Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及摩擦学性能研究

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Ti(C,N)基金属陶瓷,具有高硬度、高耐磨性、高熔点、高抗氧化性和高耐腐蚀等性能,是一种性能优异且用途十分广泛的材料。在耐磨性与切削效率方面,Ti(C,N)基金属陶瓷优于传统的WC基硬质合金,在生产加工中的许多场合成功的取代了WC基硬质合金。然而,随着社会的不断进步,工业生产中对于Ti(C,N)基金属陶瓷的要求也在越来越高,为了提高材料的综合力学性能和摩擦学性能,本文设计了以下研究思路:采用高温自蔓延反应法制备Ti(C,N)粉末,并采用等离子烧结工艺制备试样;本文研究了不同成分的Ti(C,N)金属陶瓷的微观组织、力学性能和摩擦学性能;本文研究了粘结相Co元素、添加相(Ti,Nb)N、WC和VC对金属陶瓷的影响,探究其细化晶粒、提升致密度的原因,并研究其摩擦磨损机理;本课题摩擦磨损试验参数为,载荷20N,转速400rpm,试验时间60分钟。(1)本文采用高温自蔓延反应法分别制备了:Ti(C0.3,N0.7)、Ti(C0.5,N0.5)、Ti(C07,N0.3)和(Ti,Nb)N四种粉末。其优点在于易于控制粉末的C/N比,粉末纯度高、结晶度高,生产效率高、生产成本低、且适用于大批量的生产。本实验烧结试样所采用的方法为放电等离子烧结法,该方法升温快且烧结温度较低。本文通过实验研究,制定的烧结参数为,温度1350℃,时间10分钟。(2)对比不同Ti(C,N)/Co复合材料,成分为Ti(C0.3,N0.7)/Co的试样性能较佳,其硬度为1731HV,韧性为11.14 MPa.m1/2,摩擦系数为0.25,磨损率为2.045×10-10 mm3·N-1m-1。Co能够提升硬质相和粘结相的润湿性,试样晶粒细小且致密度高,摩擦过程中易形成稳定的润滑膜,且表层有部分CoxTi金属化合物从基体中被挤出表面,改善了表面润滑性。通过对试样的磨痕进行微观分析可知,试样的磨损机理主要为疲劳磨损和氧化磨损(3)为进一步提高Ti(C,N)金属陶瓷的摩擦磨损性能,本课题制备了不同Ti(C,N)/(Nb,Ti)N/Co复合材料。成分为Ti(C0.3,N0.7)/(Nb,Ti)N/Co试样的综合性能较佳,其硬度为1640HV,断裂韧性为9.62MPa.m1/2,摩擦系数为0.22,磨损率为1.69×10-10mm3·N-1m-1。添加相(Nb,Ti)N可以提高金属陶瓷的烧结性能和致密度。在摩擦试验过程中,试样跑合时间短,摩擦系数进入平稳状态快,表面形成高硬度润滑膜,提高材料摩擦学性能。通过对试样的磨痕,进行微观分析可知,试样的磨损机理主要为疲劳磨损和氧化磨损。(4)为进一步提高Ti(C,N)金属陶瓷的硬度且不损失韧性,本课题制备了不同Ti(C,N)/WC/VC/Co复合材料。WC含量为10wt.%的试样性能较佳,其硬度为1997HV,断裂韧性为9.11MPa.m1/2,摩擦系数为0.25,磨损率为2.39×10-10 mm3·N-1m-1。添加WC可以提升材料烧结性和致密度,但当WC含量过大时,微观组织中会出现游离的WC从而降低试样的机械性能。本文再加入VC作为添加相,VC具有细化晶粒的作用,能够在高温下与WC、TiC形成在稳定的(Ti,W,V)C固溶体,起到了固溶强化的作用,并使得金属陶瓷的硬度大幅度提升,同时断裂韧性损失甚微,优化力学性能和摩擦学性能。试样基体的表面承载力较高,在摩擦初始阶段试样表面不易破裂,摩擦系数上升平稳,通过对试样的磨痕进行微观分析可知,磨损机理主要为,疲劳磨损和磨粒磨损。
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