2 超細金屬陶瓷制備方法的研究進展

3 超細金屬陶瓷與普通金屬陶瓷的對比

1. 成分對比
   
   有文獻報道的日本三菱公司新牌號超細金屬陶瓷NX2525、熊惟皓的文獻報道的細晶粒金屬陶瓷以及其它文獻報道的納米改性金屬陶瓷與普通金屬陶瓷的成分對比見表1。
   
   
2. 顯微結(jié)構(gòu)對比
   
   三菱公司新牌號超細金屬陶瓷、納米改性金屬陶瓷與對比金屬陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)SEM照片分別見圖1和圖2。
   
   
   
   
   
   
   
   

   (a)三菱公司新牌號超細金屬陶瓷	(b)傳統(tǒng)牌號P10金屬陶瓷
   圖1金屬陶瓷顯微結(jié)構(gòu)SEM照片
   (a)TiN納米改性金屬陶瓷	(b)普通對比金屬陶瓷
   圖2金屬陶瓷顯微結(jié)構(gòu)SEM照片(×300)
   表2 對比組 樣品 硬度 HRA 橫向斷裂強度 N/mm2 1 三菱新牌號超細金屬陶瓷 92.4 1830 傳統(tǒng)牌號P10金屬陶瓷 92 1800 2 細晶粒金屬陶瓷 87.7 1920 普通金屬陶瓷 88.4 1600

   
   
   圖1a表明，日本三菱公司新牌號超細金屬陶瓷硬質(zhì)相的平均晶粒度小于1µm，且不同粒子的粒徑趨于一致，合金的孔隙得到消除，致密性很好；由文獻中的詳細分析可知，在這種超細金屬陶瓷中沒有中顆粒金屬陶瓷合金中非常典型的芯—環(huán)結(jié)構(gòu)(環(huán)不明顯)，其原因有待進一步研究。圖2a表明，添加TiN納米粉對組織的細化作用非常顯著，這主要是由于TiN納米粉在TiC/TiC晶界上的分布阻止了基體TiC晶粒的長大。
   
   圖1b和圖2b所示對比普通金屬陶瓷的平均晶粒度都在2µm左右，且晶粒粒度大小不均，晶粒間粒度差距明顯；同時，存在明顯的大顆粒硬質(zhì)相。
   
   
3. 性能對比
   
   
   
   • 物理性能對比
     
     三菱公司新牌號超細金屬陶瓷、細晶粒金屬陶瓷與普通金屬陶瓷的硬度和橫向斷由表2可以看出，日本三菱超細金屬陶瓷的硬度和橫向斷裂強度與傳統(tǒng)P10金屬陶瓷相比均有提高；而細晶粒金屬陶瓷的橫向斷裂強度比普通金屬陶瓷顯著提高，表明細化晶粒后，合金的強度、韌性得到較大改善。
     
     
   • 切削性能
     
     文獻中對超細金屬陶瓷和傳統(tǒng)P10金屬陶瓷進行了連續(xù)車削和沖擊切削試驗，以對比這兩類金屬陶瓷的耐磨性和抗沖擊能力。
     

     
     
     • 連續(xù)車削試驗：刀片型號：TNGG160408R；加工材料：42CrMo4合金鋼(硬度220HB)；切削用量：切削速度v_c=200m/min，走刀量f_z=0.3mm/r；切削方式：干式切削。試驗結(jié)果如圖3所示。
       
       
       
       
       

       圖3 連續(xù)車削合金鋼試驗結(jié)果

       
       
     • 沖擊切削試驗：刀片型號：TNGG160408R；加工材料：42CrMo4(硬度220HB)；切削用量：切削速度v_c=180m/min，吃刀深度a_p=1.0mm；切削時間：T_max=1min；切削方式：干式切削。試驗結(jié)果見表3。
       
       
       
       

       表3

       注：●——表示合金在達到指定沖擊次數(shù)時仍未破壞
          ×——表示合金在達到指定沖擊次數(shù)時發(fā)生破壞

     
     
     上述試驗結(jié)果表明，超細金屬陶瓷的耐磨性和抗沖擊能力比傳統(tǒng)P10金屬陶瓷顯著提高。
     
     
     
     
     

     圖4 三種刀具的磨損曲線

     
     
     有文獻將鈉米改性金屬陶瓷與普通金屬陶瓷及YG8硬質(zhì)合金進行了切削對比試驗，即分別用這三種刀具加工灰鑄鐵工件(切削參數(shù)：v_c=36m/min，a_p=0.5mm，f_z=0.1mm/r)，刀具的磨損情況如圖4所示。由圖4可知，兩種金屬陶瓷的耐磨性都大大優(yōu)于YG8硬質(zhì)合金；鈉米改性金屬陶瓷的耐磨性又顯著優(yōu)于普通金屬陶瓷。

4 細化晶粒改善合金性能的機理研究

1. 提高金屬屈服強度與韌性
   
   對于多晶體而言，當從一個位錯源發(fā)出的同類位錯遇到一個強障礙物(如晶界)而塞積起來時，將會形成很強的內(nèi)應(yīng)力場，在晶界處產(chǎn)生的應(yīng)力集中大到一定程度后可以使相鄰粒的位錯源開動，發(fā)生形變；但總的說來，形變由一個晶粒波及至相鄰晶粒是比較困難的。材料的屈服應(yīng)力與晶粒度的關(guān)系可以由滑移帶在晶界處造成的應(yīng)力集中來說明。從滑移帶端部的應(yīng)力集中來看，可以把滑移看成是一個裂紋，但裂紋的兩面彼此有摩擦，兩個面有相對滑動但是并不分離。
   
   設(shè)滑移帶的長度與晶粒尺寸d相同，外加切應(yīng)力為d_y，滑移的各項摩擦阻力等于d_I，則作用在滑移帶上形成位錯塞積的有效應(yīng)力為d_y-d_I，位錯塞積在距塞積群端部l處的應(yīng)力根據(jù)計算應(yīng)為(d_yGd_I)(d/l)^1/2。當此應(yīng)力達到臨界值d_n時，即可觸發(fā)該處的滑移。將此作為多晶體發(fā)生宏觀屈服的條件，即只有滑移能從一晶粒傳播至另一晶粒時，多晶體才能產(chǎn)生宏觀屈服，因此可得
   (d_y-d_I)(d/l)^1/2=d_n
   
   令K_y=dnl^1/2，則上式可化為
   
   
   
   

   dy=dI+Kyd-1/2

   (1)

   式(1)即為著名的Hall-Pety 公式。由Hall-Pety 公式可知，多晶體的屈服應(yīng)力d_y與晶粒尺寸d成反比，即多晶體的屈服應(yīng)力隨晶粒尺寸的減小而增大。由此可見，細化晶粒是提高金屬屈服強度的重要手段。與一般的強化手段往往會使金屬脆性增加相比，通過細化晶粒不但可提高金屬材料的強度，同時還可提高韌性。這是因為晶粒愈細，愈難造成裂紋形核所需要的應(yīng)力集中。同時，晶粒愈細，裂紋在不同位向的各個晶粒內(nèi)傳播也更困難。
   
   
2. 提高脆性材料抗彎強度
   
   按照古爾蘭德(Gurland)強度理論，硬質(zhì)相兩顆粒間粘結(jié)相厚度(平均自由路程l)隨粘結(jié)相含量和碳化物顆粒大小而改變，即
   
   
   
   

   l=(1-f)/NL

   (2)

   
   
   
   
   

   式中	f——碳化物相的體積分數(shù) NL——單位長度上的非連續(xù)晶粒數(shù)

   
   
   在研究WC-Co硬質(zhì)合金與平均自由路程的函數(shù)關(guān)系時，古爾蘭德強度理論指出：對一定成分的硬質(zhì)合金，當平均自由路程為0.3～0.6µm 時，合金的強度達到最大值，并可通過包覆顆粒傳播裂紋所需的應(yīng)變能來估計臨界斷裂強度，靠近顆�；�體界面的位錯應(yīng)變能約為µn²b²(µ為基體彈性模量，n為位錯數(shù)，b為柏氏矢量)，裂紋在顆粒中出現(xiàn)時，應(yīng)變能轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)能，即µn²b²=2g，臨界應(yīng)力由下式來決定：
   
   
   
   

   (qs-s0)2=Kgmf2/3/d s2=K'f2/3/d

   (3)

   
   
   
   
   

   式中	s——軸應(yīng)力 q——應(yīng)力倍加系數(shù) s0——移動被隔離的位錯所需的應(yīng)力 f——WC 的體積分數(shù) d——WC 的平均粒度 g——WC 的表面能 K，K'——常數(shù)

   
   
   式(3)說明了合金強度與平均粒度的關(guān)系，并可用于解釋同類硬質(zhì)材料。
   
   在Ti (C，N)基金屬陶瓷材料中，由細粉配制的合金中碳化物顆粒較細，即平均粒度d較小(約0.5µm)，根據(jù)式(3)，該合金的強度會提高。同時，由于合金的成分是一定的，因此細小顆粒的碳化物有利于合金中硬質(zhì)相與粘結(jié)相組織的均勻分布，使單位長度上的非連續(xù)晶粒數(shù)N_L增加，從式(2)可看出，當N_L增加時，l是下降的。根據(jù)某文獻的報道，g相的平均自由程和碳化物的晶粒度對TiC-Mo2C-Ni合金的抗彎強度有顯著影響，在g相平均自由程約為0.3µm ，合金具有最大的抗彎強度。所以，試驗中細粉配制的合金比粗粉配制的合金的抗彎強度要高。
   
   以上分析表明，通過細化金屬陶瓷的晶粒度，金屬陶瓷的使用性能將得到較大改善，獲得性能更優(yōu)異的金屬陶瓷材料。