超细碳氮化钛基金属陶瓷的微波烧结工艺与性能

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TiCN基金属陶瓷因其具有高的硬度、很好的耐磨性和红硬性、优良的热导率、以及良好的化学稳定性和抗粘结能力,是一种极具潜力的刀具材料。本论文采用球磨方法制备了TiCN超细粉末,采用微波烧结技术制备了超细TiCN基金属陶瓷以及纳米复合超细TiCN基金属陶瓷;考察了不同球磨时间下粉末粒度的分布情况,分析了球料比和球磨时间对TiCN粉末粒度的影响,研究了烧结温度、保温时间和纳米粒子添加量对材料组织与性能的影响规律;并利用扫描电子显微镜(SEM)(带EDS)观察并分析了TiCN粉末的形貌、超细TiCN基金属陶瓷的断口组织及其元素分布,得出如下研究结果:1.采用球磨工艺可有效制备TiCN超细粉末;随着球料比和球磨时间的增加,粉末平均粒径均出现先减小后增大的趋势,球料比为8:1时球磨50h可获得平均粒径为0.84μm的类球形TiCN超细粉末。2.采用微波烧结技术可以制备出晶粒细小、组织均匀、性能优异的超细金属陶瓷。随着烧结温度的升高,超细金属陶瓷的收缩率、致密度、抗弯强度和硬度均先增大后减小,在1500℃时出现极大值;超细金属陶瓷合适的微波烧结工艺为1500℃保温30min,此时其抗弯强度和硬度值分别为1547MPa和90.6HRA,与常规烧结相比分别提高了24.0%和0.7%。3.随着烧结温度的升高,纳米Al2O3复合超细金属陶瓷的线收缩率、致密度、抗弯强度和硬度均先增大后减小,在1500℃时出现极大值;纳米Al2O3复合超细金属陶瓷合适的微波烧结工艺为1500℃保温30min;实验中纳米Al2O3的添加反而降低了超细金属陶瓷的力学性能,其原因主要是纳米Al2O3在超细金属陶瓷内发生了严重的团聚。4.随着烧结温度的升高,纳米Si3N4复合超细金属陶瓷的线收缩率、致密度、抗弯强度和硬度均先增大后减小,在1500℃时出现极大值;纳米Si3N4复合超细金属陶瓷合适的微波烧结工艺为1500℃保温30min。5.随着纳米Si3N4添加量的增加,材料的抗弯强度和硬度均先增大后减小,当纳米Si3N4的添加量为2.0%时,材料具有最佳的力学性能,此时其抗弯强度和硬度分别为1749MPa和91.8HRA,较未添加纳米材料的超细金属陶瓷分别提高13.1%和1.3%。纳米Si3N4复合超细金属陶瓷的断裂方式为沿晶断裂和少量大颗粒硬质相的穿晶断裂,其强化机制为细晶强化和弥散强化。
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