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铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的显微组织和力学性能

时间: 2011-07-07 02:51 来源: 作者: 韩成良 刘宁 许育东 晁晟 点击:
1 前言

纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷与传统Ti(C,N)基金属陶瓷相比,具有优良的综合性能,因而被广泛用作材料。随着制造技术的发展,金属陶瓷强度和韧性得到不断提高,刀具的抗塑性变形和抗崩刃性能也有所改善;并且,刀具的高温强度和高温硬度、导热性和耐冲击性也都有所提高,使其不仅可用于钢材和铸铁的精加工,而且可成为粗加工、铣削等断续切削适宜的刀具材料。当前,的使用量仅次于和,随着数控和专用铣床的普及,铣刀的使用量越来越大。由于铣削过程采用大进给量的倾向日趋加强,因此,加工条件也越来越恶劣,对铣削刀片用刀具材料的稳定性要求越来越高。另外,用于断续铣削的铣刀与连续切削的车刀相比,铣刀在使用中因承受反复的冲击容易发生脆性破损。为此,研制和开发高强韧性铣削刀片,特别是用纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料就显得尤为必要。目前,在国内尽管已有许多有关铣削刀片用刀具材料的报道。但是,对铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的研究还未见报道。本文即研究铣削用纳米改性金属陶瓷的显微组织和力学性能,为其下一步用作铣刀刀具材料提供理论指导。

2 实验方法

1) 材料制备

铣削刀片用纳米改性金属陶瓷试样的化学成分如表1所示。首先,用ZB220-T型超声波对纳米TiN粉进行分散,混料后加入适量无水乙醇并置于QM-1F行星式球磨机上进行球磨24h。待混合料干燥后,加入一定量的汽油橡胶溶液进行造粒,然后,在约200MPa压力下模压成形,最后,在1440℃温度下真空烧结1h。

表1 铣削用纳米改性金属陶瓷试样的化学成分

2) 组织观察

试样表面经1µm金刚石抛光膏抛光后,用m(HF):n(HCI)=1:1的混合酸进行长时间热腐蚀后并用清水冲洗干净,然后,在HITACHI X-650型扫描电镜上观察显微组织。断口形貌观察在LEO-1530VP型扫描电镜上进行。

3) 抗弯测试三点弯曲实验

在MTS801-23型试验机上进行。试样尺寸为30mm×5mm×5mm;跨距为20mm,压头速度为1mm/min。实验采用单边切口梁法测断裂韧性,试样尺寸为30mm×5mm×2.5mm,试样切口用金刚石刀片切出宽0.15~0.20mm的缺口,切口深度a为0.5mm,切口尖端曲率半径在0.1~0.2mm之间,跨距为20mm,加载速率为0.05mm/min。用此方法计算试样的断裂韧性KIC的公式为


式中Y=1.93-3.07(a/h)+14.53(a/h)2-25.11(a/h)3+25.8(a/h)4

3 结果与讨论

1) Mo添加量对显微组织的影响

由图1可以看出,铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的组织仍为陶瓷相和金属相两相;基体组织中较粗大的陶瓷相呈芯/壳结构,即TiC芯外包覆有一层硬质相(Ti,Mo,W)(C,N)即“SS”相)。环形相(“SS”相)形成能有效抑制基体Ti(C,N)晶粒的长大,从而提高了材料的力学性能;它的形成是由于WC、Mo2C及Ti(C,N)向液相中溶解和在粗Ti(C,N)颗粒上再析出的结果。


(a) 12Ni-12Co-4Mo (b) 16Ni-8Co-6Mo (c) 18Ni-6Co-15Mo
图1 铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的显微组织(SEM)

研究表明,向Ti(C,N)基金属陶瓷中添加Mo能改善液态金属Ni对基体的润湿性和抑制烧结时碳化物晶粒的长大,并且能提高Ti(C,N)基金属陶瓷的高温抗弯强度Q5R。在TiC-Ni-Mo系中,当Ni中Mo含量达10wt%时能完全润湿TiC颗粒(接触角q=0°。由图1可见,随Mo添加量的增加,TiC基金属陶瓷的组织明显细化。这是因为Mo能抑制烧结时碳化物相晶粒的长大,这与润湿性的改善有关;在完全润湿的条件下,碳化物颗粒不出现聚集再结晶,这种见解现在已经得到普遍承认。此外,在烧结温度下,Mo向TiC颗粒扩散,并取代TiC晶格中的Ti,在TiC颗粒表面上形成(Ti,Mo), 固溶体,这就减少了纯TiC颗粒接触,并防止纯TiC颗粒聚集长大。这同样是造成TiC基金属陶瓷晶粒更细和组织更均匀的另一个重要原因。特别由图1(c)可以看出,当Mo含量达15wt%时,对TiC基金属陶瓷的组织细化效果要更加显著。由Hall-Petch公式可知,金属陶瓷组织的细化可以明显提高材料的屈服强度,这为其下一步用作刀具材料奠定了良好的基础。

由图1还可以看出,在腐蚀掉组织中大部分金属粘结相后,可见许多诸如TiC、WC等异种亚微米碳化物和纳米TiN颗粒随机分布于各陶瓷相颗粒之间。据文献报道,这些分布于TiC/TiC的两相或三相晶界上的纳米TiN和异种亚微米碳化物颗粒,一方面,起到固溶强化金属粘结相的作用,另一方面,能起到有效钉扎TiC晶界和粘结相中位错的作用,使TiC晶界和位错难以运动,从而在一定程度上阻碍金属陶瓷的晶粒异常长大,这样整个基体中TiC晶粒也可得到明显的细化,使金属陶瓷的整体组织趋于均匀化。

2) 金属粘结相力学性能的影响

图2为金属粘结相含量和种类对铣削刀片用纳米改性金属陶瓷力学性能的影响。由图2可知,无论采用单相金属Ni 还是采用复相Ni-Co做金属粘结相,金属陶瓷的抗弯强度(σbb)和断裂韧性(KIC)都随粘结相含量的增加而升高,而硬度(HRC)则随粘结相含量增加而降低。但是,采用(Ni+Co)复相粘结时,金属陶瓷的力学性能要优于单相Ni粘结的金属陶瓷性能。


(a) 粘结相含量对强度影响 (b) 粘结相含量对硬度影响 (c) 粘结相含量对断裂韧性影响
图2 粘结相含量和类型对金属陶瓷力学性能的影响

用(Ni+Co)复合粘结相使金属陶瓷力学性能提高的原因主要还是与显微结构的改善有关。由于Co有着比Ni更高的韧性,而且适当添加Co可以改善粘结相对硬质相的润湿性,所以在采用相同的烧结工艺时,含Co金属陶瓷的断裂韧性和致密度比完全用Ni作粘结相的要高。但是,由于Co价格比较昂贵,因此,Co添加量较多时对成本不利。

3) 断口形貌分析

图3为铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的抗弯断口SEM形貌。由图(a)、(b)、(c)可见,随着粘结相含量的增加,断口形貌也随着变化。断裂模式以沿晶断裂为主。这是由于裂纹沿晶界扩展所需的能量较少的缘故。但对较粗大的陶瓷相,存在着解理断裂。从断口还可以看出,金属相存在着明显撕裂的痕迹(撕裂棱)和小碳化物颗粒从金属粘结相中拔出后留下的韧窝。


(a) 12Ni-12Co-4Mo (b) 14Ni-10Co-6Mo (c) 14Ni-14Co-4Mo
图3 铣削刀片用纳米改性金属陶瓷的断口形貌(SEM)

4 结论

1) 铣削刀片用纳米改性金属陶瓷组织仍由陶瓷相和金属相构成,其中粗大的陶瓷相为芯/壳结构,即Ti(C,N)芯外包覆有一层硬质相(Ti,Mo,W)(C,N)(即“SS”相)。
2) Mo的加入能明显细化金属陶瓷基体组织,使强度和硬度增加。但Mo量的添加过多对改善断裂韧性是不利的。
3) 抗弯强度和断裂韧性都随粘结相含量增加而增加,硬度则呈相反规律。沿晶断裂为主要的断裂模式。

本文作者:合肥工业大学材料科学与工程学院 韩成良 刘宁 许育东 晁晟
原载:《硬质合金》2004年3月,转载:切削技术网站(end)

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