1、四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 1 -本科毕业论文（设计）题 目 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N ）基金属陶瓷性能的影响学 院 制造科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 学生姓名 谭 雕 学 号 0943022019 年级 2009 级 指导教师 熊 计 教 授 教务处制表2013 年 6 月 1 日四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 2 -Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响材料成型与控制过程学生：谭雕 指导老师：熊计摘要:作为替代硬质合金的一种新型工具材料，
2、 Ti（C,N）基金属陶瓷拥有许多优良的性能，因此得到了广泛的应用，特别是近些年来发展迅速。实验研究了不同 Ni 含量和不同球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响，我们用传统的粉末冶金方法，采用不同的制备工艺（球磨时间不同）制备了七组不同 Ni 含量的 Ti（C,N）基金属陶瓷试样， 测量各组试样的密度、硬度、 孔隙度与晶粒度以及线收缩率并进行对比。实验结果表明：随着 Ti（C,N ）基金属陶瓷中 Ni 含量的增加，晶粒度变化不大，材料的线收缩率、密度递增；而材料的硬度递减。随着球磨时间的增加，晶粒度减小，孔隙度先减小后增大，密度呈现出先上升后下降的趋势，材料的硬度逐渐增加，最高可达到
3、 92.8HRA。关键词：Ti（C,N）基金属陶瓷； Ni 含量；球磨时间；性能四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 3 -Effect of Ni contents and milling time on the properties of Ti(C,N)-Besed cermetsMaterial forming and controlling engineeringGraduate:Tan Diao Supervisor:Professor Xiong JiAbstract：As a new kind of tool materials re
4、place cemented carbide,the Ti（C,N）一 based cermets have been widely used especially in recent years due to their good properties. The experiment study the effects of various nickel content addition and various milling time on the properties of Ti(C,N)一 based cermets. We used conventional powder metal
5、lurgy method, and prepared the samples that had different Ni alloy content by different preparation process (milling time different). Measuring every samples density,hardness, grain size and linear shrinkage,then compare these of every samples. Experimental results show that with the increase of Ni
6、content，the grain size change little, linear shrinkage,density of the materials progressively increase. The opposite，The opposite，hardness decrease progressively . With the increase of milling time, grain size decreases, porosity first decreases and then increases, density first increased and then s
7、howed a downward trend, The hardness of the material increases,can reach 92.8HRA.Keyword: Ti (C, N) cermets,Ni content,Milling time,properties 四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 4 -目录第一章 绪论 .- 5 -1.1 金属陶瓷的定义、分类与发展 .- 5 -1.1.1 金属陶瓷的定义及优势 .- 5 -1.1.2 金属陶瓷的应用与发展 .- 6 -1.1.3 金属陶瓷刀具材料的研究现状及现有分类 .-
8、 7 -1.2 Ti（C,N）基金属陶瓷的现状及发 .- 9 -1.2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备工艺 .- 9 -1.2.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织、性能特点 .- 10 -1.2.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的应用 .- 12 -1.2.4 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展趋势 .- 13 -1.2.5 成分和添加剂对材料组织和性能的影响 .- 13 -1.2.6 Ni 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷的影响的研究现状 .- 15 -1.2.7 不同球磨时间对 Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响 .- 15 -1.3 本文研究的主要目的、意义和内容 .- 16 -1.3.
9、1 研究的主要目的、意义 .- 16 -1.3.2 本文的研究内容及技术路线 .- 16 -第二章 实验过程 .- 18 -2.1 实验材料 .- 18 -2.2 实验所需设备 .- 18 -2.3 Ti（C,N）金属陶瓷样品的制备 .- 19 -2.3.1 样品的成分及其对应的研磨时间 .- 19 -2.3.2 样品的制备流程 .- 19 -2.3.2 样品制备过程中需要注意的问题 .- 21 -2.3.4 金相样品的打磨和抛光 .- 22 -2.4 金属陶瓷试样的检测 .- 22 -2.4.1 金属陶瓷试样的密度检测 .- 22 -2.4.2 金属陶瓷试样硬度的检测 .- 23 -2.4.
10、3 金属陶瓷试样孔隙度的检测 .- 23 -2.4.4 金属陶瓷烧结后线收缩率的测量 .- 23 -第三章 实验结果与分析 .- 24 -3.1 金属陶瓷试样的密度检测结果与分析 .- 24 -3.2 金属陶瓷试样的硬度检测结果与分析 .- 25 -3.3 孔隙度和晶粒度 .- 27 -3.4 线收缩率 .- 30 -结论 .- 31 -参考文献 .- 32 -声明 .- 34 -致谢 .- 34 -四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 5 -第一章 绪论1.1 金属陶瓷的定义、分类与发展1.1.1 金属陶瓷的定义及优势金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属
11、或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets 来，是由 Ceramic（陶瓷）和 Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料 ，其中，陶瓷晶粒约占1585( 体积比) ，它们埋置在金属或者合金粘结剂基体内。根据各组成相所占百分比不同，金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类，Ti（C,N）基金属陶瓷是以陶瓷为基质的。按此定义，通过粉末冶金方法制备的wC-Co 系复合材料及Tic-TiN-Mo-Ni系复合材料都属于金属陶瓷。但人
12、们习惯仍将wC-Co 系复合材料称为硬质合金，而将Ni和(或 )Mo粘结的 TiC和TiN基合金材料称为金属陶瓷。Ti（C,N）具有面心立方结构 1，如图1-1示。根据皮尔逊的金属间化合物相的晶体结构。图 1-1 Ti（C、N）的晶体结构数据手册，TiCN是一个完全无序的结构。如图a, 在此模型中Ti，C和N 原子随机地占据了两个Wyckoff 结点。在TiC TiN系统中，C或N占据四面体的结点，Ti原子位于八面体间隙中，C 、N 原子也可以相互取代，如图b。另外还有如图 c所示的结构。Wayne D.Kaplan等人研究了TiCN的原子结构，发现现有的结构模型，即 Ti、C 和N 原子随机
13、占据网格节点是不正确的。正确的结构是根据C原子取代TiN结构中的 N原子情况，而成面心立方晶系结构或是正方结构。四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 6 -陶瓷刀具材料的优越性主要体现在以下几个方面 2,3：(1)能够加工传统硬质合金刀具难以加工或根本无法加工的高硬度材料，比如硬度达到65HRC的各种硬化铸铁和淬硬钢；(2)不仅能对高硬材料进行粗、精加工，也可进行刨削、铣削、断续切削等冲击力很大的加工；(3)刀具的耐用度比传统刀具高上几倍甚至是几十倍，能够降低加工过程中的换刀次数，有效保证被加工工件的高精度和小锥度。(4)可进行高速切削及实现“以车
14、、铣代磨”，切削效率比传统刀具材料高3至10倍。1.1.2 金属陶瓷的应用与发展自从 1923 年 WC-Co 硬质合金问世以来，其制备技术得到了飞速发展，并逐渐应用于切削刀具、拉丝模和耐磨零件等。但是，为了规避 WC-Co 硬质合金专利技术的限制，以及生产硬质合金的主要材料 WC 或 Co 资源方面的匮乏等原因 3，人们一直在寻找制备硬质合金的主要原材料 WC 和 Co 的替代品。对 Co 粘结相的替代材料的研究，促成了以 Ni代 Co 硬质合金的问世；而以硬度更强的 TiC 硬质相代替碳化钨技术的发展，则导致了TiC 基金属陶瓷的问世，并最终发展为如今的 Ti(C,N)基金属陶瓷。随着研究
15、的不断进行，Ti（C,N）基金属陶瓷的抗弯强度不断得到提高，由最初700800MPa 提高到最近的 18002000MPa，加上强韧性的不断提高，其应用范围正在逐渐扩大。同时，抗热疲劳性能和抗塑性变形能力也提高许多，使该材料能稳定地应用于车削、铣削加工。Ti（C,N）基金属陶瓷刀具材料虽有众多优点，但是仍存在一些不足，如磨削困难和抗崩刃性能差等。就目前看来，金属陶瓷主要应用于切削加工领域，在此领域，完全取代硬质合金是有可能的。但是，如硬质合金的发展一样，新材料的应用不会只局限与切削加工领域。随着材料不断发展以及相关科技不断进步，是 Ti 基金属陶瓷应用于切削加工领域已成为现实。除此之外，基本的
16、应用还在于材料的耐磨性。但与硬质合金不同，低密度、低摩擦系数、高耐腐蚀性以及温度的高温性能，其应用范围更加广泛。21 世纪是高科技的世纪，高科技的发展促进了金属陶瓷复合材料的发展。目前，金属陶瓷的发展主要集中在一下几个方面：（1）、新材料的研究与开发。主要有三方面，硬质相正在向多样化发展，致力于开发新型硬质相和复合硬质相等；作为粘结相的金属或合金种类不断增多，以资源丰富的金属代替资源短缺的金属（如用 Ni 代替 Co）；相成分逐渐拓宽，硬质相和粘结相含量不断突破以前研究的范围。（2）、超细晶粒和纳米级金属陶瓷总之，努力降低成本，不断提高其强度、韧性和高温性能等仍是 Ti（C,N）基金属陶瓷今后
17、发展的基本趋势，但尚有许多问题需要解决，如材料制备中的组分设计、反应机理的研制，制造方法和加工工艺的优化、性能和结构的分析等 4。四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 7 -1.1.3 金属陶瓷刀具材料的研究现状及现有分类刀具材料的进步对人类发展的文明史有重要的影响，从 1850 年至今，刀具材料获得了很大的发展。1898 年高速钢工具问世，1926 年硬质合金又研制成功，使切削加工的历史发生了两次革命性的进步。陶瓷作为切削刀具，也有一定的历史，早在 1905 年德国人就开始了 AL2O3陶瓷作为刀具材料的研究。1912 年英国首获 AL2O3 陶
18、瓷刀具专利。很多刀具材料发展的历史这里不再一一介绍。为粘结相，经过高温烧结而成的金属刀具材料。它有很高的抗弯强度（1000GPa） ，和断裂韧性（K IC10MPa.m1/2）,有较宽的使用范围，适合于普通钢铁材料的加工。但由于晶界上有相当数量的 Mo、Ni 等金属相，硬度较低（ HRA91-92） ，高温性能也受到影响，难于胜任高硬难加工材料的加工，为了提高 TiCN 基金属陶瓷刀具的硬度和切削能力，加入 Si3N4/ AL2O3作为弥散相，经过烧结时的反应，大大减少了晶界金属相使硬度提高到HRA94-95，称之为复合 TiCN 基金属陶瓷刀具 5。一般而言，金属陶瓷主要可分为五种类型 6：
19、氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、碳氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷和含有石墨或金刚石状的金属陶瓷(1)氧化物基金属陶瓷：氧化物基金属陶瓷现今已经得到了广泛的应用，表 1-1 中列举了部分氧化物基金属陶瓷。表 1-1 氧化物基金属陶瓷类型 类别 特点 应用Al2O3-Cr 提高机械强度 回收和精炼铁、热电偶保护管Al2O3-Cr-Mo 提高高温性能 喷气火焰控制器、导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、 “T”形浇口、炉管、火焰防护杆以及热电偶保护套管和机械密封环等Al2O3基Al2O3-Fe 硬度高，耐磨、耐腐蚀、热稳定性高机械密封环，高温部件等ZrO2-Ti 坩埚材料等ZrO2-W 耐磨
20、、耐高温、抗氧化 火箭喷嘴等ZrO2ZrO2-Mo 化学和高温机械性能高 保护管、铸造中的型芯、熔融金属的流量调节器等BeO-W 抗热性好 坩埚材料ThO2-w，ThO 2-Nb电子工业产品其他UO2- 抑制裂变产物，导热性 核反应堆堆心的燃烧元件四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 8 -Al，UO 2-W 好(2)碳化物基金属陶瓷：是目前应用最为广泛的金属陶瓷之一，1923 年，WC 基金属陶瓷问世，WC-Co 系金属陶瓷习惯被称为硬质合金； 20 世纪 50 年代开始出现碳化钛基金属陶瓷，常用种类有：TiC/Co、TiC/Ni、TiC/Cr
21、等；到 60 年代初期，中国开始研制碳化物基金属陶瓷，主要有 TiC 基和 WC 基两大类。表 l-2 中列举了部分的碳化物基金属陶瓷。表 1-2 碳化物基金属陶瓷类型 类别 特点 应用WC WC-Co 机械性能高 研究最多、应用最广TiC-CoTiC-Ni-MoTiC-CrTiCTiC-MoC代替 WC-Co 基陶瓷，耐磨性好，抗氧化性好，密度低高温轴承、切削刀具、量具、规块Cr3C2/NiCr3C2/Ni-CrCr3C2Cr3C2/Ni-w硬度低、耐磨、耐腐蚀性好、热膨胀系数低、高温抗氧化性好工具方面和化学工业中得到了应用ZrC、HfC 、TaC、NbC、B 4C 等耐高温氧化性都不好而且
22、非常脆B4C-不锈钢、B 4C-Al金属陶瓷可做成原子反应堆控制棒(3)碳氮化物基金属陶瓷(4)硼化物基金属陶瓷：硼化物是具有特殊物理和化学性能的化合物，特别是它有高硬度、高熔点和高的化学稳定性，所以被认为是最有发展前途的一种金属陶瓷，表 1-3 中列举了部分硼化物基金属陶瓷。表 1-3 硼化物基金属陶瓷类型 类别 特点 应用TiB2/FeTiB2/Fe-Mo 耐磨性好 切削工具、凿岩工具和耐磨零件TiB2基TiB2/Fe-Cr-NiZrB2/B 极高温度下使用 燃烧室、火箭发动机和喷气发动机的反应系统ZrB2基ZrB2/Nb四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶
23、瓷性能的影响- 9 -多元硼化物基Mo2FeB2 断裂韧性高，热膨胀系数与钢相近易拉罐的模具、铜的热挤压模、钢丝冷热拉模、锅炉热交换器的保护零件、汽车气门热锻模等其他硼化物基CrB/Cr-Mo 良好的断裂强度和足够高的抗机械震动性可制造蒸汽和燃气涡轮叶片、内燃机阀座和阀座圈以及喷气发动机的排气喷口和排气管其他硼化物基MoB2/Ni 耐腐蚀性好(5)石墨或金刚石状的金属陶瓷：制造电触头所用的石墨-金属组合物材料可用于：发动机和电动机的金属电刷，其金属相为青铜或铜：低接触压力和较低摩擦速度下的滑动触头，金属相为银。此外，这类材料还被广泛的用来制造制动器衬面和离合器衬片。在金属基体内加入从粗的碎片状
24、到细的粉末状的金刚石所组成的金属陶瓷，可制造抛光、研磨、切割、锯开、修整和整形工具1.2 Ti（C,N ）基金属陶瓷的现状及发1.2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备工艺Ti（C,N）基金属陶瓷就是以 TiC、TiN 或 Ti（C,N ）为硬质相，以 Ni、Gr 、Mo 、Co等为粘结相，以 Mo2C、WC(Ta、Nb)C、Gr 3C2、VC 等粘接剂为原料，进行球磨、混磨，在一定的压力下压制成型，尔后在真空中烧结，其烧结温度一般控制在 12001600之间 7。制取粉末是粉末冶金的第一步，Ti（C,N）基金属陶瓷是以 Ti（C,N）为主要硬质相，Mo2C、WC 、NbC 等为添加剂， Ni
25、、Co 等为粘接相构成材料，其粉末主要由 TiC、TiC、或 Ti（C,N）、Ni、Co、Mo 2C、WC、NbC 等组成。粉末制备方法各式各样，以下介绍球磨法。球磨法也有许多种，包括滚筒式球磨、震动球磨、行星式球磨、行星是式振动磨和搅拌球磨。工业上常用滚筒式球磨，其工作原理是：筒体内装载一定量的研磨体，被磨物料从加入口加入，按工工艺要求对物料、水和研磨体进行适当配比。当筒体回转时，研磨体在离心力的作用下，贴在筒体内壁与筒体一起回转上升，筒体内的物料受到研磨体的冲击和研磨作用而被粉碎。其余研磨法原理就不再一一介绍。在许多情况下，粉末成形前需要进行一定的处理，包括粉末的分散、筛分、混合、加成形剂
26、、造粒等。考虑到 TiN 易水解的特性，采用无水乙醇作为分散介质，采用球磨分散便可达到粉料均匀混合的目的。筛分的目的是把颗粒大小不同的粉料进行分级，通常采用标准筛网四川大学本科毕业设计 Ni 含量和球磨时间对 Ti（C,N）基金属陶瓷性能的影响- 10 -制成的筛子或振动筛来身份。混合有多种方法，其中机械混合法是用各种混和机将粉末或混合料机械的参合均匀而不发生化学反应，分为干混和湿混两种。加成形剂是为了提高压坯的强度或为了防止粉末混合料离析而添加的物质，在烧结前或烧结时又将其去掉。造粒是将小颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。成型方法有多种，如模压成形、等静压成形等。烧结的
27、实质是粉末坯在适当的环境或气氛中受热，通过一系列的物理、化学变化，使粉末颗粒间的粘接发生质的变化，坯块的强度和密度迅速增加，其他物理、力学性能得到明显改善。烧结工艺主要包括四个方面：升温过程、最高烧结温度与保温时间、降温方式以及气氛的控制。烧结方法有真空烧结、气氛烧结、压力烧结等 8。1.2.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织、性能特点Ti（C,N）基金属陶瓷,一般使用粉末液相烧结制成的。其显微组织较为复杂，主要由碳氮化物硬质相颗粒和金属粘接相组成。其中，硬质相颗粒由 TiC/ Ti（C,N）芯和其外围包覆的一层（Ti，Mo）C/（Ti,Mo）(C,N)固溶体（rim）组成 9。如图 1-2 所示:图 1-2 Ti（C、N）基金属陶瓷的显微组织TiC/Ti(C,N)核芯:硬质相的内层组织（core）。TiC/ TiN 是形成 Ti（C,N）的基础，它们都具有 NaCl 型结构。TiC/Ti(C,N)微观组织一般是呈大小不同的椭圆形及颗粒状，不易
