文章编号:１００１-９７３１(２０１４)１３-１３１２６-０５
TiCN基梯度功能金属陶瓷的制备及其切削性能?
唐思文１,２,刘德顺２,李鹏南３,唐文波３,唐一德３
(１．中南大学机电工程学院,长沙４１００８３;
２．湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室,湖南湘潭４１１２０１;
３．湖南科技大学机电工程学院,湖南湘潭４１１２０１)
摘一要:一以TiCN-WC-Mo２C-TaC-Co-Ni为原料,通过成分和气氛控制,获得了功能梯度TiCN基金属陶瓷材料.采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X 射线衍射仪观察和分析了材料的微观组织和物相组成,通过车削实验考察了所制备的刀具的切削性能.结果表明,WC含量较低时,通过气氛控制可以获得表面富Ti层二中间富W层和基体的３层TiCN基金属陶瓷梯度层,烧结温度的提高有利于梯度层的厚度的增加;WC含量较高时,烧结后WC在表面富集.１５％WC含量的TiCN基金属陶瓷在１４６０?氮气气氛中烧结１h时,富Ti层的厚度约为１５~２０μm,富W层厚度约为１５~２０μm.经氮化烧结后材料表面的(Ti, W,Mo)(C,N)衍射峰相对材料内部向右偏移.真空烧结时,当WC含量较低时,Ti和W元素分布比较均匀;随着WC含量的升高,表面出现了贫Ti富W层,且随着WC含量增加,表面富W层增厚,WC含量为２４％时,富W层厚度＞２５μm.切削实验表明表面富Ti的金属陶瓷的切削性能优于表面富W的金属陶瓷材料.
关键词:一TiCN;金属陶瓷;梯度;微观组织;切削性能中图分类号:一TG７;TH１４;TG１５文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１４．１３．０２７
１一引一言
碳氮化钛(TiCN)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上添加TiN发展而来的新型刀具材料[１].由于具有高硬度二高热稳定性二极好的抗蠕变和耐磨性能,TiCN基金属陶瓷已在半精和精加工领域成功替代WC基硬质合金[２-４].均质的TiCN基金属陶瓷,以TiCN为主要硬质相,Co二Ni等为粘结相,并添加其它碳化物二氮化物经粉末冶金方法制备而成.切削加工的发展,特别是高速切削加工的发展,刀具所处的环境更复杂,对切削刀具的耐磨性提出了更高的要求[５].２０世纪９０年代中期,日本学者T．Nomura等[６-７]采用原位扩散工艺制备了表面富N的梯度结构合金,极大地提高刀具的耐磨性和断裂韧性.随后,奥地利学者W．Len g auer等[８－１１]对原位扩散制备功能梯度硬质材料的相形成二冶金反应二液相形成温度二脱气温度和微观结构等进行了较系统的研究,张武装等[１２]研究了TiCN含量对WC基硬质合金梯度涂层的影响.大量的研究结果表明[１１,１３-１６],通过真空烧结可以在刀具材料表面形成富W的韧性层,为制备高性能涂层打下基础,通过控制气氛烧结可以在刀具表面形成富Ti的立方相碳化物和氮化物层,其切削性能优于均质的金属陶瓷和涂层硬质合金.但以TiCN为主要硬质相,制备梯度金属陶瓷的研究甚少.本文以高耐磨的TiCN 基金属陶瓷为研究对象,研究烧结温度二烧结气氛和WC含量对TiCN基金属陶瓷梯度结构形成及其显微结构的影响.
２一实一验
以TiCN二WC二Mo２C二TaC二Co二Ni为实验原料,按表１所示的比例配制好后,装入高能球磨机中球磨和混合,球料比为８?１,球磨介质为无水乙醇,球磨时间为９６h,干燥后得到成分均匀的原料粉末,将原料粉末在３００MPa下冷压成型,放入真空炉中进行烧结,烧结温度为１４３０和１４６０?,保温１h.为获得表面富N的梯度TiCN基金属陶瓷,在保温阶段通入１０４Pa 的氮气进行渗氮处理.采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察和分析材料的微观组织和物相组成.将烧结好的材料在工具磨床上加工成刀片,在北一大隈LBJ-３７０型高速车床上进行干切削实验,工件材料为４５钢,硬度HB１９０.在切削速度为２２０,３００m/min,进给量f＝０．１５mm/r,切削深度为a p＝０．５mm的切削条件下,分别对真空烧结的３号成分刀片和氮化烧结的１号成分刀片进行切削实验,在超景深显微镜下测量刀具的后刀面磨损.
６２１３
１２０１４年第１３期(４５)卷
?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１３０５１３４,５１２７５１６８);湖南省科技计划资助项目(２０１３GK３０９２);湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目(湘财教指[２０１０]７０号)
收到初稿日期:２０１３-１０-１７收到修改稿日期:２０１４-０３-２５通讯作者:刘德顺,E-mail:deshunliu＠hotmail．com 作者简介:唐思文一(１９８０－),男,湖南长沙人,讲师,在读博士,师承刘德顺教授,从事金属陶瓷刀具制备及其高速切削加工机理研究.