李吉遵，高洪玉，劉含蓮，黃傳真，王利梅，袁玉蘭

1山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2山東大學(xué)先進(jìn)射流工程技術(shù)研究中心；3中國(guó)重汽濟(jì)南動(dòng)力有限公司；4燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

Ti(C，N)基金屬陶瓷因具有高硬度，良好的耐磨性、耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性以及對(duì)金屬的摩擦系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為高精加工和半精加工合金鋼及不銹鋼的一種重要刀具材料[1-3]。

目前，無(wú)壓燒結(jié)(PLS)[4-6]、熱壓燒結(jié)(HPS)[7-9]和熱等靜壓燒結(jié)(HIP)[10]仍然是制備Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的主要方法。這些傳統(tǒng)燒結(jié)方式主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流實(shí)現(xiàn)能量傳遞，通常需要較長(zhǎng)的保溫時(shí)間(60～90min)，不利于晶粒細(xì)化，限制了材料力學(xué)性能的提升。微波燒結(jié)(MS)作為新一代燒結(jié)技術(shù)，已被證明是制備優(yōu)良性能硬質(zhì)材料的有效方法。微波燒結(jié)是介質(zhì)材料自身?yè)p耗電磁場(chǎng)能量而發(fā)熱，材料內(nèi)部沒(méi)有熱梯度，具有體積加熱和選擇性加熱的特點(diǎn)。處于微波場(chǎng)中的介質(zhì)材料僅用較短保溫時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)致密化，因此微波燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)周期短、加熱均勻及節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員通過(guò)添加多種增強(qiáng)相來(lái)提高Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的力學(xué)性能。HfN具有高硬度、高熔點(diǎn)、高抗氧化性、良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性[14，15]。部分研究表明[16-18]，添加HfN能明顯提升TiB2基陶瓷刀具材料和Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的力學(xué)性能。已有的工作中，對(duì)于微波燒結(jié)添加HfN的Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的研究較少，為此，本研究以Ti(C，N)為基體，以WC和HfN為增強(qiáng)相，以Ni和Mo為金屬相，采用微波燒結(jié)技術(shù)制備了Ti(C，N)-WC-HfN-Ni-Mo金屬陶瓷(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)WHNM)，并在一定的燒結(jié)溫度下研究了保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能和微觀(guān)組織的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)所用的原料有Ti(C0.7，N0.3)、WC、Ni、Mo和HfN，平均粒徑分別為0.5μm，0.4μm，0.6μm，0.6μm，1～3μm。陶瓷材料組分配比見(jiàn)表1。

表1 TWHNM金屬陶瓷材料組分配比 (wt.%)

將單獨(dú)球磨過(guò)的Ti(C0.7，N0.3)、WC、HfN與金屬相Ni、Mo按照質(zhì)量配比稱(chēng)量后進(jìn)行混合球磨，所用的球磨球?yàn)橛操|(zhì)合金球(球料比為8:1)，球磨介質(zhì)為酒精，球磨24h后將漿料放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥。干燥溫度為120℃，干燥后過(guò)100目篩，隨后將篩好的材料放入特制模具中進(jìn)行冷壓(壓力為250MPa)，保壓時(shí)間為4min，壓制后的塊體為φ40mm×4mm。將塊體放入剛玉坩堝中，并在周?chē)钊爰兌葹?8.5%的SiC粉末(見(jiàn)圖1a)，將其放入保溫桶內(nèi)并置于2.45GHz XO-8KW微波燒結(jié)爐中。根據(jù)已優(yōu)化的燒結(jié)溫度固定燒結(jié)溫度為1400℃，著重改變保溫時(shí)間為5～25min，間隔5min，燒結(jié)氣氛為N2，燒結(jié)爐和燒制前后的試樣對(duì)比見(jiàn)圖1。

(a)微波燒結(jié)爐實(shí)物

2.2 試樣測(cè)試

將燒結(jié)的陶瓷圓塊試樣進(jìn)行線(xiàn)切割、研磨和拋光后，最終制成多條尺寸為4.0mm×3.0mm×(27～33)mm的樣條，測(cè)試其力學(xué)性能。通過(guò)稱(chēng)重和阿基米德排水法測(cè)出密度，計(jì)算試樣的實(shí)測(cè)密度和材料的理論密度之比即相對(duì)密度；利用MHVS8-30AT維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度值，加載值為196N，保載15s，并采用壓痕法測(cè)量斷裂韌度。采用三點(diǎn)彎曲法在WD-10萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)量材料的抗彎強(qiáng)度，跨距為20mm，加載速度為0.5mm/min。采用配備EDS的JSM-7610F掃描電鏡觀(guān)察斷裂表面形貌和元素組成，并通過(guò)RAY-10AX-ray X射線(xiàn)衍射儀分析陶瓷材料的物相組成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微波燒結(jié)TWHNM的力學(xué)性能

保溫時(shí)間對(duì)微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料力學(xué)性能的影響規(guī)律如圖2所示。

(a)相對(duì)密度

由圖2a可見(jiàn)，微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料的相對(duì)密度隨著保溫時(shí)間的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)保溫時(shí)間僅為10min時(shí)，相對(duì)密度取得最大值，可達(dá)到98.74%±0.1%，這是傳統(tǒng)無(wú)壓燒結(jié)方式在短時(shí)間燒結(jié)時(shí)難以達(dá)到的。分析其原因主要為：在微波電磁場(chǎng)作用下，微波能量通過(guò)分子或離子與電磁場(chǎng)的相互作用傳遞到材料中，電磁能直接轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)材料整體加熱，這與傳統(tǒng)燒結(jié)方式不同之處在于能量的傳遞不依賴(lài)于表面熱量的擴(kuò)散[11]。因此，液相形成后，顆粒的重排、溶解和析出速度比傳統(tǒng)無(wú)壓燒結(jié)方式更快，保溫時(shí)間更短。

由圖2b可知，微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料的維氏硬度隨保溫時(shí)間的增加呈減小趨勢(shì)，在保溫5min時(shí)取最大值，為17.28±0.4GPa，在保溫時(shí)間大于15min后，材料的硬度有較大幅度下降。由圖2c可知，TWHNM金屬陶瓷刀具材料的斷裂韌度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在保溫時(shí)間為15min時(shí)取得最大值，為8.83±0.2MPa·m1/2。由圖2d可見(jiàn)，TWHNM金屬陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的增加呈先增大后大幅度減小的趨勢(shì)，當(dāng)保溫時(shí)間為10min時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，為812.54±24.1MPa，可見(jiàn)保溫時(shí)間對(duì)于抗彎強(qiáng)度影響較顯著。

由于保溫時(shí)間對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度、維氏硬度以及斷裂韌度的影響規(guī)律并不完全一致，需綜合考慮上述三個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)。在保證硬度和斷裂韌度相對(duì)較高的前提下，抗彎強(qiáng)度不能顯著降低。本研究中，雖然當(dāng)保溫時(shí)間為10min時(shí)，維氏硬度和斷裂韌度與其最大值相比略低，但考慮到材料的抗彎強(qiáng)度受保溫時(shí)間的影響更顯著，因此，選取在1400℃微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料時(shí)的較優(yōu)保溫時(shí)間為10min，此時(shí)抗彎強(qiáng)度為812.54±24.1MPa，維氏硬度為16.82±0.2GPa，斷裂韌度為8.19±0.2MPa·m1/2，相對(duì)密度達(dá)到98.74±0.1%。

3.2 微波燒結(jié)TWHNM的物相組成

在1400℃、保溫10min條件下，微波燒結(jié)TWHNM刀具材料的XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，燒結(jié)后的材料物相主要由Ti(C，N)，(Ti，Hf，W)(C，N)，(W，Ti)C，(Ti，Mo)C2及Ni3Mo組成。在燒結(jié)過(guò)程中，Ti(C，N)，HfN，WC形成了(Ti，Hf，W)(C，N)和(W，Ti)C固溶體，固溶強(qiáng)化有利于力學(xué)性能的提高。此外，有研究表明[19，20]，金屬M(fèi)o容易與Ti(C，N)形成(Ti，W，Mo)(C，N)固溶體，成為“芯殼”結(jié)構(gòu)中的殼相，因此材料中除(Ti，Mo)C2外，還可能存在少量的(Ti，W，Mo)(C，N)。

圖3 微波燒結(jié)TWHNM陶瓷刀具的XRD分析結(jié)果

圖4為T(mén)WHNM拋光面的SEM照片及各相的EDS能譜圖。由能譜元素分析結(jié)果并結(jié)合有關(guān)Ti(C，N)金屬陶瓷的研究[21，22]綜合分析認(rèn)為，微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料黑色相主要為燒結(jié)階段未溶解在金屬粘結(jié)劑中的Ti(C，N)。從圖4b可以看出，C含量和N含量比較接近，一方面是因?yàn)樘砑恿薍fN，另一方面在燒結(jié)過(guò)程中通入N2可以補(bǔ)充體系中的N元素[23]；如圖4c所示，相比于黑色相，灰色相的Ti元素含量下降，W元素含量增加至25.2%，因此灰色相應(yīng)主要為(W，Ti)C和富W的(Ti，Hf，W)(C，N)固溶體；如圖4d所示，白色相處Hf元素含量最高，占41.0%，所以白色相主要為富Hf的(Ti，Hf，W)(C，N)固溶體。除此之外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[24，25]，金屬粘結(jié)劑Ni大部分均勻分布在陶瓷相的晶界處。

(a)TWHNM拋光面SEM形貌

3.3 微波燒結(jié)TWHNM的微觀(guān)組織

不同保溫時(shí)間時(shí)TWHNM刀具材料斷口的SEM形貌如圖5所示。由圖5a可見(jiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間僅為5min時(shí)，微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料的微觀(guān)組織晶粒細(xì)小，平均粒徑為1.5μm，根據(jù)已有的研究表明[26]，晶粒尺寸越小、孔隙越少的材料，硬度也就越高，所以此時(shí)材料的硬度最高。

由圖5b和圖5c可知，當(dāng)保溫時(shí)間增加到10min和15min時(shí)，相對(duì)密度較保溫5min時(shí)有一定提高，孔隙減少，材料的微觀(guān)組織更加均勻，晶粒較細(xì)小，斷裂方式為沿晶或穿晶混合斷裂模式。其中，穿晶斷裂模式因消耗裂紋擴(kuò)展能量，有利于提高斷裂韌度和抗彎強(qiáng)度，斷裂韌度在此時(shí)取最大值。

如圖5d和圖5e所示，隨著保溫時(shí)間繼續(xù)增加至20min～25min，晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象(見(jiàn)圖中圓圈處)，材料微觀(guān)組織非常不均勻。依據(jù)Hall-Petch公式[27]可知，晶粒尺寸越大，越不利于抗彎強(qiáng)度的提升，雖然主要斷裂方式為穿晶斷裂，但異常長(zhǎng)大的晶粒導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度均降低，因此在較長(zhǎng)的保溫時(shí)間后，材料的抗彎強(qiáng)度有較大幅度下降，基本不超過(guò)650MPa(見(jiàn)圖5d)。

圖5 TWHNM在不同保溫時(shí)間時(shí)的斷口SEM形貌

4 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)驗(yàn)研究了保溫時(shí)間對(duì)微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)時(shí)保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，微觀(guān)組織變得不均勻；燒結(jié)時(shí)間過(guò)短，盡管晶粒尺寸較小，但致密度不夠高，性能較低。

(2)以提高刀具材料的綜合力學(xué)性能為目標(biāo)，得出較優(yōu)的保溫時(shí)間為在1400℃時(shí)保溫10min，此時(shí)抗彎強(qiáng)度平均為812.54MPa，維氏硬度平均為16.82GPa，斷裂韌度平均為8.19MPa·m1/2，相對(duì)密度達(dá)到98.74%，體現(xiàn)了微波燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速致密化的優(yōu)勢(shì)。

(3)保溫10min時(shí)，微波燒結(jié)TWHNM金屬陶瓷刀具材料的主要物相有Ti(C，N)和新生成的 (W，Ti)C、(Ti，Hf，W)(C，N)固溶體，固溶強(qiáng)化提高了材料的力學(xué)性能；觀(guān)察微觀(guān)組織發(fā)現(xiàn)，此時(shí)材料致密度較高，組織均勻，晶粒尺寸較小，材料的斷裂方式為沿晶/穿晶混合斷裂模式。