N含量对Ti(C,N)基金...瓷微观组织结构和性能的影响_罗双兰.pdf

第 37 卷 第 5 期 2023 年 9 月湖南工业大学学报Journal of Hunan University of TechnologyVol.37 No.5 Sep.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2023.05.008收稿日期：2023-03-24基金项目：湖南省教育厅科研基金资助项目（21B0542）；湖南省自然科学基金资助项目（2023JJ50182，2022JJ50086，2020JJ6069）作者简介：罗双兰（1997-），女，湖南攸县人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为硬质合金材料，E-mail：通信作者：彭英彪（1987-），男，湖南株洲人，湖南工业大学副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为硬质合金设计和开发，E-mail：N 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和性能的影响罗双兰1，刘 钢2，陈信锗2，颜练武1，何世文1，周 伟1，彭英彪1（1.湖南工业大学 先进包装材料研发技术国家地方联合工程研究中心，湖南 株洲 412007；2.株洲欧科亿数控精密刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007）摘要：针对 Ti(C,N)基金属陶瓷在烧结过程中存在明显脱氮行为的问题，采用氮分压烧结方法是实现微观组织结构可控和获得优异性能的关键之一。制备了 3 种不同氮含量的 Ti(C,N)基金属陶瓷，研究了氮含量和烧结温度对合金芯部和表面梯度层微观组织结构和性能的影响。结果表明：随着氮含量增加，合金芯部Ti(C,N)黑芯数量越多，黑芯外环的厚度越薄，同时硬质相晶粒越细；随着烧结温度升高，样品氮分解压力逐渐增大，由开始的渗氮现象转变为脱氮现象。当烧结温度为 1 470 时，合金表面发生了渗氮反应，形成一层无环黑芯聚集层，且其厚度随着合金氮含量的增加而减少；当烧结温度增加至 1 530 时，合金表面发生了脱氮反应，形成了一层灰色固溶体层，且随着合金中氮含量的增加，脱氮反应加剧，固溶体层厚度也越厚。研究发现，在 1 470 和 0.8 kPa 氮分压下烧结的样品，为含氮量最高的合金，具有最薄的黑芯聚集层和最细的硬质相晶粒，表现出较佳的综合性能。关键词：氮含量；Ti(C,N)基金属陶瓷；微观组织结构；表面梯度层；力学性能中图分类号：TG148 文献标志码：A 文章编号：1673-9833(2023)05-0060-08引文格式：罗双兰，刘 钢，陈信锗，等.N 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和性能的影响 J.湖南工业大学学报，2023，37(5)：60-67.Effects of N Content on the Microstructure and Properties of Ti(C,N)-Based CermetsLUO Shuanglan1，LIU Gang2，CHEN Xinzhe2，YAN Lianwu1，HE Shiwen1，ZHOU Wei1，PENG Yingbiao1（1.National&Local Joint Engineering Research Center for Advanced Packaging Material and Technology，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.OKE Precision Cutting Tools Co.,LTD.，Zhuzhou Hunan 412007，China）Abstract：In view of the obvious denitrification phenomenon of Ti(C,N)-based cermets in the process of sintering,nitrogen partial pressure sintering method has been adopted as one of the keys to achieving a controllable microstructure with an optimized performance.Three Ti(C,N)-based cermets are prepared with different nitrogen contents,followed by a study on the effects of nitrogen content and sintering temperature on the microstructure and 61properties of the alloy core and surface gradient layers.The results show that as the nitrogen content increases,the number of Ti(C,N)black cores in the alloy core increases as well,the thinner the thickness of the outer rim of the black core,the finer the hard phase grains will be.The nitrogen decomposition pressure of the sample gradually increases correspondently with an increase in the sintering temperature,transforming from an initial nitriding process to a subsequent denitrification phenomenon.At a sintering temperature of 1 470 ,nitriding reaction occurs on the surface of the alloy,forming a rimless black core aggregation layer on the surface,its thickness decreasing with the increase of nitrogen content of the alloy.When the sintering temperature reaches 1 530 ,denitrification reaction occurs on the surface of the alloy,forming a layer of gray solid solution.With the increase of alloy nitrogen content,the more intense the denitrification reaction,the thicker the solid solution layer will be.It is found that the alloy with the highest nitrogen content has the the thinnest black core aggregation layer and the finest hard phase grains in the samples sintered at 1 470 and 0.8 kPa nitrogen partial pressure,exhibiting a better comprehensive performance.Keywords：N content；Ti(C,N)-based cermets；microstructure；surface gradient layer；mechanical property1 研究背景由于 Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的红硬性、良好的化学稳定性和较低的摩擦因数，因而被广泛地用作切削刀具、玻璃热弯模具、轴承等耐磨零件1-3。然而，与 WC-Co 硬质合金相比，Ni/Co 对 Ti(C,N)的润湿性较差，从而导致 Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结性能不理想，产品的强韧性较差3-4。通常在 Ti(C,N)基金属陶瓷中加入 WC、Mo2C、TaC 等碳化物，可以使其形成具有“芯-环”典型结构的硬质相，该结构可有效提高合金的润湿性5-6、高温红硬性能和抗氧化性能2,4,7-8。金属陶瓷中的“芯-环”结构是在溶解和析出过程中逐渐形成的9-10，其核芯部分为未溶解的Ti(C,N)，边缘的环相为外延沉积的(Ti,M)(C,N)1-3。Ti(C,N)芯相比环相具有更高的硬度，可使刀具产品更为锋利2,11，环相结构能够增加合金的润湿性，从而提升合金的烧结性能，以及硬质相与黏结相的界面强度2。精确控制“芯-环”相的组织结构是解决金属陶瓷强韧性低的关键之一，因而一直受到研究者们的广泛关注。已有研究结果表明，Ti(C,N)基金属陶瓷“芯-环”结构的形成机制主要是 Ostwald 溶解再析出9,12。目前，已有学者研究了粗 Ti(C,N)粒径的添加量13、二次碳化物的添加量14-15、黏结剂含量16-17、烧结工艺18-20等因素对金属陶瓷“芯-环”结构和性能的影响。此外，Liu N.等21发现合金中的碳含量对金属陶瓷的“芯-环”结构和性能影响也很大。然而，到目前为止，关于合金氮含量对Ti(C,N)基金属陶瓷的影响的研究报导很少，尤其是对于表面组织的影响研究更少。鉴于此，本研究拟通过调节 Ti(C,N)和 TiC 原料粉末的添加质量分数，设计并且制备具有不同氮含量的 Ti(C,N)基金属陶瓷，系统研究氮含量、烧结氮分压（0.8 kPa）以及烧结温度（1 470,1 530）对Ti(C,N)基金属陶瓷“芯-环”结构、表面梯度层组织以及性能的影响。2 实验部分2.1 Ti(C,N)基金属陶瓷制备本研究中所采用的粉末原料的主要技术参数如表1 所示。通过调节 Ti(C,N)和 TiC 原料粉末的含量，设计了 3 种不同氮含量成分的合金，合金组分的含量如表2 所示。表 1 原料粉末的相关参数及来源 Table 1 Parameters and resources of raw powders原料TiC0.5N0.5TiCCoNiWCTaCNbC纯度 99.5FSSS 粒度1.41.52.02.01.91.22.3来源株洲红日新材料科技有限公司格林美股份有限公司株洲红日新材料科技有限公司罗双兰，等N 含量对 Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和性能的影响第 5 期表 2 Ti(C,N)基金属陶瓷的组分质量分数 Table 2 Composition of Ti(C,N)-based cermets%cermets sampleABCTi48.148.148.1W151515Co101010Ni555Ta666Nb333C7.26.86.3N5.76.16.662湖南工业大学学报 2023 年将 Ti(C,N)、TiC、WC、Co、Ni、TaC、NbC 原料粉末按表 2 中所示名义成分进行称量，并加入质量分数为 3%的石蜡。将称量好的混合粉末和硬质合金磨球（球料比为 8:1）装入硬质合金球磨罐中，并以酒精为球磨介质，以 250 r/min 的转速球磨 24 h。球磨后的浆料经过真空干燥后，在 200 MPa 压力下压制成 25.0 mm8.0 mm6.5 mm 的试样条，随后分别在高温真空碳化/氮化炉（25 kW-1800，株洲帝源粉末冶金炉有限公司）以 1 470,1 530 以及 0.8 kPa烧结氮气分压下液相烧结 2 h。图 1 展示了具有控制烧结气氛压力能力的烧结设备和烧结工艺曲线。2.2 样品表征 本研究中，利用扫描电子显微镜（SEMNOVATM NanoSEM 230，Holland）来表征 Ti(C,N)基金属陶瓷芯部和表面的微观组织结构。使用 Na