钴镍对TiVCN基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

陈 敏，肖 玄，谭 斌，廖勇男

（攀枝花学院材料工程学院，四川 攀枝花 617000）



钴镍对TiVCN基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

陈 敏，肖 玄，谭 斌，廖勇男

（攀枝花学院材料工程学院，四川 攀枝花 617000）

摘要：以TiC、VC、TiN为硬质相，添加金属Co、Ni、Mo制备了TiVCN基金属陶瓷。结合SEM＆EDS以及万能力学测试试验机研究了mCo/mNi对TiVCN基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：TiVCN基金属陶瓷显微组织由黑芯区、灰色包覆区和白色粘结相区组成。随着mCo/mNi的增加，TiVCN基金属陶瓷的力学性能下降。当mCo/mNi为1/4时TiVCN基金属陶瓷的力学性能最佳。

关键词：mCo/mNi；TiVCN；金属陶瓷；显微组织；力学性能

E-mail:cmrre@163.com

0　引　言

钛基金属陶瓷以其高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀等优良特性广泛用于切削耐磨领域，用于节约和替代钨基硬质合金具有较好的应用前景[1-6]。但钛基金属陶瓷的强韧性和钨基硬质合金相比仍然存在一定的差距[7,8]。金属Ni是钛基金属陶瓷常用的粘结剂，金属Co由于其良好的韧性常作为添加剂使用，近年来的研究以硬质相对钛基金属陶瓷组织和性能的影响报道较多，而粘结相成分对钛基金属陶瓷组织性能的影响研究较少[9,10]。本文研究了Co、Ni作为粘结相总量一定的情况下，mCo/mNi对TiVCN基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响，为提高钛基金属陶瓷综合性能以及成分优化提供实验依据。

1　实验过程

实验原料以市售微米粉TiC、VC、TiN为硬质相以及金属粉Co、Ni、Mo为粘结相。试样成分的质量配比见表1所示。

混合粉料在行星式球磨机内进行湿磨混匀，球磨时间为8 h，球磨转速为200 r/min。混合粉料干燥后手动掺入适量汽油橡胶以提高粉体成形性，然后在350 MPa压力下压制成形。压坯经真空烧结制得TiVCN基金属陶瓷，烧结温度为1430 ℃，保温时间为1 h。

采用TESCAN VEGAⅡLMU型扫描电镜对TiVCN基金属陶瓷显微组织进行观察并对不同组织区域进行EDS点扫描分析。抗弯强度采用三点弯曲法在CMT-5105型万能力学性能测试机上进行，加载速度为0.5 mm/min；硬度在HV-50A型维氏硬度计上测量，加载载荷为20 Kg。

表 1　TiVCN基金属陶瓷的成分设计 /wt.%Tab.1 Composition of TiVCN based cermets /wt.%

2　结果与讨论

2.1TiVCN基金属陶瓷的显微组织

不同mCo/mNi制备的TiVCN基金属陶瓷背散射显微组织如图1所示。从图1中可以看出，TiVCN基金属陶瓷的背散射显微组织由三种相区组成，颜色最暗的黑色相区所含元素的平均原子量偏低，灰色相区次之。黑色相区和灰色相区呈现不同程度的包覆结构，黑色相区为芯部，被灰色相区所包覆。该结构类似于TiCN基金属陶瓷的经典芯-壳SS环形结构[11]。在相同的制备工艺参数条件下，当mCo/mNi为1/4时，TiVCN基金属陶瓷中黑色相区的硬质相颗粒从亚微米到微米分布，灰色相区包覆黑色芯部相区。白色相区均匀分布。当mCo/mNi为1/2时，TiVCN基金属陶瓷显微组织中黑色硬质相颗粒和灰色包覆相区的分布类似于图1(a)。当mCo/mNi增加到1时，TiVCN基金属陶瓷的显微组织分布变差，尤以黑色相区硬质相颗粒分布不均匀最为明显。由此可知，mCo/mNi的选择对TiVCN基金属陶瓷显微组织分布有较大的影响，当mCo/mNi为1/4时选取TiVCN基金属陶瓷显微组织中的黑芯-灰壳相区进行了EDS能谱分析。

2.2TiVCN基金属陶瓷的硬质相成分分析

当mCo/mNi为1/4时，图2为TiVCN基金属陶瓷显微组织中箭头所指部位的元素组成及原子百分比。黑色芯部a相区的元素组成为Ti、C和N，灰色包覆壳b相区的元素组成为Ti、V、C、W、Mo。黑色芯部由未溶解的TiC和TiN组成，由于VC在Co、Ni粘结相中的溶解度可达10%，添加的VC在液相烧结过程中溶解到粘结相中[12]。根据EDS能谱半定量分析可知，Ti原子所占百分比(54.65 at.%)大于C原子和N原子所占百分比之和(45.35 at.%)，主要是由于液相烧结过程中N原子和Ti原子在粘结相中的溶解度差异太大，TiN分解后的部分 N原子结合成N2以气体形式逸出所致。灰色包覆区中的原子分别为溶解在粘结相中的TiC、VC、WC、Mo在金属陶瓷形成后期随溶解度降低而析出的。Ti、V、Mo原子百分比例的高低与原料中加入的TiC、VC和Mo含量一致。W原子百分比例最低，是由于球磨罐内的钨基硬质合金球研磨粉料过程中带入的，为有益元素[13]。Mo固溶到粘结相中形成Mo2C，Mo2C以MoC形成析出，多余的Mo原子在粘结相中起固溶强化作用[14-15]。TiC、 VC、MoC、WC均为立方相晶体结构，固溶形成(Ti,V,Mo,W)C相。

图1　不同mCo/mNi时TiVCN基金属陶瓷的背散射电子像(a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1Fig.1 Backscattered electron images of TiVCN based cermets with different mCo/mNiratios (a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2　(c)mCo/mNi=1/1

2.3TiVCN基金属陶瓷的粘结相成分分析

不同mCo/mNi所得TiVCN基金属陶瓷背散射显微组织中随机选取白色相区进行EDS点扫描分析，其元素组成及重量百分比如图3所示。从图3中可以看出，白色相区主要由Co、Ni粘结相以及少量溶解在粘结相中起固溶强化作用的Ti、V、Mo组成。由于EDS能谱结果为半定量分析，Co、Ni原子重量百分比的增加与混合料中的mCo/mNi接近一致，点扫描区元素重量百分比之和约为1。由此可知，mCo/mNi的选择影响TiVCN基金属陶瓷的显微组织分布，进而影响TiVCN基金属陶瓷的综合力学性能。

图2　TiVCN基金属陶瓷的黑芯-灰壳相区EDS图谱(a)黑色芯部相区 (b) 灰色包覆相区Fig.2 EDS patterns of black core-grey shell region in TiVCN based cermets (a)black core region (b) grey shell region

图3　不同mCo/mNi时TiVCN基金属陶瓷白色相区的EDS图谱(a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1Fig.3 EDS patterns of white regions in TiVCN based cermets with different mCo/mNiratios (a)mCo/mNi=1/4 (b) mCo/mNi=1/2 (c) mCo/mNi=1/1

2.4TiVCN基金属陶瓷的力学性能

不同mCo/mNi制备的TiVCN基金属陶瓷力学性能结果如图4所示。从图4中可以看出，随着mCo/mNi的增加，TiVCN基金属陶瓷的力学性能值呈下降趋势。当mCo/mNi从1/2增加到1/1时折线图陡降明显，硬度从HV1556降低到HV1453，抗弯强度从1051 MPa降低到843 MPa，分别下降了6.7%和19.7%。主要是由于TiVCN基金属陶瓷的显微组织分布和成分决定的。当mCo/mNi从1/4增加到1/2时金属陶瓷的力学性能有所下降，硬度从HV1608降低到HV1556，抗弯强度从1100 MPa降低到1051 MPa，分别下降了3.2%和4.5%。TiVCN基金属陶瓷的力学性能变化趋势和致密度的变化规律一致，结合TiVCN基金属陶瓷的组织分析可知，mCo/mNi应小于1/2，实验优化参数以1/4为宜。

图4　mCo/mNi对TiVCN基金属陶瓷硬度和抗弯强度的影响Fig.4 Effect of mCo/mNion the hardness and blending strength of TiVCN based cermets

3　结　论

本文研究了mCo/mNi对TiVCN基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响，得到以下主要结论：

(1)当mCo/mNi从1/4增加到1/2时，TiVCN基金属陶瓷的显微组织差异不大。当mCo/mNi增加到1时，TiVCN基金属陶瓷的显微组织分布不均匀。

(2)TiVCN基金属陶瓷的背散射显微组织中黑色芯部由未溶解的TiC和TiN组成，灰色包覆区由固溶相(Ti,V,Mo,W)C组成，白色相区由Co、Ni及少量溶解在粘结相中起固溶强化作用的Ti、V、Mo组成。

(3)随着mCo/mNi的增加，TiVCN基金属陶瓷的力学性能降低。当mCo/mNi大于1/2时金属陶瓷的硬度和抗弯强度降低明显。当mCo/mNi为1/4时，TiVCN基金属陶瓷的硬度为HV1608，抗弯强度为1100 MPa。

参考文献：

[1]KIM W.Mechanical properties of (Ti,V)C-Ni composite prepared using ultrafine solid-solution (Ti,V)C phase[J].Ceramics International,2014,40:12579-12583.

[2]ZHENG Y,ZHONG J,LV X P,etal.Microstructureand performance of functionallygraded Ti(C,N)-base cermets prepared by double-glow plasma carburization[J].Journal of Materials Processing Technology,2014,44:109-112.

[3]夏光华,查丽霞,谭训彦,等.成型压力对Al2O3-TiC/Fe基金属陶瓷材料致密度及力学性能的影响[J].陶瓷学报,2014,35(5):512-516.XIA Guanghua,et al.Journal of Ceramics,2014,35(5):512-516.

[4]LIN N,WU C H,HE Y H,etal.Effect of Mo and Co additions on the microstructure and properties of WC-TiC-Ni cemented carbides[J].Journal of Materials Processing Technology,2012,30:107-113.

[5]鲁元,龚楠,荆强征,等.碳热还原法制备多孔氮化钛陶瓷[J].陶瓷学报,2014,35(2):177-181.LU Yuan,et al.Journal of Ceramics,2014,35(2):177-181.

[6]PENG Y,MIAO H Z,PENG Z J.Development of TiCN-based cermets:Mechanical properties and wear mechanism[J].International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,2013,39:78-89.

[7]孟祥龙,肖光春,王兴海,等.热压工艺对Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷模具材料力学性能与微观结构的影响[J].人工晶体学报，2015，44(6)：1668-1673.MENG Xianglong,et al.Journal of Synthetic Crystals,2015,44(6):1668-1673.

[8]汪中玮.含6%Co亚微晶硬质合金性能的研究[J].稀有金属与硬质合金,2013,41(4):54-57.WANG Zhongwei.Rare Metals and Cemented Carbides,2013,41(4):54-57.

[9]章晓波,刘宁,于超,等.纳米TiN改性Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热震性能[J].硬质合金,2007,24(3):129-133.ZHANG Xiaobo,et al.Cemented Carbide,2007,24(3):129-133.

[10]张红芹,刘宁,宋瑞颖,等.镍钴对超细Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响[J].硬质合金,2008,25(4):214-217.ZHANG Hongqin,et al.Cemented Carbide,2008,25(4):214-217.

[11]YING L,JIN Y Z,YU H J,et al.Ultrafine (Ti,M)(C,N)-based cermets with optimal mechanical properties[J].International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,2011(29):104-107.

[12]ZHENG Y,LIU W J,WANG S X,etal.Effect of carbon content on the microstructure and mechanical properties of Ti(C,N)-based cermets[J].Ceramics International,2004,30,2111-2115.

[13]JUNG J,KANG S.Sintered (Ti,W)Ccarbides[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,56:561-564.

[14]章晓波,刘.Mo含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响[J].硬质合金,2006,23(3):160-163.ZHANG Xiaobo,et al.Cemented Carbide,2006,23(3):160-163.

[15]许育东,刘宁,石敏,等.Mo添加量对纳米改性金属陶瓷显微组织的影响[J].矿业工程,2005,25(2):77-80.XU Yudong,et al.Mining Engineering,2005,25(2):77-80.

Effect of Ni-Co on the Microstructure and Mechanical Properties of TiVCN-based Cermets

CHEN Min,XIAO Xuan,TAN Bin,LIAO Yongnan
(Materials Engineering College of Panzhihua University,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

Abstract:TiVCN based cermets were prepared,using TiC,VC and TiN as solid phases and Co,Ni and Mo additives.The effect of mCo/mNion microstructure and properties were investigated using SEM,EDS,and mechanical properties tests.Results show that the microstructure of TiVCN based cermets was composed of black core,grey shell and white binder phase.The mechanical properties of TiVCN based cermets decreased with mCo/mNiincreasing.When mCo/mNiwas 1/4,the property of TiVCN based cermet was the best.

Key words:mCo/mNi; TiVCN; cermet; microstructure; mechanical properties

基金项目：四川省应用基础研究项目(2014JY0132)；攀枝花市创新人才培养项目(2015TX-11)；攀枝花市科技支撑项目(2015CY-G-18 ；2013CY-G-7；2014CY-G-26-1)。

收稿日期：2014-06-29。

修订日期：2014-09-22。

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2016.01.010

中图分类号：TQ174.75

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2016)01-0049-04

通信联系人：陈敏(1985-)，女，博士，讲师。

Received date:2014-06-29.Revised date:2014-09-22.

Correspondent author:CHEN Min(1985-),female,Doc.,Lecturer.