鈷鎳對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響

陳 敏，肖 玄，譚 斌，廖勇男

（攀枝花學院材料工程學院，四川 攀枝花 617000）

?

鈷鎳對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響

陳 敏，肖 玄，譚 斌，廖勇男

（攀枝花學院材料工程學院，四川 攀枝花 617000）

摘要：以TiC、VC、TiN為硬質相，添加金屬Co、Ni、Mo制備了TiVCN基金屬陶瓷。結合SEM＆EDS以及萬能力學測試試驗機研究了mCo/mNi對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響。研究結果表明：TiVCN基金屬陶瓷顯微組織由黑芯區(qū)、灰色包覆區(qū)和白色粘結相區(qū)組成。隨著mCo/mNi的增加，TiVCN基金屬陶瓷的力學性能下降。當mCo/mNi為1/4時TiVCN基金屬陶瓷的力學性能最佳。

關鍵詞：mCo/mNi；TiVCN；金屬陶瓷；顯微組織；力學性能

E-mail:cmrre@163.com

0　引　言

鈦基金屬陶瓷以其高強度、高硬度、耐磨耐腐蝕等優(yōu)良特性廣泛用于切削耐磨領域，用于節(jié)約和替代鎢基硬質合金具有較好的應用前景[1-6]。但鈦基金屬陶瓷的強韌性和鎢基硬質合金相比仍然存在一定的差距[7,8]。金屬Ni是鈦基金屬陶瓷常用的粘結劑，金屬Co由于其良好的韌性常作為添加劑使用，近年來的研究以硬質相對鈦基金屬陶瓷組織和性能的影響報道較多，而粘結相成分對鈦基金屬陶瓷組織性能的影響研究較少[9,10]。本文研究了Co、Ni作為粘結相總量一定的情況下，mCo/mNi對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響，為提高鈦基金屬陶瓷綜合性能以及成分優(yōu)化提供實驗依據。

1　實驗過程

實驗原料以市售微米粉TiC、VC、TiN為硬質相以及金屬粉Co、Ni、Mo為粘結相。試樣成分的質量配比見表1所示。

混合粉料在行星式球磨機內進行濕磨混勻，球磨時間為8 h，球磨轉速為200 r/min?；旌戏哿细稍锖笫謩訐饺脒m量汽油橡膠以提高粉體成形性，然后在350 MPa壓力下壓制成形。壓坯經真空燒結制得TiVCN基金屬陶瓷，燒結溫度為1430 ℃，保溫時間為1 h。

采用TESCAN VEGAⅡLMU型掃描電鏡對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織進行觀察并對不同組織區(qū)域進行EDS點掃描分析?？箯潖姸炔捎萌c彎曲法在CMT-5105型萬能力學性能測試機上進行，加載速度為0.5 mm/min；硬度在HV-50A型維氏硬度計上測量，加載載荷為20 Kg。

表 1　TiVCN基金屬陶瓷的成分設計 /wt.%Tab.1 Composition of TiVCN based cermets /wt.%

2　結果與討論

2.1TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織

不同mCo/mNi制備的TiVCN基金屬陶瓷背散射顯微組織如圖1所示。從圖1中可以看出，TiVCN基金屬陶瓷的背散射顯微組織由三種相區(qū)組成，顏色最暗的黑色相區(qū)所含元素的平均原子量偏低，灰色相區(qū)次之。黑色相區(qū)和灰色相區(qū)呈現不同程度的包覆結構，黑色相區(qū)為芯部，被灰色相區(qū)所包覆。該結構類似于TiCN基金屬陶瓷的經典芯-殼SS環(huán)形結構[11]。在相同的制備工藝參數條件下，當mCo/mNi為1/4時，TiVCN基金屬陶瓷中黑色相區(qū)的硬質相顆粒從亞微米到微米分布，灰色相區(qū)包覆黑色芯部相區(qū)。白色相區(qū)均勻分布。當mCo/mNi為1/2時，TiVCN基金屬陶瓷顯微組織中黑色硬質相顆粒和灰色包覆相區(qū)的分布類似于圖1(a)。當mCo/mNi增加到1時，TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織分布變差，尤以黑色相區(qū)硬質相顆粒分布不均勻最為明顯。由此可知，mCo/mNi的選擇對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織分布有較大的影響，當mCo/mNi為1/4時選取TiVCN基金屬陶瓷顯微組織中的黑芯-灰殼相區(qū)進行了EDS能譜分析。

2.2TiVCN基金屬陶瓷的硬質相成分分析

當mCo/mNi為1/4時，圖2為TiVCN基金屬陶瓷顯微組織中箭頭所指部位的元素組成及原子百分比。黑色芯部a相區(qū)的元素組成為Ti、C和N，灰色包覆殼b相區(qū)的元素組成為Ti、V、C、W、Mo。黑色芯部由未溶解的TiC和TiN組成，由于VC在Co、Ni粘結相中的溶解度可達10%，添加的VC在液相燒結過程中溶解到粘結相中[12]。根據EDS能譜半定量分析可知，Ti原子所占百分比(54.65 at.%)大于C原子和N原子所占百分比之和(45.35 at.%)，主要是由于液相燒結過程中N原子和Ti原子在粘結相中的溶解度差異太大，TiN分解后的部分 N原子結合成N2以氣體形式逸出所致。灰色包覆區(qū)中的原子分別為溶解在粘結相中的TiC、VC、WC、Mo在金屬陶瓷形成后期隨溶解度降低而析出的。Ti、V、Mo原子百分比例的高低與原料中加入的TiC、VC和Mo含量一致。W原子百分比例最低，是由于球磨罐內的鎢基硬質合金球研磨粉料過程中帶入的，為有益元素[13]。Mo固溶到粘結相中形成Mo2C，Mo2C以MoC形成析出，多余的Mo原子在粘結相中起固溶強化作用[14-15]。TiC、 VC、MoC、WC均為立方相晶體結構，固溶形成(Ti,V,Mo,W)C相。

圖1　不同mCo/mNi時TiVCN基金屬陶瓷的背散射電子像(a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1Fig.1 Backscattered electron images of TiVCN based cermets with different mCo/mNiratios (a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2　(c)mCo/mNi=1/1

2.3TiVCN基金屬陶瓷的粘結相成分分析

不同mCo/mNi所得TiVCN基金屬陶瓷背散射顯微組織中隨機選取白色相區(qū)進行EDS點掃描分析，其元素組成及重量百分比如圖3所示。從圖3中可以看出，白色相區(qū)主要由Co、Ni粘結相以及少量溶解在粘結相中起固溶強化作用的Ti、V、Mo組成。由于EDS能譜結果為半定量分析，Co、Ni原子重量百分比的增加與混合料中的mCo/mNi接近一致，點掃描區(qū)元素重量百分比之和約為1。由此可知，mCo/mNi的選擇影響TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織分布，進而影響TiVCN基金屬陶瓷的綜合力學性能。

圖2　TiVCN基金屬陶瓷的黑芯-灰殼相區(qū)EDS圖譜(a)黑色芯部相區(qū) (b) 灰色包覆相區(qū)Fig.2 EDS patterns of black core-grey shell region in TiVCN based cermets (a)black core region (b) grey shell region

圖3　不同mCo/mNi時TiVCN基金屬陶瓷白色相區(qū)的EDS圖譜(a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1Fig.3 EDS patterns of white regions in TiVCN based cermets with different mCo/mNiratios (a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1

2.4TiVCN基金屬陶瓷的力學性能

不同mCo/mNi制備的TiVCN基金屬陶瓷力學性能結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著mCo/mNi的增加，TiVCN基金屬陶瓷的力學性能值呈下降趨勢。當mCo/mNi從1/2增加到1/1時折線圖陡降明顯，硬度從HV1556降低到HV1453，抗彎強度從1051 MPa降低到843 MPa，分別下降了6.7%和19.7%。主要是由于TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織分布和成分決定的。當mCo/mNi從1/4增加到1/2時金屬陶瓷的力學性能有所下降，硬度從HV1608降低到HV1556，抗彎強度從1100 MPa降低到1051 MPa，分別下降了3.2%和4.5%。TiVCN基金屬陶瓷的力學性能變化趨勢和致密度的變化規(guī)律一致，結合TiVCN基金屬陶瓷的組織分析可知，mCo/mNi應小于1/2，實驗優(yōu)化參數以1/4為宜。

圖4　mCo/mNi對TiVCN基金屬陶瓷硬度和抗彎強度的影響Fig.4 Effect of mCo/mNion the hardness and blending strength of TiVCN based cermets

3　結　論

本文研究了mCo/mNi對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響，得到以下主要結論：

(1)當mCo/mNi從1/4增加到1/2時，TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織差異不大。當mCo/mNi增加到1時，TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織分布不均勻。

(2)TiVCN基金屬陶瓷的背散射顯微組織中黑色芯部由未溶解的TiC和TiN組成，灰色包覆區(qū)由固溶相(Ti,V,Mo,W)C組成，白色相區(qū)由Co、Ni及少量溶解在粘結相中起固溶強化作用的Ti、V、Mo組成。

(3)隨著mCo/mNi的增加，TiVCN基金屬陶瓷的力學性能降低。當mCo/mNi大于1/2時金屬陶瓷的硬度和抗彎強度降低明顯。當mCo/mNi為1/4時，TiVCN基金屬陶瓷的硬度為HV1608，抗彎強度為1100 MPa。

參考文獻：

[1]KIM W.Mechanical properties of (Ti,V)C-Ni composite prepared using ultrafine solid-solution (Ti,V)C phase[J].Ceramics International,2014,40:12579-12583.

[2]ZHENG Y,ZHONG J,LV X P,etal.Microstructureand performance of functionallygraded Ti(C,N)-base cermets prepared by double-glow plasma carburization[J].Journal of Materials Processing Technology,2014,44:109-112.

[3]夏光華,查麗霞,譚訓彥,等.成型壓力對Al2O3-TiC/Fe基金屬陶瓷材料致密度及力學性能的影響[J].陶瓷學報,2014,35(5):512-516.XIA Guanghua,et al.Journal of Ceramics,2014,35(5):512-516.

[4]LIN N,WU C H,HE Y H,etal.Effect of Mo and Co additions on the microstructure and properties of WC-TiC-Ni cemented carbides[J].Journal of Materials Processing Technology,2012,30:107-113.

[5]魯元,龔楠,荊強征,等.碳熱還原法制備多孔氮化鈦陶瓷[J].陶瓷學報,2014,35(2):177-181.LU Yuan,et al.Journal of Ceramics,2014,35(2):177-181.

[6]PENG Y,MIAO H Z,PENG Z J.Development of TiCN-based cermets:Mechanical properties and wear mechanism[J].International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,2013,39:78-89.

[7]孟祥龍,肖光春,王興海,等.熱壓工藝對Ti(C,N)基納米復合金屬陶瓷模具材料力學性能與微觀結構的影響[J].人工晶體學報，2015，44(6)：1668-1673.MENG Xianglong,et al.Journal of Synthetic Crystals,2015,44(6):1668-1673.

[8]汪中瑋.含6%Co亞微晶硬質合金性能的研究[J].稀有金屬與硬質合金,2013,41(4):54-57.WANG Zhongwei.Rare Metals and Cemented Carbides,2013,41(4):54-57.

[9]章曉波,劉寧,于超,等.納米TiN改性Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗熱震性能[J].硬質合金,2007,24(3):129-133.ZHANG Xiaobo,et al.Cemented Carbide,2007,24(3):129-133.

[10]張紅芹,劉寧,宋瑞穎,等.鎳鈷對超細Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響[J].硬質合金,2008,25(4):214-217.ZHANG Hongqin,et al.Cemented Carbide,2008,25(4):214-217.

[11]YING L,JIN Y Z,YU H J,et al.Ultrafine (Ti,M)(C,N)-based cermets with optimal mechanical properties[J].International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,2011(29):104-107.

[12]ZHENG Y,LIU W J,WANG S X,etal.Effect of carbon content on the microstructure and mechanical properties of Ti(C,N)-based cermets[J].Ceramics International,2004,30,2111-2115.

[13]JUNG J,KANG S.Sintered (Ti,W)Ccarbides[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,56:561-564.

[14]章曉波,劉.Mo含量對Ti(C,N)基金屬陶瓷組織和性能的影響[J].硬質合金,2006,23(3):160-163.ZHANG Xiaobo,et al.Cemented Carbide,2006,23(3):160-163.

[15]許育東,劉寧,石敏,等.Mo添加量對納米改性金屬陶瓷顯微組織的影響[J].礦業(yè)工程,2005,25(2):77-80.XU Yudong,et al.Mining Engineering,2005,25(2):77-80.

Effect of Ni-Co on the Microstructure and Mechanical Properties of TiVCN-based Cermets

CHEN Min,XIAO Xuan,TAN Bin,LIAO Yongnan
(Materials Engineering College of Panzhihua University,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

Abstract:TiVCN based cermets were prepared,using TiC,VC and TiN as solid phases and Co,Ni and Mo additives.The effect of mCo/mNion microstructure and properties were investigated using SEM,EDS,and mechanical properties tests.Results show that the microstructure of TiVCN based cermets was composed of black core,grey shell and white binder phase.The mechanical properties of TiVCN based cermets decreased with mCo/mNiincreasing.When mCo/mNiwas 1/4,the property of TiVCN based cermet was the best.

Key words:mCo/mNi; TiVCN; cermet; microstructure; mechanical properties

基金項目：四川省應用基礎研究項目(2014JY0132)；攀枝花市創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目(2015TX-11)；攀枝花市科技支撐項目(2015CY-G-18 ；2013CY-G-7；2014CY-G-26-1)。

收稿日期：2014-06-29。

修訂日期：2014-09-22。

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2016.01.010

中圖分類號：TQ174.75

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2016)01-0049-04

通信聯系人：陳敏(1985-)，女，博士，講師。

Received date:2014-06-29.Revised date:2014-09-22.

Correspondent author:CHEN Min(1985-),female,Doc.,Lecturer.