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细晶粒Ti（C，N）基金属陶瓷组织与性能研究

作　者: 章晓波
导　师: 刘宁
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料学
关键词: Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织力学性能抗热震性能切削性能渗硼处理
分类号: TG148
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文采用粉末冶金方法制备了不同成分及粒度的Ti（C,N）基金属陶瓷。研究了化学成分、粉末粒度及渗硼处理对Ti（C,N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。并研究了纳米改性Ti（C,N）基金属陶瓷的抗热震性能和切削性能。首先,介绍了Ti（C,N）基金属陶瓷的发展过程、制备方法、显微组织、力学性能、抗热震性能及切削性能。重点概述了金属陶瓷的制备方法,包括陶瓷相粉末的制备方法、成形方法、烧结方法等,并对比了各种方法的优缺点。总结了Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织和力学性能的表征方法以及影响因素,同时指出了化学成分、制备工艺、粉末粒度对Ti（C,N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的具体影响。分析了Ti（C,N）基金属陶瓷的应用前景及本文的研究目的和意义。其次,对不同Mo含量的超细Ti（C,N）基金属陶瓷组织和力学性能进行了研究。研究发现Mo以固溶体（Ti,Mo,W）（C,N）的形式存在于Ti（C,N）基金属陶瓷中,该固溶体与Ti（C,N）的晶体结构相同、点阵常数相近;Mo的加入可细化晶粒、提高材料的相对密度、抗弯强度和硬度,固溶强化和细晶强化为主要强化机制。研究了ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。由于金属相对陶瓷相ZrC的润湿性不理想,导致材料相对密度下降;随着ZrC含量的不断增加,在TiC基金属陶瓷中逐渐形成富Zr的碳化物固溶体,并且显微组织细化,材料的强度与硬度有不同程度的降低,但是对完全致密材料的理论抗弯强度的计算结果表明,ZrC的加入量在一定范围内可大大提高材料的强度。随着Mo、WC的相继加入,发现材料成分为10%TiC-40%ZrC-14%Mo-15%WC-20%Ni-1%C的金属陶瓷显微组织由白色和灰色球状晶粒组成,同时存在相当数量的微孔洞和微裂纹。由于无芯晶粒增韧、微裂纹增韧和微孔洞增韧的作用,该试样的断裂韧性高达16.6 MPa·m^1/2,比未加ZrC的金属陶瓷断裂韧性高出51%。此外,还研究了Zr对Ti（C,N）基金属陶瓷组织和断裂韧性的影响。结果表明Zr的加入使组织中无芯晶粒增多,晶粒细化,由于无芯晶粒增韧、裂纹偏转和分叉增韧等机制改善了Ti（C,N）基金属陶瓷的断裂韧性。再次,研究了不同金属相（20%Ni、10%Co-10%Ni、20%Co）对纳米改性Ti（C,N）基金属陶瓷显微组织、力学性能和抗热震性能的影响。发现纳米TiN的加入可明显改善金属陶瓷的力学性能,纳米改性的金属陶瓷中出现新的组织结构——灰芯结构,金属相Co有利于提高Ti（C,N）基金属陶瓷的硬度,而金属相Ni能提供更高的抗弯强度和断裂韧性。采用急冷-强度法、压痕-急冷法以及对试样端部预制缺口法分别测试了纳米TiN改性Ti（C,N）基金属陶瓷的抗热震性能。三种不同测试方法均表明,在三组不同金属相的试样中,相对于金属相为20%Co的金属陶瓷而言,金属相为10%Co-10%Ni的抗热震性能较好,20%Ni的抗热震性能最好。金属陶瓷的抗热震性能与材料的强度及断裂韧性密切相关,强度及韧性越高,抗热震性能越好。并且试验结果和理论计算吻合得很好。此外,纳米TiN改性的Ti（C,N）基金属陶瓷经过热震后,即便抗弯强度急剧降低,其硬度衰减率仍不到1%,表明材料的硬度受热震影响很小。最后,对纳米改性Ti（C,N）基金属陶瓷进行了表面渗硼处理。结果表明,渗硼处理后金属陶瓷表面组织中生成了一系列硼化物,其表面显微硬度明显升高。并且对比了渗硼前后Ti（C,N）基金属陶瓷刀具在不同速度下的切削性能,结果表明在相对较低的切削速度下,渗硼处理后的Ti（C,N）基金属陶瓷刀具的使用寿命要比未经渗硼处理的刀具寿命长。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
致谢  12-21
第一章绪论  21-36
  1.1 引言  21
  1.2 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展概况  21-24
    1.2.1 金属陶瓷的类型及应用  21-22
    1.2.2 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展概况  22-24
  1.3 Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法  24-28
    1.3.1 Ti(C，N)基金属陶瓷粉末的制备方法  25-26
      1.3.1.1 TiC粉末的制备  25
      1.3.1.2 TiN粉末的制备  25
      1.3.1.3 Ti(C，N)粉末的制备  25-26
    1.3.2 Ti(C，N)基金属陶瓷的成形方法  26
    1.3.3 Ti(C，N)基金属陶瓷的烧结方法  26-28
      1.3.3.1 真空烧结  26
      1.3.3.2 氮气烧结  26-27
      1.3.3.3 热压烧结  27
      1.3.3.4 自蔓延高温合成  27
      1.3.3.5 放电等离子烧结  27-28
  1.4 Ti(C，N)基金属陶瓷的显微组织和力学性能  28-31
    1.4.1 Ti(C，N)基金属陶瓷的显微组织及其表征  28
    1.4.2 Ti(C，N)基金属陶瓷力学性能及其测试方法  28-29
      1.4.2.1 抗弯强度  28-29
      1.4.2.2 硬度  29
      1.4.2.3 断裂韧性  29
    1.4.3 Ti(C，N)基金属陶瓷组织与力学性能的影响因素  29-31
      1.4.3.1 化学成分对Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响  29-30
      1.4.3.2 制各工艺对Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响  30-31
      1.4.3.3 粉末粒度对Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响  31
  1.5 Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能  31-32
    1.5.1 Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能的研究方法  31-32
    1.5.2 Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能的影响因素  32
  1.6 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具  32-35
    1.6.1 切削刀具材料的种类  32-33
    1.6.2 Ti(C，N)基金属陶瓷的切削性能  33-34
    1.6.3 Ti(C，N)基金属陶瓷的应用前景  34-35
  1.7 本文研究的目的和意义  35-36
第二章 Mo含量对超细Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织与力学性能的影响  36-49
  2.1 引言  36
  2.2 试样的制备及测试方法  36-40
    2.2.1 试样的制备  36-39
    2.2.2 测试方法  39-40
  2.3 试验结果与分析  40-48
    2.3.1 Mo含量对金属陶瓷物相的影响  40-41
    2.3.2 Mo含量对金属陶瓷试样相对密度的影响  41-42
    2.3.3 Mo含量对金属陶瓷试样显微组织的影响  42-45
    2.3.4 Mo含量对金属陶瓷试样力学性能的影响  45-48
      2.3.4.1 Mo含量对金属陶瓷试样抗弯强度的影响  45-46
      2.3.4.2 Mo含量对金属陶瓷试样硬度的影响  46
      2.3.4.3 Mo含量对金属陶瓷试样断裂韧性的影响  46-48
  2.4 本章小结  48-49
第三章 ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响  49-76
  3.1 引言  49
  3.2 试样的制备及测试方法  49-50
    3.2.1 试样的制备  49-50
    3.2.2 测试方法  50
  3.3 ZrC含量对TiC-ZrC-10%Co-10%Ni-1%C系金属陶瓷组织与性能的影响  50-58
    3.3.1 ZrC含量对TiC基金属陶瓷物相的影响  51
    3.3.2 ZrC含量对TiC基金属陶瓷相对密度的影响  51-53
    3.3.3 ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织的影响  53-56
    3.3.4 ZrC含量对TiC基金属陶瓷力学性能的影响  56-58
      3.3.4.1 ZrC含量对抗弯强度的影响  56-57
      3.3.4.2 ZrC含量对硬度的影响  57-58
      3.3.4.3 ZrC含量对断裂韧性的影响  58
  3.4 ZrC含量对TiC-ZrC-14%Mo-20%Ni-1%C系金属陶瓷组织与性能的影响  58-64
    3.4.1 ZrC含量对TiC基金属陶瓷物相的影响  59
    3.4.2 ZrC含量对TiC基金属陶瓷相对密度的影响  59-60
    3.4.3 ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织的影响  60-62
    3.4.4 ZrC含量对TiC基金属陶瓷力学性能的影响  62-64
      3.4.4.1 ZrC含量对抗弯强度的影响  62-63
      3.4.4.2 ZrC含量对硬度的影响  63-64
      3.4.4.3 ZrC含量对断裂韧性的影响  64
  3.5 ZrC含量对TiC-ZrC-14%Mo-15%WC-20%Ni-1%C系金属陶瓷组织与性能的影响  64-73
    3.5.1 ZrC含量对TiC基金属陶瓷物相的影响  65
    3.5.2 ZrC含量对TiC基金属陶瓷相对密度的影响  65-67
    3.5.3 ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织的影响  67-70
    3.5.4 ZrC含量对TiC基金属陶瓷力学性能的影响  70-73
      3.5.4.1 ZrC含量对抗弯强度的影响  70-71
      3.5.4.2 ZrC含量对硬度的影响  71
      3.5.4.3 ZrC含量对断裂韧性的影响  71-73
  3.6 Mo、WC对TiC基金属陶瓷组织和性能的影响  73-75
    3.6.1 Mo、WC对TiC基金属陶瓷组织的影响  73-74
    3.6.2 Mo、WC对TiC基金属陶瓷力学性能的影响  74-75
  3.7 本章小结  75-76
第四章 Zr增韧Ti(C，N)基金属陶瓷  76-85
  4.1 引言  76
  4.2 试样的制备及测试方法  76-77
    4.2.1 试验原料  76
    4.2.2 制备工艺  76-77
    4.2.3 力学性能测试、组织和断口形貌观察  77
  4.3 试验结果与分析  77-84
    4.3.1 XRD物相分析  77-78
    4.3.2 Zr含量对Ti(C，N)基金属陶瓷组织的影响  78-79
    4.3.3 Zr含量对Ti(C，N)基金属陶瓷断口的影响  79-82
    4.3.4 Zr含量对Ti(C，N)基金属陶瓷相对密度和硬度的影响  82-83
    4.3.5 Zr含量对Ti(C，N)基金属陶瓷断裂韧性的影响  83-84
  4.4 本章小结  84-85
第五章纳米改性Ti(C，N)基金属陶瓷的显微组织和力学性能  85-94
  5.1 引言  85
  5.2 试样的制备及测试方法  85-87
    5.2.1 试样的制备  85-86
    5.2.2 测试方法  86-87
  5.3 试验结果与分析  87-93
    5.3.1 纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的物相标定  87
    5.3.2 纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的显微组织及断口形貌  87-92
    5.3.3 力学性能分析  92-93
  5.4 本章小结  93-94
第六章纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能  94-108
  6.1 引言  94
  6.2 试样的制备及测试方法  94-96
    6.2.1 试样的制备  94-95
    6.2.2 测试方法  95-96
  6.3 试验结果与分析  96-106
    6.3.1 急冷-强度法测试纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能  96-100
    6.3.2 压痕-急冷法测试纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能  100-103
    6.3.3 预制缺口法测试纳米TiN改性Ti(C，N)基金属陶瓷的抗热震性能  103-106
  6.4 本章小结  106-108
第七章渗硼处理对纳米改性 Ti(C，N)基金属陶瓷组织和性能的影响  108-121
  7.1 引言  108-109
  7.2 试验方法  109-110
    7.2.1 试样的制备  109
    7.2.2 渗硼试验  109
    7.2.3 切削试验  109-110
  7.3 试验结果与分析  110-120
    7.3.1 Ti(C，N)基金属陶瓷试样渗硼后的X射线分析  110-111
    7.3.2 Ti(C，N)基金属陶瓷试样渗硼后的组织  111-112
    7.3.3 Ti(C，N)基金属陶瓷试样渗硼后的抗弯强度  112-113
    7.3.4 Ti(C，N)基金属陶瓷试样渗硼后的硬度  113
    7.3.5 渗硼处理对Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削性能的影响  113-120
      7.3.5.1 切削速度对刀具寿命的影响  113-116
      7.3.5.2 渗硼处理对刀具寿命的影响  116-118
      7.3.5.3 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的磨损机理  118-120
  7.4 本章小结  120-121
第八章全文主要结论  121-124
参考文献  124-134
攻读博士学位期间发表的论文  134-135

细晶粒Ti（C，N）基金属陶瓷组织与性能研究

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