氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究_张岩.pdf

第 卷 第期中 国 机 械 工 程 年月 氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究张岩黄传真，刘含莲 先进射流技术研究中心，高效清洁机械制造重点实验室（教育部），国家机械工程实验教学示范中心（山东大学），山东大学机械工程学院，济南，燕山大学机械工程学院，秦皇岛，摘要：采用热压烧结工艺，以（，）为添加相，以 、和 为金属相，成功制备了氮化碳（）基陶瓷刀具材料，测量了其断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度，分析了其微观组织。结果表明，在烧结温度为 、保温时间为 和烧结压力为 的工艺条件下，（，）质量分数为 、质量分数为 的基陶瓷刀具材料力学性能最优。合适的 （，）含量能细化晶粒、提高烧结密度、改善力学性能，合适的 含量能使微观组织细小均匀。关键词：基陶瓷刀具材料；力学性能；微观组织；组分含量；烧结工艺中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：，（），（），：，（，），（，），（，），：；收稿日期：基金 项 目：山 东 省 自 然 科 学 基 金 重 大 基 础 研 究 项 目（）引言氮化碳（）是一种新型材料，其理论硬度能与金刚石相媲美。它具有许多类似于金刚石的特性，如导热性好、耐磨性好、摩擦因数小等，同时它又具备一些金刚石没有的特性，如化学稳定性好、耐氧化等，可用来加工耐热合金等难加工材料。但目前关于制备与应用的研究进展缓慢。晶体的制备并不是很理想。考虑到自然界中至今尚未发现晶体，人们曾采用各种手段试图在实验室制备这种非极性共价键化合物。常用的制备方法有高压热解、离子注入、离子束沉 积、反 应 溅 射、化 学 气 相 沉 积 等。在切削加工方面的应用目前大部分仅集中在刀具涂层领域。武汉大学于国内首次研究了在刀具上镀薄膜，后续还在高速钢和硬质合金刀具基体上沉积薄膜并测量了薄膜的显微硬度值，结果显示涂层会提高刀具的表面硬度 。切削实验结果显示，涂层刀具的切削性能良好，使用寿命显著延长 。本文研制了具有较高力学性能的基陶瓷刀具材料，研究了添加相（，）含量、金属相 含量、烧结温度和保温时间对基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响，并根据影响规律优化了刀具材料的组分含量和烧结工艺参数。试验方法 材料制备实验采用作为基体，购自厦门市十一维纳米材料研究所，平均粒度，纯度 。添加相（，）以及金属相 、和 均购自上海超威纳米科技有限公司，平均粒度均为，纯度均为 。制备了不同组分含量的 基陶瓷刀具材料。首先将各种原始粉末单独球磨。然后根据材料组分配比将各种原始粉末混合球磨，球磨后的粉体在 下真空干燥后过 目筛，得到混合均匀的复合粉体。最后封装备用。采用真空热压烧结方式。将混合均匀的复合粉体压入石墨模具，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，按照相应的烧结工艺参数进行烧结。试样处理烧结后得到直径为、厚度为的基陶瓷刀具材料坯体，用电火花数控线切割机床将其切割成宽度为的样条，再经过研磨和抛光，制成尺寸为 的标准试样，然后进行断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度的测量以及微观组织的观察。采用三点弯曲法测量试样的抗弯强度（设备型号，中国）。采用维氏硬度计和压痕法测量试样的维氏硬度和断裂韧度（设备型号 ，中国）。每组取个试样测量结果的算术平均值。利用扫描电镜（，设备型号 ，日本）观察材料的断口形貌和抛光面形貌。利用 衍射（，设备型号 ，日本）分析材料的物相组成。试验结果分析与讨论（，）含量对刀具材料力学性能和微观组织的影响本节研究了添加相 （，）含量对 基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响规律，进而优化得出使刀具材料具有较好力学性能的 （，）含量。选定添加相 （，）质量分数优化 范 围 为 。选 定 烧 结 温 度 为 、保 温 时 间 为 和 烧 结 压 力 为 的烧结工艺。（，）含量的组分配比方案见表。图所示为 （，）含量对材料 、和 断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度的影响情况（除特殊说明外，本文误差棒均对应标准差）。由图 图 可知，随着 （，）含量的增加，刀具材料的断裂韧度先增大后减小，抗弯强度呈整体增大趋势，维氏硬度先增大后减小。使材料具有较好力学性能的 （，）含量为，即刀具材料 （，）（简称 ），其断裂韧 度、抗弯 强 度 和 维 氏 硬 度 分 别 为 、和 。表不同（，）含量的基陶瓷刀具材料组分配比 （，）材料编号（，）（）（，）含量对断裂韧度的影响（）（，）含量对抗弯强度的影响（）（，）含量对维氏硬度的影响图（，）含量对刀具材料力学性能的影响（，）（，）（，）图所示为（，）含量对基陶瓷刀具材料抛光面 图谱的影响情况。由图及物相分析可知，中主要物相都包括基体相、添加相 （，）以及少量 、和金属间化合物 ，这表明有部分氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究 张岩黄传真刘含莲和（，）发生了分解或扩散，使原子、原子和 原子进入液相与金属相结合，形成了新物相。对比 的图谱发现，当添加相（，）含量较低时，存在少许金属碳化物和氮化物的杂峰，这些杂峰产生的原因是基体相 的分解以及与金属液相之间的固溶反应。随着 （，）含量的增加，杂峰有变少的趋势，而表征基体相的主衍射峰逐渐变高。这一方面说明烧结过程中产生的 原子与金属液相原子间的结合能力较强，夺走了原先与、原子结合的金属原子，使金属碳化物和氮化物减少；另一方面也印证了（，）能够抑制分解和相变，促进了晶粒成形，从而提高了材料中基体相含量，这有助于发挥基体相性能上的优势。因此，基（）各物相的综合 图谱（）的 图谱（）的 图谱（）的 图谱（）的 图谱图不同（，）含量的刀具材料的 图谱（，）（，）（，）陶瓷刀具材料的力学性能随着添加相（，）含量的增加而大致呈整体增大的趋势。图所示为（，）含量对基陶瓷刀具材料断口微观组织的影响情况。对比图 图 可见，的晶粒尺寸明显大于 、和 的晶粒尺寸，说明当添加相 （，）含量从 升至 后，在刀具材料烧结过程中晶粒的长大受到了一定程度的抑制。但是随着 （，）含量进一步从 升至 后，晶粒尺寸的变化不再明显，说明过量 （，）的添加无益于晶粒细化。而且 的间隙和孔洞明显、晶粒结合松散，随着添加相（，）含量的提高，晶粒结合情况逐渐得到改善，在 和 中晶粒交界处的缺陷减少，说明（，）的加入能有效地促进烧结致密化。此外，图各分图中都可以观察到较清晰的晶界，断裂面中存在大量晶粒拔出残存的凸起和凹坑以及少量解理面痕迹。这表明刀具材料 、和 的断裂机制都以沿晶断裂为主、穿晶断裂为辅。（）（，）（）（，）（）（，）（）（，）图不同（，）含量的刀具材料的断口 图（，）（，）（，）总之，（，）含量过少则导致强化作用较弱；（，）含量过多则会产生团聚、气孔等缺陷，导致材料相对密度降低。因此，使 基陶瓷刀具材料具有较好力学性能的 （，）含量为 ，此时刀具材料的断裂韧度为 、抗弯强度为 、维氏硬度为 。含量对刀具材料力学性能和微观组织的影响在节确定的 （，）最优含量 的基础上，研究了 含量对材料力学性能和微观组织的影响。选定 含量的优化范围为。选定烧结温度为 、保温时中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月间为 和烧结压力为 的烧结工艺。含量的组分配比方案见表。图所示为 含量对基陶瓷刀具材料的断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度的影响情况。由图 图 可知，随着 含量的增加，刀具材料的断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度都是先增大后降低。使材料具有较好力学性能的 含量为（含量为、含量为），即刀具材料表不同 含量的基陶瓷刀具材料组分配比 材料编号（，）（）（）含量对断裂韧度的影响（）含量对抗弯强度的影响（）含量对维氏硬度的影响图 含量对刀具材料力学性能的影响（，）（，）（，）（简称 ），其断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度分别为、和 。图所示为 含量对 基陶瓷刀具材料断口 形貌的影响情况。对比图 图 可见，刀具材料中存在较多小孔洞（孔洞如图中圆圈所示），晶粒分布的均匀性较差，说明此种含量的金属液相不足以润湿晶粒和使材 料 烧 结 致 密。与 相 比，和 的晶粒尺寸和晶粒分布情况得到了明显改善，孔洞减少，晶粒细化均匀且晶界之间的结合紧密，说明随着 含量的增加，金属液相有效地分散在大颗粒间隙中，和（，）的晶粒边界得到了充分润湿，形成了连续晶界相，颗粒受金属液相黏性流动的影响而发生位移，在强晶界运动驱动力作用下运动速率加快，气孔消除、颗粒重排，使颗粒分布更紧密，刀具材料的相对密度得到提高 。当 含 量 由 进 一 步 增 加 后，和 的晶粒分布情况恶化，出现了粗大晶粒和晶粒团聚现象，这表明此含量的金属相造成了晶粒过度长大。此外，从图 图 中的（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）图不同 含量的刀具材料的断口 图（，）（，）断口形貌可见，刀具材料的断口晶界清晰，呈明显的凹凸不平形态，表明断裂机制为沿晶断裂。与 的断口上氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究 张岩黄传真刘含莲沿晶断裂凸起与凹坑的痕迹以及穿晶断裂解理面的痕迹 并 存，因 此 断 裂 机 制 为 混 合 断 裂。与 的断口则表现出台阶状解理面特征，说明断裂机制以穿晶断裂为主。总之，含量为时有利于使材料形成晶粒细化且分布均匀的微观组织，并使材料获得更好的力学性能。此时刀具材料 断裂韧度为 、抗弯强度为 、维氏硬度为 。烧结温度和保温时间对刀具材料力学性能和微观组织的影响选定刀具材料 进行烧结工艺参数的优化，主要研究烧结温度和保温时间对材料力学性能和微观组织的影响。选定烧结温度范围为 、保温时间范围为 ，烧结温度和保温时间的设置方案见表。表基陶瓷刀具材料烧结工艺参数设置方案 烧结温度（）保温时间（）烧结压力（），图所示为在保温时间为 和烧结压力为 的烧结工艺下，烧结温度对刀具材料 断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度的影响情况。由图 图 可知，随着烧结温度的升高，刀具材料的断裂韧度和抗弯强度都是先增大后降低，维氏硬度逐渐降低。烧结温度为 时材料力学性能较好，此时 断裂韧度为 、抗弯强度为 、维氏硬度为 。图所示为在保温时间为 和烧结压力为 的烧结工艺下，烧结温度对刀具材料 断口 形貌的影响情况。由图 可见，当烧结温度为 时，材料中的晶粒尺寸均一，内部孔洞和微裂纹等缺陷较少，因此其硬度较高。较低的烧结温度导致基体相 晶粒生长不充分，形成细小的、有缺陷的晶粒结构，界面结合强度不高。断裂方式以沿晶断裂为主，此时材料的抗弯强度和断裂韧度不高。由图 可见，当烧结温度升至 时，材料 的微观组织逐渐均匀致密，晶粒有所长大但形成了相互嵌套的紧密微观结构，界面结合强度较高，断裂方式转变为沿晶断裂和穿晶断裂并存的混合断裂，有利于获得较好的力学性能。对比图 图 可见，随着烧结温度的升高，晶粒尺寸逐渐变大，这是因为液相的流动速度受温度升高的（）不同烧结温度下材料的断裂韧度（）不同烧结温度下材料的抗弯强度（）不同烧结温度下材料的维氏硬度图烧结温度对刀具材料力学性能的影响（，）（，）（）（）（）（）图不同烧结温度下刀具材料的断口 图（，）（，）影响而加快，加速了基体相和添加相的溶解析出，使晶粒逐渐长大 。当烧结温度由 升高至 时，晶粒长大比较明显，此时由于基体相和添加相的过度溶解，导致材料中产生较多粗大晶粒，恶化了材料的力学性能。总之，在 烧 结 时，刀 具 材 料 中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月 的可烧结性较好，能够充分发挥基体相和添加相的优势，使材料力学性能提高。此时材料的断裂韧度为 、抗 弯 强 度 为 、维氏硬度为 。图所示为在烧结温度为 和烧结压力为 的烧结工艺下，保温时间对陶瓷刀具材料 断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度的影响情况。由图 图 可知，随着保温时间的延长，材料的断裂韧度和维氏硬度先增大后 降 低，抗 弯 强 度 逐 渐 降 低。保 温 时 间 为 时材料力学性能较好，此时 断裂韧度为 、抗弯强度为 、维氏硬度为 。（）不同保温时间下材料的断裂韧度（）不同保温时间下材料的抗弯强度（）不同保温时间下材料的维氏硬度图保温时间对刀具材料力学性能的影响（，）（，）图所示为在烧结温度为 和烧结压力为 的烧结工艺下，保温时间对刀具材料 断口微观组织的影响情况。由图 可见，当保温时间为 时，微观组织致密，断口呈现穿晶断