不同的Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷性能的影響

同艷維，李娜麗，方民憲

（1.攀枝花學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花學(xué)院 材料工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

不同的Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷性能的影響

同艷維1，李娜麗2，方民憲2

（1.攀枝花學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花學(xué)院 材料工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

采用粉末冶金的方法制備了不同Cu添加量的Ti（C, N）基金屬陶瓷，研究了不同的Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷的顯微組織、抗彎強度、致密度和導(dǎo)電性能的影響。結(jié)果表明，在Ti（C, N）、TiC、Ni、Co和Mo含量不變的情況下，改變金屬陶瓷中Cu含量，當(dāng)Cu含量占5 g時，Ti（C, N）基金屬陶瓷的綜合性能最好，其電阻率為7.358×10-6Ω·m，抗彎強度達(dá)到最大值，為50.637 MPa，致密度為98.5%。

Ti（C,N）基金屬陶瓷；電阻率；抗彎強度；致密度

0 引 言

目前，國內(nèi)外學(xué)者對Ti（C,N）基金屬陶瓷的性質(zhì)、應(yīng)用及制備方法進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的成果。攀枝花地區(qū)有豐富的鈦資源，開發(fā)Ti（C, N）是攀枝花地區(qū)發(fā)展高技術(shù)鈦工業(yè)重要的方向之一［1］。在W、Co資源逐漸枯竭的形勢下，Ti（C,N）基金屬陶瓷因其高熔點、高硬度和低密度作為W-Co類金屬陶瓷的替代品成了目前國內(nèi)外金屬陶瓷領(lǐng)域的重點研究熱點［2, 3］。鑒于Ti（C, N）基金屬陶瓷的一系列優(yōu)良的特征，人們對其制備方法及應(yīng)用研究現(xiàn)狀也做了大量的研究，并取得了相應(yīng)的成果［4-6］。除此之外，Ti（C, N）基金屬陶瓷在耐高溫?zé)g方面也有巨大的開發(fā)潛力，孟祥龍等［7］研究了熱壓工藝對Ti（C, N）基納米復(fù)合陶瓷磨具材料力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響，陳敏等［8］研究了鈷鎳對TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織和力學(xué)性能的影響。王鐵軍等［9］采用浸滲工藝試制TiC-Cu金屬陶瓷，用于耐高溫?zé)g材料方面作了很好的探索，然而正如該文所述，Cu對TiC的潤濕性很差，需加入適量的Ti和Ni改善陶瓷的性能。有關(guān)Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷力學(xué)及電學(xué)性能的影響的研究報道較少，本文考察了不同Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷性能的影響，主要研究不同的Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷的顯微組織、電阻率、抗彎強度和致密度的影響。

1 實驗方法

1.1 材料制備

本實驗樣品是通過粉末冶金方法真空燒結(jié)制備的。所用粉末均為市售粉末，粉末純度和粒度如表1所示，將粉末以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比例進(jìn)行配料如表2所示，混料均勻后，加入適量的成型劑，在YA32-40四柱式液壓機上壓制成形，壓制壓力為30 MPa，壓制試樣的尺寸為（42 mm×13 mm×10 mm）然后在真空燒結(jié)爐中脫膠、燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300 ℃，保溫2 h。

1.2 性能測試

用TESCAN VEGA II LMU型掃描電鏡對Ti（C, N）基金屬陶瓷顯微組織進(jìn)行觀察。利用QJ44型攜帶式直流雙臂電橋儀器測試了燒結(jié)材料的室溫電阻，抗彎強度采用三點彎曲法在558X落地式萬能力學(xué)試驗機進(jìn)行測試，用排水法測量了金屬陶瓷的密度。

表1　原料的純度（%）和粒度（μm）Tab.1 Purities and particle sizes of raw materials

表2　試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量/g）Tab.2 Chemical composition of the sample

圖1　1# 和4#的SEM圖Fig.1 SEM images of samples #1 and #4

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti（C,N）基金屬陶瓷的顯微組織

圖1（a）和圖1（b）分別為1# 和4# 金屬陶瓷經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的掃描電鏡照片，從圖中可以看出，相同放大倍數(shù)下不同Cu含量添加的Ti（C, N）基金屬陶瓷的的顯微組織明顯變大，陶瓷材料的孔隙率增大。這主要是由于在高溫?zé)Y(jié)過程中，在液相形成時，部分硬質(zhì)相Ti（C, N）將會溶解到液相中，而由于硬質(zhì)相Ti（C, N）和粘結(jié)相Cu的潤濕性能不好，從而導(dǎo)致金屬陶瓷的孔隙率增大。

2.2 Cu對Ti（C, N）基金屬陶瓷電阻率的影響

如圖2所示為不同的Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷電阻率的影響。從圖中可以看出來，隨著Cu的加入量的增加，Ti（C, N）基金屬陶瓷的電阻率逐漸增加，當(dāng)Cu的加入量為4 g時，電阻率略有降低，而后又逐漸增加，可能是由于硬質(zhì)相Ti（C,N）和粘結(jié)相Cu的潤濕性能得到改善，從而導(dǎo)致金屬陶瓷的孔隙率減小，電阻率降低。綜合分析，電阻率的增大的幅度較小，電阻率的值都保持在同一個數(shù)量級。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然Cu的電阻率很小，但是在Ti（C, N）金屬陶瓷中添加Cu，并不是隨著Cu的加入量的增加電阻率減小，反而電阻率還有所升高。

從試驗結(jié)果可以看出，隨著Cu的加入量增加，Ti（C, N）基金屬陶瓷電阻率有較小的增大。在金屬陶瓷中，隨著Cu含量的增加，已有的研究發(fā)現(xiàn)TiC和Cu的相互溶解度很小，Cu對TiC的潤濕性較差，即使在高溫下潤濕角仍較大，真空狀態(tài)下1200 ℃，潤濕角為109 °［10, 11］，這不利于形成良好的界面結(jié)合，金屬相Cu不能充分充填陶瓷相TiC顆粒之間的間隙。故隨著Cu含量的增加，孔隙率呈上升趨勢，從而使電阻率升高，即電導(dǎo)率降低。除此之外，隨著Cu含量的增加，粘結(jié)相Ni的相對含量減少，且Cu對Ti（C, N）基金屬陶瓷的潤濕性較差，在液相燒結(jié)過程中Ti（C, N）顆粒與金屬Cu的結(jié)合較松散，Ni對Ti（C, N）顆粒的粘結(jié)作用也隨著Cu含量的增加而減弱，故隨著Cu含量的增加，Ti（C, N）顆粒的結(jié)合越松散，從而使得金屬陶瓷的電阻率反而升高。

2.3 Cu對Ti（C,N）基金屬陶瓷抗彎強度的影響

如圖3所示為不同Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷試樣抗彎強度的影響。從圖中可以看出，隨著Cu的加入量的增加，Ti（C, N）基金屬陶瓷的抗彎強度在逐漸減小。這主要是由于影響金屬陶瓷的抗彎強度的因素有金屬陶瓷的成分，熱處理工藝以及金屬陶瓷的形狀結(jié)構(gòu)，在本實驗中添加Cu元素之后，由于新添加的Cu元素與基體陶瓷的潤濕性能不好，使得Ti（C, N）顆粒的結(jié)合越松散，從而導(dǎo)致金屬陶瓷的抗彎強度隨著Cu含量的增加逐漸減低。

2.4 Cu對Ti（C, N）基金屬陶瓷致密度的影響

對于金屬陶瓷，可以采用阿基米德排水法測定材料的致密度，金屬陶瓷的致密度的大小，直接影響金屬陶瓷的各項性能，包括力學(xué)性能及電學(xué)性能，因此研究不同Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷致密度的影響很有必要。采用阿基米德排水法測定各樣品的密度，并計算樣品的致密度。如圖4所示為不同Cu含量對Ti（C, N）基金屬陶瓷致密度的影響，從圖中可以看出來，隨著Cu的加入量的增加，金屬陶瓷的致密度逐漸減小。致密度減小也就是金屬陶瓷中存在一定的孔隙率，這主要是由于隨著金屬陶瓷中Cu含量的增加，Cu與Ti（C, N）基體陶瓷的潤濕性能不好造成的。

圖2　Cu對Ti（C, N）基金屬陶瓷電阻率的影響Fig.2 Effect of Cu content on resistivity of Ti（C，N）-based cermets

圖3　Cu對Ti（C,N）基金屬陶瓷抗彎強度的影響Fig.3 Effect of Cu content on fexural strength of Ti（C，N）-based cermets

圖4　Cu對Ti（C,N）基金屬陶瓷致密度的影響Fig.4 Effect of Cu content on density of Ti（C，N）-based cermets

4 結(jié) 論

本文研究了不同Cu含量的添加對Ti（C, N）基金屬陶瓷性能的影響，主要得到的結(jié)論為：

（1）在相同放大倍數(shù)下，不同Cu含量添加的Ti（C,N）基金屬陶瓷的的顯微組織研究表明，隨著Cu含量的增加，金屬陶瓷顯微組織結(jié)構(gòu)明顯變大，材料的空隙率也隨之增大，主要是由于Cu與硬質(zhì)相的潤濕性能不好導(dǎo)致。

（2）隨著Cu加入量的增加，金屬陶瓷的電阻率增大，抗彎強度也隨著Cu的加入量的增加而降低，金屬陶瓷的致密度先減小，后稍有增大。綜合分析，當(dāng)金屬陶瓷中Cu含量為5 g時，Ti（C, N）基金屬陶瓷的綜合性能最好，其電阻率最低，為7.358×10-6Ω·m，抗彎強度達(dá)到最大值，為50.637 MPa，致密度達(dá)到98.5%。

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date: 2016-01-10.Revised date: 2016-0-29.

Effect of Cu Content on Properties of Ti（C，N）- based Cermets

TONG Yanwei1，LΙ Nali2，F(xiàn)ANG Minxian2
（1.College of Biological and Chemical Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 61700，Sichuan，China；2.College of Materials Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 61700，Sichuan，China）

A series of Ti（C，N）-based cermets with different content of Cu were prepared by means of powder metallurgy process.The effects of Cu addition amount on their microstructure，bending strength，resistivity and density were investigated.The results show that the cermet with 5 g of Cu has the resistivity of 7.358×10-6Ω · m，the highest bending strength of 50.637 MPa and the density of 98.5%.

Ti（C，N）-based cermets；resistivity；bending strength；density

TQ174.75

A

1000-2278（2016）04-0357-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.006

2016-01-10。

2016-03-29。

四川省教育廳科研項目（15ZB0426）；攀枝花市科技項目（2015CY-S-11）；釩鈦資源綜合利用重點項目（VTZ-2015003）。

通信聯(lián)系人：同艷維（1984-），女，博士，講師。

Correspondent author:TONG Yanwei（1984-），female，Ph.D.，Lecturer.

E-mail:317435736@qq.com