实验的失败。最近，梯度结构的硬质合金受到相当大的关注，这种硬质合金的表层涂有具有高耐磨性的富立方碳化硅，硬核包含 WC，立方碳化硅 /碳氮化和物和 Co/Ni 以及具有分级成份的中间区域。可以通过梯度烧结或者表面热处理来进行操作。因此，在目前的研究中一般采用真空烧结和在氮氛中热等静压烧结制备 Ti（ C， N
4、）基金属陶瓷 。 研究中考察陶瓷的微结构、成份梯度以及摩擦性能。 实验方案 2.1材料准备 材料成分为 9.9wt纳米 TiC、 3wt纳米 TiN-23.1wt TiC-7wt TiN-32 wt Ni-16 wt Mo-69 wt W C-1.5wt C-0.6 wt Cr3C2。用沉降法测定平均粒径尺寸，用 TC 一 136 氮氧分析仪测定氧含量如表一。 粉末在硬质合金行星球磨机加乙醇进行均匀混合，球磨 36h，转速 140r/m，再用红外炉在 353K 温度下进行干燥，然后 筛 分 和沉淀 ，在 300MP
5、下压制成型，持续 30秒中。 坯 体在 1693K 温度下进行真空烧结 1h，再在 100MP 压力、 1423K 温度的氮氛中进行等静压烧结 4h。 2.2显微结构分析 用铜 Ka辐射 XRD分析金属陶瓷的晶体结构，用 日本电子 JXA一 8800R结合 WD/ ED 微观分析 进行金属陶瓷的成分纵深分析。线扫描宽度为 54um。用 JSM 一 5600扫描电镜在被散射电子模式下观察微结构。 JEM-2010透射电镜用来研究详细的微结构，尤其是微量成因。 2.3性能测试 在普通车床上进行切削性能测试。工件材料统一
6、用中等碳钢 (AISI1045）。切削条件为：道具转速 323rn min，喂料速度 0 5mm r，刀切深度为 0 5mm。切削性能测试后，用光学显微镜测量最大刀后面磨损。 结论 3.1XRD 分析 图一为在氮氛等静压热处理前样品的 XRD 图片样品。在烧结构成中 钨和钼 溶解与 Ti（ C， N） ， Ti（ C， N） 是立方 B1结构，这和 TiN 一致。在 2 =36.7。 42.7。和 67.84。时，可以清楚观察到 TiN 的峰，显示多晶结构按 (111) (200) (220）择优生长。从 XRD 衍射峰，利用
7、Schere 方程，可大致估计出，晶体尺寸越 400nm，基本上和 3.2部分中 SEM 所观察的结果一致。从 XRD 中可计算出晶格常数为0 4231nm，这与 TiN0.67晶体的晶格常数接近。有趣的是通过 XRD 可以观察到WC 和 M o2C 相，这本应由 (Ti， Mo， W)(C， N）相边缘在氮气中反应所得到的。 3.2显微结构的特点 如图 2所示，烧结并热处理的金属陶瓷在被散射电子模式下观察其表面区域的显微图片。接近烧结金属陶瓷的表面部分，其微结构与内部一致，而热处理后的表面区域的形貌却大不相同。图 2是金属陶瓷在 100MPa、 1432K 的氮氛中等
8、静压热处理四小时后的 SEM 显微照片。图片显示，在热处理后表面 的晶粒尺寸减小到 20um 左右，这比内部和烧结处理的晶粒更细，同时硬质相的体积分数增加。W C， Mo2C 相存在与热处理金属陶瓷的表面。在巨表面 26um 处 W C， Mo2C的体积分数增大尤为明显。但在热处理和烧结处理的金属陶瓷内部都没有观察到这种现象。 为了阐述显微结构的特点，图 3显示了热处理和烧结处理金属陶瓷的 TEM图片。结果总结为如表 2。烧结处理的金属陶瓷具有带有碳氮晶粒的典型的微结构，这种碳氮晶粒具有嵌入粘结相的芯 -壳结构。芯是一种不能溶解的原始粉末颗粒。富含钨和钼的内壳形成于固体烧结阶段，外
9、壳形成于液体 烧结阶段。然而，在热处理金属陶瓷的表面内壳消失，外壳也大大减少。其周围被一种不规则形状的富氮的碳氮化合物包覆，而不是 Ti（ C， N） 晶粒。表面区域也存在类似于粘剂形状的小的 W C， Mo2C 晶粒。 3.3电子探针微量分析 电子探针分析（电子探针）为执行和行扫描范围为 54 微米（见图 4）。 应当指出，没有任何明显成分梯度向表面作为烧结金属陶瓷。碳和氮含量表面比较低是因为钛（碳，氮）的真空烧结过程中分解的阶段表面相的大部分。 在热处理金属陶瓷，电子探针分析的深度剖面验证碳含量增加和在对大量氮减少时，有 20 微米梯度区的存在。 该热处理金属陶瓷
10、表面富含钛和氮的广告钨，钼和碳消耗。钛含量在表面高，随深度逐渐降低，然后又提高了，几乎达到表面的水平。钨和钼随深度的增加。从 20 微米到大型，钛钨，常量和钼的批量为常数。含氮量达到 5 微米， 8 微米的最大值，并最终降低到一个恒定的水平。 图 3。 TEM 照片中的表面区域为烧结（ a）和热处理金属陶瓷（二）。在图 3（ a） :1-核心 ；2 内环 3-外缘 ；4 粘结相。在图 3（ b ） :1-核心 ；2 外缘 3- N 的富相 ；4 粘结相， 5 钼，钨丰富的阶段。 为了确认在表面合金元素区的梯度分布，表面的电子探针扫描进行了为从
11、表面向下带至54 微米的热处理金属陶瓷深度，如在图 5 显示。显然，合金元素的分布（碳，氮，钛，钨，钼）自线扫描的结果一致。此外，镍分布进行了分析，结果发现，在金属陶瓷表面差镍及镍富集区低于坚硬的表面形成的。 图 4。电子探针结果显示在 AS -烧结元素宏观梯度（ a）和热处理金属陶瓷（二）。 图 5 表面元素分布在氮化处理的金属陶瓷（对应于图 2（ b） 。 3.4 性能 图 6 显示了前后氮治疗髋部的切削工具的磨损曲线。当热处理 金属陶瓷切削工具应用在工业条件下，中碳钢（ AISI1045）与 V=323m/min， a=0.
12、5mm，和f=0.5mm/ r 时，后刀面磨损（ VB）中的工具仍然只有约 0.16 毫米即使切削时间已接近 45 分钟。图 6 还显示，该热处理金属陶瓷刀具切削加工性能比，作为烧结金属陶瓷更好。 4 讨论 4.1 微结构 由于合金元素的扩散速率快碳氮比在镍粘结相，作为主要的传输介质粘结相行为在热处理 8。氮，高氮在表面区域活动是驱动部队的钨，钼丰富富分阶段溶入粘结相。在在热处理初期，外层边缘溶解首先对粘结相，随着热处理演变外层边 缘变成薄，和部分内缘正在逐渐暴露出来。由于内边缘比外层边缘有更多的钨钼。解散在内边缘速度比外边缘的大，所以优先的
13、溶解为内边缘。因此，几乎没有内边缘发现在表面区域下降至 20 微米的深度（见图 3（ b）。都是因为活性状况的高氮氮原子扩散向内，碳形成了从钛的反应 Ti(C， N)+N2 TiN +C (Mo， W， Ti)(C， N)阶段富集钨和钼，制备的 Mo2C 和 WC 是从他们所形成的其它反应（ Mo， W， Ti)(C， N)+N2 Ti(C， N)+Mo2C+WC。本研究中，钛（碳，氮）与高 N 核 /（ C+ N）比喻胜华表面区域也形 成了，因为部分在钛（碳，氮）碳原子所取代氮原子（见表 2）。 边缘阶段富集钨和钼不断进入，因为它的高活性氮粘合剂相溶解。当钨和钼的溶解
14、度达到最大，这些钨钼丰富和丰富的阶段碳化物从过饱和固溶体，有一个形状相似，对粘结相。与此同时，由于钨和钼的活性系数表面区域是高于大批金属陶瓷，钨和钼的驱动向内，而钛住宿或向外扩散，形成氮 钛丰富的阶段。钛富相的碳氮化物粒。氮的溶解度低镍粘结相的，就是钛丰富的阶段是集中区的表面原因。除了钛，氮，碳，氮和钛丰富的阶段也含有少量的钨，钼（见表 2）。 . 该电子探针结果如图 5 所示。它的结 果表明，粘结剂（镍）含量在低面带下方至 20 微米的深度，而钛和氮含量是最高的。 这种现象意味着，钛扩散从进入金属陶瓷表面的绝大部分，那么，粘结相（镍）反扩散和形成了一个梯度区从 20 微米到 25 微米（见图 5）。这是有理由相信，这项活动在梯度带氮低于在表面，而钛扩散通量从梯度带的表面比，从区到梯度金属陶瓷的大部分，所以在梯度带镍体积分数 增加和形式之间的梯度带面带和散装。
