不同的Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷性能的影响

同艳维，李娜丽，方民宪

（1.攀枝花学院 生物与化学工程学院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花学院 材料工程学院，四川 攀枝花 617000）

不同的Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷性能的影响

同艳维1，李娜丽2，方民宪2

（1.攀枝花学院 生物与化学工程学院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花学院 材料工程学院，四川 攀枝花 617000）

采用粉末冶金的方法制备了不同Cu添加量的Ti（C, N）基金属陶瓷，研究了不同的Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷的显微组织、抗弯强度、致密度和导电性能的影响。结果表明，在Ti（C, N）、TiC、Ni、Co和Mo含量不变的情况下，改变金属陶瓷中Cu含量，当Cu含量占5 g时，Ti（C, N）基金属陶瓷的综合性能最好，其电阻率为7.358×10-6Ω·m，抗弯强度达到最大值，为50.637 MPa，致密度为98.5%。

Ti（C,N）基金属陶瓷；电阻率；抗弯强度；致密度

0 引 言

目前，国内外学者对Ti（C,N）基金属陶瓷的性质、应用及制备方法进行了大量的研究，并取得了丰富的成果。攀枝花地区有丰富的钛资源，开发Ti（C, N）是攀枝花地区发展高技术钛工业重要的方向之一［1］。在W、Co资源逐渐枯竭的形势下，Ti（C,N）基金属陶瓷因其高熔点、高硬度和低密度作为W-Co类金属陶瓷的替代品成了目前国内外金属陶瓷领域的重点研究热点［2, 3］。鉴于Ti（C, N）基金属陶瓷的一系列优良的特征，人们对其制备方法及应用研究现状也做了大量的研究，并取得了相应的成果［4-6］。除此之外，Ti（C, N）基金属陶瓷在耐高温烧蚀方面也有巨大的开发潜力，孟祥龙等［7］研究了热压工艺对Ti（C, N）基纳米复合陶瓷磨具材料力学性能与微观结构的影响，陈敏等［8］研究了钴镍对TiVCN基金属陶瓷的显微组织和力学性能的影响。王铁军等［9］采用浸渗工艺试制TiC-Cu金属陶瓷，用于耐高温烧蚀材料方面作了很好的探索，然而正如该文所述，Cu对TiC的润湿性很差，需加入适量的Ti和Ni改善陶瓷的性能。有关Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷力学及电学性能的影响的研究报道较少，本文考察了不同Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷性能的影响，主要研究不同的Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷的显微组织、电阻率、抗弯强度和致密度的影响。

1 实验方法

1.1 材料制备

本实验样品是通过粉末冶金方法真空烧结制备的。所用粉末均为市售粉末，粉末纯度和粒度如表1所示，将粉末以适当的质量比例进行配料如表2所示，混料均匀后，加入适量的成型剂，在YA32-40四柱式液压机上压制成形，压制压力为30 MPa，压制试样的尺寸为（42 mm×13 mm×10 mm）然后在真空烧结炉中脱胶、烧结，烧结温度为1300 ℃，保温2 h。

1.2 性能测试

用TESCAN VEGA II LMU型扫描电镜对Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织进行观察。利用QJ44型携带式直流双臂电桥仪器测试了烧结材料的室温电阻，抗弯强度采用三点弯曲法在558X落地式万能力学试验机进行测试，用排水法测量了金属陶瓷的密度。

表1　原料的纯度（%）和粒度（μm）Tab.1 Purities and particle sizes of raw materials

表2　试样的化学成分（质量/g）Tab.2 Chemical composition of the sample

图1　1# 和4#的SEM图Fig.1 SEM images of samples #1 and #4

2 结果与讨论

2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织

图1（a）和图1（b）分别为1# 和4# 金属陶瓷经高温烧结后的扫描电镜照片，从图中可以看出，相同放大倍数下不同Cu含量添加的Ti（C, N）基金属陶瓷的的显微组织明显变大，陶瓷材料的孔隙率增大。这主要是由于在高温烧结过程中，在液相形成时，部分硬质相Ti（C, N）将会溶解到液相中，而由于硬质相Ti（C, N）和粘结相Cu的润湿性能不好，从而导致金属陶瓷的孔隙率增大。

2.2 Cu对Ti（C, N）基金属陶瓷电阻率的影响

如图2所示为不同的Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷电阻率的影响。从图中可以看出来，随着Cu的加入量的增加，Ti（C, N）基金属陶瓷的电阻率逐渐增加，当Cu的加入量为4 g时，电阻率略有降低，而后又逐渐增加，可能是由于硬质相Ti（C,N）和粘结相Cu的润湿性能得到改善，从而导致金属陶瓷的孔隙率减小，电阻率降低。综合分析，电阻率的增大的幅度较小，电阻率的值都保持在同一个数量级。从实验结果发现，虽然Cu的电阻率很小，但是在Ti（C, N）金属陶瓷中添加Cu，并不是随着Cu的加入量的增加电阻率减小，反而电阻率还有所升高。

从试验结果可以看出，随着Cu的加入量增加，Ti（C, N）基金属陶瓷电阻率有较小的增大。在金属陶瓷中，随着Cu含量的增加，已有的研究发现TiC和Cu的相互溶解度很小，Cu对TiC的润湿性较差，即使在高温下润湿角仍较大，真空状态下1200 ℃，润湿角为109 °［10, 11］，这不利于形成良好的界面结合，金属相Cu不能充分充填陶瓷相TiC颗粒之间的间隙。故随着Cu含量的增加，孔隙率呈上升趋势，从而使电阻率升高，即电导率降低。除此之外，随着Cu含量的增加，粘结相Ni的相对含量减少，且Cu对Ti（C, N）基金属陶瓷的润湿性较差，在液相烧结过程中Ti（C, N）颗粒与金属Cu的结合较松散，Ni对Ti（C, N）颗粒的粘结作用也随着Cu含量的增加而减弱，故随着Cu含量的增加，Ti（C, N）颗粒的结合越松散，从而使得金属陶瓷的电阻率反而升高。

2.3 Cu对Ti（C,N）基金属陶瓷抗弯强度的影响

如图3所示为不同Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷试样抗弯强度的影响。从图中可以看出，随着Cu的加入量的增加，Ti（C, N）基金属陶瓷的抗弯强度在逐渐减小。这主要是由于影响金属陶瓷的抗弯强度的因素有金属陶瓷的成分，热处理工艺以及金属陶瓷的形状结构，在本实验中添加Cu元素之后，由于新添加的Cu元素与基体陶瓷的润湿性能不好，使得Ti（C, N）颗粒的结合越松散，从而导致金属陶瓷的抗弯强度随着Cu含量的增加逐渐减低。

2.4 Cu对Ti（C, N）基金属陶瓷致密度的影响

对于金属陶瓷，可以采用阿基米德排水法测定材料的致密度，金属陶瓷的致密度的大小，直接影响金属陶瓷的各项性能，包括力学性能及电学性能，因此研究不同Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷致密度的影响很有必要。采用阿基米德排水法测定各样品的密度，并计算样品的致密度。如图4所示为不同Cu含量对Ti（C, N）基金属陶瓷致密度的影响，从图中可以看出来，随着Cu的加入量的增加，金属陶瓷的致密度逐渐减小。致密度减小也就是金属陶瓷中存在一定的孔隙率，这主要是由于随着金属陶瓷中Cu含量的增加，Cu与Ti（C, N）基体陶瓷的润湿性能不好造成的。

图2　Cu对Ti（C, N）基金属陶瓷电阻率的影响Fig.2 Effect of Cu content on resistivity of Ti（C，N）-based cermets

图3　Cu对Ti（C,N）基金属陶瓷抗弯强度的影响Fig.3 Effect of Cu content on fexural strength of Ti（C，N）-based cermets

图4　Cu对Ti（C,N）基金属陶瓷致密度的影响Fig.4 Effect of Cu content on density of Ti（C，N）-based cermets

4 结 论

本文研究了不同Cu含量的添加对Ti（C, N）基金属陶瓷性能的影响，主要得到的结论为：

（1）在相同放大倍数下，不同Cu含量添加的Ti（C,N）基金属陶瓷的的显微组织研究表明，随着Cu含量的增加，金属陶瓷显微组织结构明显变大，材料的空隙率也随之增大，主要是由于Cu与硬质相的润湿性能不好导致。

（2）随着Cu加入量的增加，金属陶瓷的电阻率增大，抗弯强度也随着Cu的加入量的增加而降低，金属陶瓷的致密度先减小，后稍有增大。综合分析，当金属陶瓷中Cu含量为5 g时，Ti（C, N）基金属陶瓷的综合性能最好，其电阻率最低，为7.358×10-6Ω·m，抗弯强度达到最大值，为50.637 MPa，致密度达到98.5%。

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date: 2016-01-10.Revised date: 2016-0-29.

Effect of Cu Content on Properties of Ti（C，N）- based Cermets

TONG Yanwei1，LΙ Nali2，FANG Minxian2
（1.College of Biological and Chemical Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 61700，Sichuan，China；2.College of Materials Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 61700，Sichuan，China）

A series of Ti（C，N）-based cermets with different content of Cu were prepared by means of powder metallurgy process.The effects of Cu addition amount on their microstructure，bending strength，resistivity and density were investigated.The results show that the cermet with 5 g of Cu has the resistivity of 7.358×10-6Ω · m，the highest bending strength of 50.637 MPa and the density of 98.5%.

Ti（C，N）-based cermets；resistivity；bending strength；density

TQ174.75

A

1000-2278（2016）04-0357-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.006

2016-01-10。

2016-03-29。

四川省教育厅科研项目（15ZB0426）；攀枝花市科技项目（2015CY-S-11）；钒钛资源综合利用重点项目（VTZ-2015003）。

通信联系人：同艳维（1984-），女，博士，讲师。

Correspondent author:TONG Yanwei（1984-），female，Ph.D.，Lecturer.

E-mail:317435736@qq.com