TiCN基梯度功能金属陶瓷的制备及其切削性能

('TiCN基梯度功能金属陶瓷的制备及其切削性能唐思文;刘德顺;李鹏南;唐文波;唐德【摘要】以TiCN-WC-Mo2C-TaC-Co-Ni为原料,通过成分和气氛控制,获得了功能梯度TiCN基金属陶瓷材料.采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察和分析了材料的微观组织和物相组成,通过车削实验考察了所制备的刀具的切削性能.结果表明,WC含量较低时,通过气氛控制可以获得表面富Ti层、中间富W层和基体的3层TiCN基金属陶瓷梯度层,烧结温度的提高有利于梯度层的厚度的增加；WC含量较高时,烧结后WC在表面富集.15％WC含量的TiCN基金属陶瓷在1460℃氮气气氛中烧结1h时,富Ti层的厚度约为15~20μm,富W层厚度约为15~20μm.经氮化烧结后材料表面的(Ti,W,Mo)(C,N)衍射峰相对材料内部向右偏移.真空烧结时,当WC含量较低时,Ti和W元素分布比较均匀；随着WC含量的升高,表面出现了贫Ti富W层,且随着WC含量增加,表面富W层增厚,WC含量为24％时,富W层厚度＞25μm.切削实验表明表面富Ti的金属陶瓷的切削性能优于表面富W的金属陶瓷材料.%TiCN-basedfunctionallygradientcermetswerepreparedbycontrollingofthecompositionandatmos-phereandbyusingTiCN-WC-Mo2C-TaC-Co-Niasexperimentalmaterials.MaterialmicrostructureandphasecompositionwereobservedandanalyzedbyscanningelectronmicroscopywithEDSandX-raydiffractometer,andthecuttingperformancewasinvestigatedbyturning.TheresultshowsthatTiCN-basedfunctionallygradi-entcermetswithTi-enrichedsurfacelayer,W-enrichedmiddlelayerandthebottomwereobtainedbythecon-trolofatmospherewhenWCcontentwaslower.Appropriateincreasingofthesinteringtemperaturewasbenefittoincreasethethicknessofgradientlayers.WCwasconcentrationatthesurfacewhenWCcontentwashigherinrawcompositionsinteringatnitrogengas.ThethicknessofTiandWenrichedlayerwasabout15-20μmwhen15%WC-TiCNbasedceramicssinteredat1460℃innitrogenatmospherefor1h.The(Ti,W,Mo)(C,N)dif-fractionpeaksofthematerialsurfaceshifttotherightrelativetotheinternalafternitridingsintering.Invacu-umsintering,theelementofTiandWwasdistributeduniforminavacuumsinteringwhenWCcontentwaslow.WiththeincreaseofWCcontent,thelayerswithpoorTiandW-enrichedingraduallywereappearedonthesurface;inthemeantime,thethicknessofW-enrichedonsurfacelayerwasincreased.WhenWCcontentwas24%,W-enrichedlayerthicknesswasmorethan25μm.CuttingexperimentshowsthatTiCN-basedfunc-tionallygradientcermetswithTi-enrichedsurfacelayerwassuperiorthanthatwithW-enrichedsurface.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2014(000)013【总页数】5页(P13126-13130)【关键词】TiCN;金属陶瓷;梯度;微观组织;切削性能【作者】唐思文;刘德顺;李鹏南;唐文波;唐德【作者单位】中南大学机电工程学院，长沙410083;湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室，湖南湘潭411201;湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室，湖南湘潭411201;湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201;湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201;湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】TG7;TH14;TG151引言工艺制备了表面富N的梯度结构合金，极大地提高刀具的耐磨性和断裂韧性。随后，奥地利学者W．Lengauer等[8－11]对原位扩散制备功能梯度硬质材料的相形成、冶金反应、液相形成温度、脱气温度和微观结构等进行了较系统的研究，张武装等[12]研究了TiCN含量对WC基硬质合金梯度涂层的影响。大量的研究结果表明[11，13-16]，通过真空烧结可以在刀具材料表面形成富W的韧性层，为制备高性能涂层打下基础，通过控制气氛烧结可以在刀具表面形成富Ti的立方相碳化物和氮化物层，其切削性能优于均质的金属陶瓷和涂层硬质合金。但以TiCN为主要硬质相，制备梯度金属陶瓷的研究甚少。本文以高耐磨的TiCN基金属陶瓷为研究对象，研究烧结温度、烧结气氛和WC含量对TiCN基金属陶瓷梯度结构形成及其显微结构的影响。2实验碳氮化钛(TiCN)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上添加TiN发展而来的新型刀具材料[1]。由于具有高硬度、高热稳定性、极好的抗蠕变和耐磨性能，TiCN基金属陶瓷已在半精和精加工领域成功替代WC基硬质合金[2-4]。均质的TiCN基金属陶瓷，以TiCN为主要硬质相，Co、Ni等为粘结相，并添加其它碳化物、氮化物经粉末冶金方法制备而成。切削加工的发展，特别是高速切削加工的发展，刀具所处的环境更复杂，对切削刀具的耐磨性提出了更高的要求[5]。20世纪90年代中期，日本学者T．Nomura等[6-7]采用原位扩散以TiCN、WC、Mo2C、TaC、Co、Ni为实验原料，按表1所示的比例配制好后，装入高能球磨机中球磨和混合，球料比为8∶1，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为96h，干燥后得到成分均匀的原料粉末，将原料粉末在300MPa下冷压成型，放入真空炉中进行烧结，烧结温度为1430和1460℃，保温1h。为获得表面富N的梯度TiCN基金属陶瓷，在保温阶段通入104Pa的氮气进行渗氮处理。采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察和分析材料的微观组织和物相组成。将烧结好的材料在工具磨床上加工成刀片，在北一大隈LBJ-370型高速车床上进行干切削实验，工件材料为45钢，硬度HB190。在切削速度为220，300m/min，进给量f=0．15mm/r，切削深度为ap=0．5mm的切削条件下，分别对真空烧结的3号成分刀片和氮化烧结的1号成分刀片进行切削实验，在超景深显微镜下测量刀具的后刀面磨损。表1实验原料配比Table1CompositionofrawmaterialsTiCNWCTaCCoNiMo2C1余量15910592余量2496693余量1996694余量1196693结果与分析分别在1430和1460℃对1号成分TiCN基金属陶瓷氮化1h，获得的金属陶瓷材料的截面形貌和Ti、W元素分布如图1所示。可以看出，在外加氮气气氛中，TiCN基金属陶瓷形成了表面富Ti区、中间贫Ti富W区和基体3层结构。随着烧结温度的升高，富Ti层和富W层的厚度增加。1430℃烧结时，富Ti区的厚度约为10μm，富W层厚度约为15μm。1460℃烧结时，富Ti层的厚度约为15～20μm，富W层厚度约为15～20μm，烧结后金属陶瓷材料表面呈现金黄色。图2所示表面和断口的XRD衍射结果表明，经氮化烧结后材料表面的(Ti，W，Mo)(C，N)衍射峰相对材料内部向右偏移，表明在材料表面氮原子部分替代了TiCN中的碳原子，氮化作用明显。图1不同烧结温度的梯度功能TiCN基金属陶瓷的显微组织(1号)FFig1MicrostructureofgradientfunctionTiCNbasedceramicsinteredatdifferenttemperature(No1)图21号样品表面和截面的衍射谱(1460℃)Fig2X-raydiffractionspectrumonthesurfaceandcrosssectionoftheNo1sample(1460℃)TiCN基金属陶瓷的烧结是在液相下完成，合金元素在粘结相中的扩散速度远大于其在硬质相中的扩散速度，因而在烧结过程中，粘结相成为合金元素扩散的主要通道。在粘结相含量较高的合金中(合金1)，材料元素的扩散通道充足，在富N的气氛中烧结时，由于材料中各元素与C、N的亲和力不同，TiCN基金属陶瓷中与N亲和力大的Ti元素向外扩散，W、Mo等元素向内扩散[17]，形成表面富Ti的梯度金属陶瓷。同时，扩散也受温度的控制，温度越高，物质的扩散能力越强，因此，在1460℃加热时形成的梯度层比1430℃时更厚。图3为2号成分TiCN基金属陶瓷在不同烧结温度下的显微组织。与1号金属陶瓷材料相比，2号样品在N2气氛中烧结后，表面呈现白色，图3的元素分布表明表层未发现Ti的富集区，但是在表面和材料内部均发现了W的富集区，厚度约为15μm。2号与1号的成分区别在于粘结相降低，WC含量增加，在相同的气氛烧结时却出现两种截然不同的宏观和微观组织，产生的原因如下:在合金2中，由于WC含量较高，影响了烧结过程中材料内部的碳氮平衡。碳氮平衡关系为[9]三相平衡关系为合金2在N2气氛中烧结时，由于N2分压高于平衡分压，反应式(1)向右进行，使得表面首先形成具有[TiN]和C，同时TiCN基金属陶瓷烧结过程是液相烧结，Ti、W、C、N等均溶于液相中，由于在形成[TiN]的同时形成了C，C元素溶于液相中，使与C亲和力高的W产生向表面扩散的驱动力，2号样品中WC含量较高，能够提供充足的W向表面扩散，因此尽管在氮气气氛中烧结，也形成了富W的表面层。由于粘结相较少，传质通道较少，2号合金在烧结过程中形成局部的富W和富C形成η相[18]。图3不同烧结温度的梯度功能TiCN基金属陶瓷的显微组织(2号)Fig3MicrostructureofgradientfunctionTiCNbasedceramicsinteredatdifferenttemperature(No2)图4不同WC含量的TiCN金属陶瓷真空烧结时的显微组织Fig4MicrostructureofvacuumsinteredTiCNbasedmetalceramicwithdifferentcontentsofWC2，3，4号不同WC含量的TiCN基金属陶瓷，经1460℃真空烧结后的截面形貌和元素分布如图4所示。会发生脱氮现象[19]。表面脱氮使得Ti元素产生向内、W元素产生向外的驱动力，形成表面富W层，这种现象在WC含量较高的材料中更加明显。图5为1和3号成分磨制的刀片切削加工后，后刀面磨损量与切削时间的关系。两者的成分基本相当WC含量为11%时，Ti和W元素分布比较均匀，未出现明显的梯度层。随着WC含量的升高，表面出现了富W贫Ti层，且随着WC含量增加，表面富W层增厚。在WC含量为24%时，富W层厚度＞25μm。真空烧结时，当炉内烧结压力低于N2平衡分压时，就同，经氮化烧结的1号成分刀片在切削过程中的磨损大大低于经真空烧结的3号成分的刀片。在切削的初期，两种刀片的后刀面磨损相差不大，随着切削时间的延长，后刀面磨损值相差逐渐增大，经30min切削后，1号成分刀片刀具的后刀面磨损约为3号成分的刀片的2/3。氮化物与钢铁材料接触时的摩擦焊接趋势降低[20]，是1号成分刀片耐磨性提高的重要原因。同时，1号成分刀片经氮化烧结后材料表面形成的富Ti和N层比经真空烧结的表面富W和C的3号成分刀片的硬度提高，也使得刀具磨损性能提高。图5后刀面磨损量与切削时间的关系Fig5Relationshipofflankwearvscuttingtime4结论通过成分和气氛控制，获得了功能梯度TiCN基金属陶瓷材料。研究结论如下:(1)在WC含量较低时，通过氮气控制可以获得表面富碳氮化物层，中间富钨层和基体的TiCN基梯度层，烧结温度的适当提高有利于梯度层的厚度的增加;15%WC含量的TiCN基金属陶瓷在1430℃烧结时的富Ti区的厚度约为10μm，富W层厚度约为15μm。1460℃烧结时，富Ti层的厚度约为15～20μm，富W层厚度约为15～20μm。经氮化烧结后材料表面的(Ti，W，Mo)(C，N)衍射峰相对材料内部向右偏移。在WC含量较高时，氮气气氛中烧结的WC在表面富集，厚度约为15μm。(2)真空烧结时，当WC含量为11%时，Ti和W元素分布比较均匀;随着WC含量的升高，表面逐渐出现富W层，且随着WC含量增加，表面富W层增厚，在WC含量为24%时，富W层厚度＞25μm。(3)切削加工实验表明，氮化烧结的梯度功能TiCN基金属陶瓷比真空烧结的耐磨性提高，切削45钢材料30min后，氮化烧结的金属陶瓷后刀面磨损比真空烧结的低1/3。参考文献:[1]EttmayerP，KolaskaH，LengauerW，etal．Ti(C，N)cermets-metallurgyandproperties[J]．IntJRefractMetHardMater，1995，13(6):343-351．[2]PastorH．Titanium-carbonitride-basedhardalloysforcuttingtools[J]．MaterSciEngA，1988，105-106(2):401-409．[3]BellosiA，CalzavariniR，FagaMG，etal．Characterisationandapplicationoftitaniumcarbonitride-basedcuttingtools[J]．JMaterProcessTechnol，2003，143-144:527-532．[4]ZhangH，YiJ，GuS．MechanicalpropertiesandmicrostructureofTi(C，N)basedcermetsreinforcedbynano-Si3N4particles[J]．IntJRefractMetHardMater，2011，29(2):158-162．[5]SchulzH，MoriwakiT．High-speedmachining[J]．CIRPAnn-ManufTechn，1992，41(2):637-643．[6]TsudaK，IkegayaA，IsobeK，etal．Developmentoffunctionallygradedsinteredhardmaterials[J]．PowderMetall，1996，39(4):296-300．[7]NomuraT，MoriguchiH，TsudaK，etal．Materialdesignmethodforthefunctionallygradedcementedcarbidetool[J]．IntJRefractMetHardMater，1999，17(6):397-404．[8]ChenL，LengauerW，DreyerK．Advancesinmodernnitrogen-containinghardmetalsandcermets[J]．IntJRefractMetHardMater，2000，13(6):343-351．[9]ChenL，LengauerW，EttmayerP，etal．Fundamentalsofliquidphasesinteringformoderncermetsandfunctionallygradedcementedcarbonitrides(FGCC)[J]．IntJRefractMetHardMater，2000，18(6):307-322．[10]LengauerW，DreyerK．Functionallygradedhardmetals[J]．JAlloysCompd，2002，338(1-2):194-212．[11]LengauerW，DreyerK．Tailoringhardnessandtoughnessgradientsinfunctionalgradienthardmetals(FGHMs)[J]．IntJRefractMetHardMater，2006，24(1-2):155-161．[12]ZhangWuzhuang，LiuYong，HeYuehui，etal．EffectofTi(CN)contentonthegradientstructureandpropertiesofcementedcarbides[J]．RareMetCemCarb，2005，2:28-30．[13]GarciaJ，PitonakR．Theroleofcementedcarbidefunctionallygradedouter-layersonthewearperformanceofcoatedcuttingtools[J]．IntJRefractMetHardMater，2013，36:52-59．[14]FanP，GuoJ，FangZZ，etal．DesignofcobaltgradientviacontrollingcarboncontentandWCgrainsizeinliquidphase-sinteredWC-Cocomposite[J]．IntJRefractMetHardMater，2009，27(2):256-260．[15]EsoO，FangZZ，GriffoA．KineticsofcobaltgradientformationduringtheliquidphasesinteringoffunctionallygradedWC-Co[J]．IntJRefractMetHardMater，2007，25(4):286-292．[16]ZhangWuzhuang，LiuYong，HeYuehui．Studyonthecuttingpropertyofthecoatedcementedcarbidetipswithgradientstructure[J]．RareMetCemCarb，2006，3:12-14．[17]ZhouShuzhu，WangShequan，PengWeizheng，etal．EffectofsinteringatmosphereonstructureandpropertiesofTi(CN)basecermets[J]．TNonferrMetalSoc，2005，15(9):1350-1357．[18]GarciaJ，LengauerW．Quantitativemassspectrometryofdecarburisationanddenitridationofcementedcarbonitridesduringsintering[J]．MikrochimActa，2001，136:83-89．[19]FengPing，XiongWeihao，YuLixin．MetallurgicalreactionfoundationandmicrostructuralcharacterizationofTi(C，N)-basedcermetsPart1:metallurgicalreactionfoundationduringsintering[J]．MaterRev，2004，18(2):9-11．[20]JanischDS，LengauerW，EderA，etal．NitridationsinteringofWC-Ti(C，N)-(Ta，Nb)C-Cohardmetals[J]．IntJRefractMetHardMater，2013，36:22-30．',)