2 超細(xì)金屬陶瓷制備方法的研究進(jìn)展

3 超細(xì)金屬陶瓷與普通金屬陶瓷的對(duì)比

1. 成分對(duì)比
   
   有文獻(xiàn)報(bào)道的日本三菱公司新牌號(hào)超細(xì)金屬陶瓷NX2525、熊惟皓的文獻(xiàn)報(bào)道的細(xì)晶粒金屬陶瓷以及其它文獻(xiàn)報(bào)道的納米改性金屬陶瓷與普通金屬陶瓷的成分對(duì)比見(jiàn)表1。
   
   
2. 顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比
   
   三菱公司新牌號(hào)超細(xì)金屬陶瓷、納米改性金屬陶瓷與對(duì)比金屬陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)SEM照片分別見(jiàn)圖1和圖2。
   
   
   
   
   
   
   
   

   (a)三菱公司新牌號(hào)超細(xì)金屬陶瓷	(b)傳統(tǒng)牌號(hào)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(duì)比金屬陶瓷
   圖2金屬陶瓷顯微結(jié)構(gòu)SEM照片(×300)
   表2 對(duì)比組 樣品 硬度 HRA 橫向斷裂強(qiáng)度 N/mm2 1 三菱新牌號(hào)超細(xì)金屬陶瓷 92.4 1830 傳統(tǒng)牌號(hào)P10金屬陶瓷 92 1800 2 細(xì)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(hào)超細(xì)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(xiàn)中的詳細(xì)分析可知，在這種超細(xì)金屬陶瓷中沒(méi)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(jìn)一步研究。圖2a表明，添加TiN納米粉對(duì)組織的細(xì)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(zhǎng)大。
   
   圖1b和圖2b所示對(duì)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(shí)，存在明顯的大顆粒硬質(zhì)相。
   
   
3. 性能對(duì)比
   
   
   
   • 物理性能對(duì)比
     
     三菱公司新牌號(hào)超細(xì)金屬陶瓷、細(xì)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(xì)金屬陶瓷的硬度和橫向斷裂強(qiáng)度與傳統(tǒng)P10金屬陶瓷相比均有提高；而細(xì)晶粒金屬陶瓷的橫向斷裂強(qiáng)度比普通金屬陶瓷顯著提高，表明細(xì)化晶粒后，合金的強(qiáng)度、韌性得到較大改善。
     
     
   • 切削性能
     
     文獻(xiàn)中對(duì)超細(xì)金屬陶瓷和傳統(tǒng)P10金屬陶瓷進(jìn)行了連續(xù)車(chē)削和沖擊切削試驗(yàn)，以對(duì)比這兩類(lèi)金屬陶瓷的耐磨性和抗沖擊能力。
     

     
     
     • 連續(xù)車(chē)削試驗(yàn)：刀片型號(hào)：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(yàn)結(jié)果如圖3所示。
       
       
       
       
       

       圖3 連續(xù)車(chē)削合金鋼試驗(yàn)結(jié)果

       
       
     • 沖擊切削試驗(yàn)：刀片型號(hào)：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(shí)間：T_max=1min；切削方式：干式切削。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
       
       
       
       

       表3

       注：●——表示合金在達(dá)到指定沖擊次數(shù)時(shí)仍未破壞
          ×——表示合金在達(dá)到指定沖擊次數(shù)時(shí)發(fā)生破壞

     
     
     上述試驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)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(xiàn)將鈉米改性金屬陶瓷與普通金屬陶瓷及YG8硬質(zhì)合金進(jìn)行了切削對(duì)比試驗(yàn)，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(xì)化晶粒改善合金性能的機(jī)理研究

1. 提高金屬屈服強(qiáng)度與韌性
   
   對(duì)于多晶體而言，當(dāng)從一個(gè)位錯(cuò)源發(fā)出的同類(lèi)位錯(cuò)遇到一個(gè)強(qiáng)障礙物(如晶界)而塞積起來(lái)時(shí)，將會(huì)形成很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，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(cuò)源開(kāi)動(dòng)，發(fā)生形變；但總的說(shuō)來(lái)，形變由一個(gè)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(lái)說(shuō)明。從滑移帶端部的應(yīng)力集中來(lái)看，可以把滑移看成是一個(gè)裂紋，但裂紋的兩面彼此有摩擦，兩個(gè)面有相對(duì)滑動(dòng)但是并不分離。
   
   設(shè)滑移帶的長(zhǎng)度與晶粒尺寸d相同，外加切應(yīng)力為d_y，滑移的各項(xiàng)摩擦阻力等于d_I，則作用在滑移帶上形成位錯(cuò)塞積的有效應(yīng)力為d_y-d_I，位錯(cuò)塞積在距塞積群端部l處的應(yīng)力根據(jù)計(jì)算應(yīng)為(d_yGd_I)(d/l)^1/2。當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到臨界值d_n時(shí)，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(shí)，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(jiàn)，細(xì)化晶粒是提高金屬屈服強(qiáng)度的重要手段。與一般的強(qiáng)化手段往往會(huì)使金屬脆性增加相比，通過(guò)細(xì)化晶粒不但可提高金屬材料的強(qiáng)度，同時(shí)還可提高韌性。這是因?yàn)榫ЯＳ��?xì)，愈難造成裂紋形核所需要的應(yīng)力集中。同時(shí)，晶粒愈細(xì)，裂紋在不同位向的各個(gè)晶粒內(nèi)傳播也更困難。
   
   
2. 提高脆性材料抗彎強(qiáng)度
   
   按照古爾蘭德(Gurland)強(qiáng)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?jǐn)?shù) NL——單位長(zhǎng)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(shí)，古爾蘭德強(qiáng)度理論指出：對(duì)一定成分的硬質(zhì)合金，當(dāng)平均自由路程為0.3～0.6µm 時(shí)，合金的強(qiáng)度達(dá)到最大值，并可通過(guò)包覆顆粒傳播裂紋所需的應(yīng)變能來(lái)估計(jì)臨界斷裂強(qiáng)度，靠近顆�；�體界面的位錯(cuò)應(yīng)變能約為µn²b²(µ為基體彈性模量，n為位錯(cuò)數(shù)，b為柏氏矢量)，裂紋在顆粒中出現(xiàn)時(shí)，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(lái)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(dòng)被隔離的位錯(cuò)所需的應(yīng)力 f——WC 的體積分?jǐn)?shù) d——WC 的平均粒度 g——WC 的表面能 K，K'——常數(shù)

   
   
   式(3)說(shuō)明了合金強(qiáng)度與平均粒度的關(guān)系，并可用于解釋同類(lèi)硬質(zhì)材料。
   
   在Ti (C，N)基金屬陶瓷材料中，由細(xì)粉配制的合金中碳化物顆粒較細(xì)，即平均粒度d較小(約0.5µm)，根據(jù)式(3)，該合金的強(qiáng)度會(huì)提高。同時(shí)，由于合金的成分是一定的，因此細(xì)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(zhǎng)度上的非連續(xù)晶粒數(shù)N_L增加，從式(2)可看出，當(dāng)N_L增加時(shí)，l是下降的。根據(jù)某文獻(xiàn)的報(bào)道，g相的平均自由程和碳化物的晶粒度對(duì)TiC-Mo2C-Ni合金的抗彎強(qiáng)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(qiáng)度。所以，試驗(yàn)中細(xì)粉配制的合金比粗粉配制的合金的抗彎強(qiáng)度要高。
   
   以上分析表明，通過(guò)細(xì)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。