陳 敏，肖 玄，譚 斌，廖勇男

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

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鈷鎳對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響

陳 敏，肖 玄，譚 斌，廖勇男

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

摘要：以TiC、VC、TiN為硬質(zhì)相，添加金屬Co、Ni、Mo制備了TiVCN基金屬陶瓷。結(jié)合SEM＆EDS以及萬能力學(xué)測試試驗(yàn)機(jī)研究了mCo/mNi對TiVCN基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)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(jié)相區(qū)組成。隨著mCo/mNi的增加，TiVCN基金屬陶瓷的力學(xué)性能下降。當(dāng)mCo/mNi為1/4時(shí)TiVCN基金屬陶瓷的力學(xué)性能最佳。

關(guān)鍵詞：mCo/mNi；TiVCN；金屬陶瓷；顯微組織；力學(xué)性能

E-mail:cmrre@163.com

0　引　言

鈦基金屬陶瓷以其高強(qiáng)度、高硬度、耐磨耐腐蝕等優(yōu)良特性廣泛用于切削耐磨領(lǐng)域，用于節(jié)約和替代鎢基硬質(zhì)合金具有較好的應(yīng)用前景[1-6]。但鈦基金屬陶瓷的強(qiáng)韌性和鎢基硬質(zhì)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(jié)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(zhì)相對鈦基金屬陶瓷組織和性能的影響報(bào)道較多，而粘結(jié)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(jié)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(xué)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)原料以市售微米粉TiC、VC、TiN為硬質(zhì)相以及金屬粉Co、Ni、Mo為粘結(jié)相。試樣成分的質(zhì)量配比見表1所示。

混合粉料在行星式球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行濕磨混勻，球磨時(shí)間為8 h，球磨轉(zhuǎn)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(jīng)真空燒結(jié)制得TiVCN基金屬陶瓷，燒結(jié)溫度為1430 ℃，保溫時(shí)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(jìn)行觀察并對不同組織區(qū)域進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描分析。抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法在CMT-5105型萬能力學(xué)性能測試機(jī)上進(jìn)行，加載速度為0.5 mm/min；硬度在HV-50A型維氏硬度計(jì)上測量，加載載荷為20 Kg。

表 1　TiVCN基金屬陶瓷的成分設(shè)計(jì) /wt.%Tab.1 Composition of TiVCN based cermets /wt.%

2　結(jié)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(xiàn)不同程度的包覆結(jié)構(gòu)，黑色相區(qū)為芯部，被灰色相區(qū)所包覆。該結(jié)構(gòu)類似于TiCN基金屬陶瓷的經(jīng)典芯-殼SS環(huán)形結(jié)構(gòu)[11]。在相同的制備工藝參數(shù)條件下，當(dāng)mCo/mNi為1/4時(shí)，TiVCN基金屬陶瓷中黑色相區(qū)的硬質(zhì)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(dāng)mCo/mNi為1/2時(shí)，TiVCN基金屬陶瓷顯微組織中黑色硬質(zhì)相顆粒和灰色包覆相區(qū)的分布類似于圖1(a)。當(dāng)mCo/mNi增加到1時(shí)，TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織分布變差，尤以黑色相區(qū)硬質(zhì)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(dāng)mCo/mNi為1/4時(shí)選取TiVCN基金屬陶瓷顯微組織中的黑芯-灰殼相區(qū)進(jìn)行了EDS能譜分析。

2.2TiVCN基金屬陶瓷的硬質(zhì)相成分分析

當(dāng)mCo/mNi為1/4時(shí)，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(jié)相中的溶解度可達(dá)10%，添加的VC在液相燒結(jié)過程中溶解到粘結(jié)相中[12]。根據(jù)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(jié)過程中N原子和Ti原子在粘結(jié)相中的溶解度差異太大，TiN分解后的部分 N原子結(jié)合成N2以氣體形式逸出所致?；疑矃^(qū)中的原子分別為溶解在粘結(jié)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(nèi)的鎢基硬質(zhì)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(jié)相中形成Mo2C，Mo2C以MoC形成析出，多余的Mo原子在粘結(jié)相中起固溶強(qiáng)化作用[14-15]。TiC、 VC、MoC、WC均為立方相晶體結(jié)構(gòu)，固溶形成(Ti,V,Mo,W)C相。

圖1　不同mCo/mNi時(shí)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(jié)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(jī)選取白色相區(qū)進(jìn)行EDS點(diǎn)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(jié)相以及少量溶解在粘結(jié)相中起固溶強(qiáng)化作用的Ti、V、Mo組成。由于EDS能譜結(jié)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(diǎn)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(jìn)而影響TiVCN基金屬陶瓷的綜合力學(xué)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(shí)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(xué)性能

不同mCo/mNi制備的TiVCN基金屬陶瓷力學(xué)性能結(jié)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(xué)性能值呈下降趨勢。當(dāng)mCo/mNi從1/2增加到1/1時(shí)折線圖陡降明顯，硬度從HV1556降低到HV1453，抗彎強(qiáng)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(dāng)mCo/mNi從1/4增加到1/2時(shí)金屬陶瓷的力學(xué)性能有所下降，硬度從HV1608降低到HV1556，抗彎強(qiáng)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(xué)性能變化趨勢和致密度的變化規(guī)律一致，結(jié)合TiVCN基金屬陶瓷的組織分析可知，mCo/mNi應(yīng)小于1/2，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)以1/4為宜。

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

3　結(jié)　論

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

(1)當(dāng)mCo/mNi從1/4增加到1/2時(shí)，TiVCN基金屬陶瓷的顯微組織差異不大。當(dāng)mCo/mNi增加到1時(shí)，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(jié)相中起固溶強(qiáng)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(xué)性能降低。當(dāng)mCo/mNi大于1/2時(shí)金屬陶瓷的硬度和抗彎強(qiáng)度降低明顯。當(dāng)mCo/mNi為1/4時(shí)，TiVCN基金屬陶瓷的硬度為HV1608，抗彎強(qiáng)度為1100 MPa。

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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(xiàng)目：四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014JY0132)；攀枝花市創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2015TX-11)；攀枝花市科技支撐項(xiàng)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-2278(2016)01-0049-04

通信聯(lián)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.