TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備及力學(xué)性能

徐秀國(guó)，許崇海，，方 斌，王春林，衣明東

（1齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，濟(jì)南250353；2齊魯工業(yè)大學(xué) 山東省高校輕工裝備先進(jìn)制造與測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250353；3山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061）XU Xiu－guo1，2，XU Chong－h(huán)ai 1，2，3，F(xiàn)ANG Bin1，2，

二硼化鈦（TiB2）是B－Ti二元系統(tǒng)中唯一的穩(wěn)定化合物。作為非氧化物陶瓷材料，TiB2具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕性和抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和可加工性[1］。由于自擴(kuò)散系數(shù)很低，TiB2陶瓷的燒結(jié)性能很差。隨著超微細(xì)粉末制備技術(shù)和有效燒結(jié)助劑的開(kāi)發(fā)，以及復(fù)相陶瓷設(shè)計(jì)等的發(fā)展，使得TiB2低溫?zé)Y(jié)成為可能，TiB2陶瓷材料已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用[2，3］。碳化鎢（WC）具有良好的抗彎強(qiáng)度，適合作為增強(qiáng)劑[4］。Song等[5］采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，制備的TiB2／WC陶瓷復(fù)合材料具有良好的燒結(jié)性能和力學(xué)性能。六方氮化硼（h－BN）的熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、抗熱震性優(yōu)良，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性，在惰性氣氛中2800℃的溫度下仍很穩(wěn)定，是良好的高溫固體潤(rùn)滑劑[6］。對(duì)于h－BN的研究，主要包括抗熱震性能和潤(rùn)滑性能兩個(gè)方面。一些學(xué)者分 別 研 究 了 Al2O3／h－BN[7－10］，Si3N4／h－BN[11－13］，AlN／h－BN[14，15］， SiC／h－BN[16，17］， SiO2／h－BN[18］，TiB2／h－BN[19］，B4C／h－BN[20］，ZrO2／h－BN[21］等復(fù)合陶瓷，發(fā)現(xiàn)h－BN的添加，可以有效地提高陶瓷材料的潤(rùn)滑性能和抗熱震性能。

本工作以TiB2為基體，WC為增強(qiáng)劑，h－BN為固體潤(rùn)滑劑，Ni和Mo為燒結(jié)助劑，采用熱壓燒結(jié)工藝制備了TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料，并研究了材料的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

采用的TiB2粉末和h－BN粉末購(gòu)自濰坊邦德特種材料有限公司，平均粒徑分別為2.5μm和1.5μm，純度均大于99.9%；WC粉末購(gòu)自廈門金鷺特種合金有限公司，平均粒徑為1μm，純度大于99.9%；燒結(jié)助劑Ni，Mo購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度分別為99.5%和99%。TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料組分配比如表1所示，其中試樣1和試樣2分別是添加10%（體積分?jǐn)?shù)，下同）h－BN和不添加h－BN的材料。按表1的配比稱量粉末，添加適量的無(wú)水乙醇，用攪拌器充分?jǐn)嚢瑁暦稚?0min，配制成懸浮液，再用硬質(zhì)合金球球磨48h，然后真空干燥48h，粉體過(guò)篩，密封保存。采用真空熱壓燒結(jié)工藝，將制備的粉體裝入石墨模具中冷壓15min，然后裝爐熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度1650℃，熱壓壓力25MPa，保溫時(shí)間30min，升溫速率10℃／min。

由于TiB2陶瓷材料具有良好的導(dǎo)電性能，制得的TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料采用電火花線切割加工。試樣經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、研磨、拋光，制成尺寸為3mm×4mm×35mm的樣條。采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度，跨距為20mm，加載速率為0.5mm／min；采用壓痕法測(cè)量陶瓷材料的斷裂韌性和硬度，加載載荷196N，保壓時(shí)間15s，在400倍光學(xué)顯微鏡下測(cè)量壓痕的大小和裂紋的長(zhǎng)度；采用阿基米德排水法測(cè)定材料的實(shí)際密度；采用FEI－quanta 200型環(huán)境掃描電鏡（SEM）觀察材料斷口形貌、晶界與晶粒情況和壓痕裂紋擴(kuò)展情況；采用BRUKER D8X－ray衍射儀（XRD）分析材料的物相，掃描角度20～80°；在MMW－1A組態(tài)控制萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上采用銷－盤配副形式進(jìn)行材料摩擦因數(shù)的測(cè)試，磨環(huán)材料為45＃鋼，加載載荷50N，轉(zhuǎn)速200r／min。

表1 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的組分配比（體積分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Compositions of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（volume fraction／%）

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的密度如表2所 示。 可 知，TiB2／WC／h－BN 自 潤(rùn) 滑 陶 瓷 材 料 與TiB2／WC陶瓷材料相比，相對(duì)密度較低，為97.5%，這是由于添加了10%的片狀結(jié)構(gòu)h－BN，降低了材料的致密度。

表2 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的密度Table 2 Density of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

2.2 力學(xué)性能

TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的力學(xué)性能如表3所示?？芍琓iB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的硬度為14.8GPa，與TiB2／WC陶瓷材料的硬度相近；斷 裂韌性為4.5MPa·m1／2，略低于TiB2／WC陶瓷材料；但抗彎強(qiáng)度降低明顯，僅為652MPa，這主要是由于h－BN自身的低強(qiáng)度所致。因此，固體潤(rùn)滑劑h－BN的添加，雖然降低了TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，但是對(duì)材料的硬度影響很小。

表3 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of TiB2／WC／h－BNself－lubricating ceramic material

固體潤(rùn)滑劑h－BN的添加，在改善材料摩擦性能的同時(shí)，力學(xué)性能均有不同程度的降低。如李永利等[22］制備的 Al2O3／h－BN 納米復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為451MPa和5.5MPa·m1／2。陳曉虎[23］制備的 Al2O3／h－BN 自潤(rùn)滑復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度為247.6MPa。陳永紅等[24］采用熱壓燒結(jié)工藝制備的 TiB2／h－BN／AlN復(fù)相陶瓷，最大抗彎強(qiáng)度為230MPa。

2.3 XRD分析

TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的XRD圖譜如圖1所示?？梢?jiàn)，TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的主晶相為 TiB2，WC，h－BN，同時(shí)還有生成物 W2C，TiC，Ni4B3和 MoNi4。其中，Ni4B3的生成是由于發(fā)生了界面反應(yīng)，但是輕微的界面反應(yīng)可以改善陶瓷材料的燒結(jié)性能[5］。

2.4 SEM 分析

圖1 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

圖2為 TiB2／WC和 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料斷面的SEM形貌。可以看出，在TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料中，TiB2晶粒的平均尺寸為2～3μm，片狀結(jié)構(gòu)的h－BN分布均勻，表面平整，邊緣光滑，顆粒發(fā)育良好；而TiB2／WC陶瓷材料中TiB2晶粒的平均尺寸為3～5μm，這表明固體潤(rùn)滑劑h－BN的加入，可以有效地抑制TiB2晶粒生長(zhǎng)，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。與 TiB2／WC 陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN 自潤(rùn)滑陶瓷材料中存在較多的氣孔，這是由于各向異性的片狀h－BN顆粒與TiB2顆粒的結(jié)合較弱。在TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料中，h－BN 會(huì)形成支架結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)過(guò)程中液相形成后顆粒之間的滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和重排受到阻礙，影響了自潤(rùn)滑陶瓷材料的致密化。

圖2 TiB2／WC／h－BN（a），TiB2／WC（b）陶瓷材料的斷面SEM 形貌Fig.2 SEM morphologies of fractures of TiB2／WC／h－BN（a）and TiB2／WC（b）ceramic materials

在TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的斷口處都有明顯的晶粒穿晶斷裂的斷面，這是典型的穿晶斷裂模式；還有凸起的晶粒和部分晶粒拔出后留下的凹坑，這是典型的沿晶斷裂模式。因此，TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的斷裂模式是穿晶／沿晶斷裂的混合型，但以穿晶斷裂模式為主。這種穿晶斷裂模式有利于提高自潤(rùn)滑陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。

圖3是TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料壓痕裂紋擴(kuò)展的SEM 形貌?？梢钥闯?，TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料壓痕裂紋的擴(kuò)展形態(tài)以裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)為主。由于TiB2，WC與h－BN的熱脹失配等的影響，當(dāng)裂紋沿著某個(gè)方向擴(kuò)展時(shí)，碰到增強(qiáng)相 WC或TiB2基體顆粒阻礙時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，消耗一部分?jǐn)嗔涯埽▓D3（b））。同時(shí)，當(dāng)延伸擴(kuò)展的裂紋遇到WC顆粒時(shí)，部分WC顆粒會(huì)起到橋接的作用，并在裂紋表面產(chǎn)生閉合應(yīng)力，抵消部分裂紋表面的應(yīng)力（圖3（a））。此外，由于 TiB2，WC與h－BN 的界面較弱，當(dāng)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到h－BN顆粒時(shí)，會(huì)沿著h－BN的界面擴(kuò)展，因而增加和改變了裂紋的擴(kuò)展路徑。幾種增韌機(jī)制的綜合作用，使得TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料能保持較高的斷裂韌性。

圖3 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料壓痕裂紋擴(kuò)展的SEM形貌 （a）裂紋橋聯(lián)；（b）裂紋偏轉(zhuǎn)Fig.3 SEM morphologies of indentation crack propagation for TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（a）crack bridging；（b）crack deflection

2.5 摩擦因數(shù)

h－BN具有良好的潤(rùn)滑性能，適合作為刀具材料中的固體潤(rùn)滑劑。TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的摩擦因數(shù)如圖4所示。TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的摩擦因數(shù)μ為0.3以下，TiB2／WC陶瓷材料的摩擦因數(shù)μ在0.45左右。實(shí)驗(yàn)表明，固體潤(rùn)滑劑h－BN的添加能改善材料摩擦性能。此外，孟慶昌等[25］研究了Si3N4／h－BN陶瓷復(fù)合材料的摩擦性能，當(dāng)h－BN的含量從0%增加到10%時(shí)，摩擦因數(shù)從0.85逐漸降低到0.65。與其他添加h－BN的自潤(rùn)滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料具有良好的力學(xué)和摩擦性能，有望在干切削加工中作為刀具材料得到應(yīng)用。

圖4 TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的摩擦因數(shù)Fig.4 The friction coefficient of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

3 結(jié)論

（1）采用真空熱壓燒結(jié)工藝制備了含10%h－BN的TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料，具有良好的力學(xué)性能，其相對(duì)密度為97.5%。

（2）在 TiB2／WC／h－BN 自潤(rùn)滑陶瓷材料中，各相晶粒分布均勻，片狀結(jié)構(gòu)的h－BN顆粒保存完整，可有效抑制基體TiB2晶粒的長(zhǎng)大。材料的斷裂模式是以穿晶斷裂為主的穿晶／沿晶斷裂的混合型。壓痕裂紋擴(kuò)展形貌分析表明，增韌機(jī)理主要是裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)。

（3）TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料的摩擦因數(shù)低于0.3。與其他添加h－BN的自潤(rùn)滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自潤(rùn)滑陶瓷材料具有良好的力學(xué)和摩擦性能，有望作為一種新型刀具材料，在干切削加工中得到應(yīng)用。

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