Ti（C，N）基金属陶瓷氧化后的显微结构与力学性能

2012-03-11刘维良欧阳瑞丰彭牛生

中国陶瓷工业 2012年2期

刘维良欧阳瑞丰彭牛生

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇333001）

0 引言

Ti（C，N）基金属陶瓷是以Ti（C，N）为主要陶瓷相，以Ni、Co和（或）Mo为金属粘结相，添加一些其它的难溶碳化物、氮化物的一种复合材料[1]。它不仅具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等性能，还具有优良的高温红硬性和抗蠕变性能，被广泛应用于金属切削加工[2，3]、高温防护、航空飞行器等领域[4]。在这些领域，碳氮化钛基金属陶瓷的工作环境温度远远高于室温，因此作为结构件，有必要对碳氮化钛基金属陶瓷高温氧化后的力学性能和显微结构进行研究。

1 实验

1.1 实验原料及配方

本实验首先制备Ti（C，N）基金属陶瓷试样条，所采用的原料及含量见表1。

1.2 实验设备

本实验通过球磨把粉料混合均匀，加入酒精湿磨防止粉料被氧化[5]，其工艺流程见图1。

1.3 试样表征

氧化后的试样条首先放在X射线衍射仪上测试，在扫描电镜上观察其显微结构，然后将表面抛光一面，通过三点弯曲法测试其抗弯强度，受压面为烧结时的上下面；最后将压断的试样条抛光面向上放于维氏硬度计上测试其显微硬度。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图2为试样表面氧化后的XRD图谱。从图2中可以看出，Ti（C，N）基金属陶瓷的高温氧化过程主要是金属及碳化物的氧化过程。在800℃下保温2h，试样的主要晶相Ti（C，N）和TiC的衍射峰明显减弱，说明其结晶程度已经被削弱，分析为基体内部分碳化物已经开始氧化，遮盖了主晶相，但是没有明显的衍射峰，说明氧化程度较低；900℃保温2h时，基体开始较大程度的氧化，CoWO4、MoO3、CrWO4等氧化产物大量生成，Ti（C，N）和TiC的衍射峰明显被削弱，说明氧化层中Ti（C，N）和TiC含量急剧降低，被氧化物所掩盖，因为有不太明显的TiO2衍射峰，说明Ti（C，N）和TiC也已经开始氧化，温度升到1000℃保温2h时，Ti（C，N）和TiC的衍射峰已经消失，其氧化产物TiO2的衍射峰开始突现，而且其它氧化物的衍射峰也消失，这是由于其他氧化物易挥发，在基体表面的残余量已经不能被检测到，或者被含量多的TiO2所遮盖，从而未能被检测到，说明基体表面被严重地氧化，当温度升到1100℃时，只有明显的TiO2衍射峰出现，说明基体表面已经完全被氧化。

图1 工艺流程图Fig.1 Technical process

图2 样品氧化2h的表面XRD图谱Fig.2 Surface XRD patterns of the samples oxidized for 2h（A） matrix，（B）800℃，（C）900℃，（D）1000℃，（E）1100℃

图3 样品氧化2h后表面SEM照片Fig.3 SEM m icrographs of samples oxidized for 2h（a）800℃（b）1100℃

图4 样品氧化后抛光横断面背散射电子扫描照片Fig.4 Polished cross-section BSE m icrographs of the sam ples oxidized（a）800℃，2h（b）1100℃，2h

表2 样品S10氧化后的力学性能Tab.2 Mechanicalproperties of the oxidized samp les

2.2 显微组织分析

图3为样品S10经过800℃和1100℃氧化2h后试样表面SEM图片。从图3中可以看出，（a）、（b）试样表面都具有一定的孔洞，图3（a）还有微裂纹，随着氧化温度的升高，氧原子沿着这些缺陷继续扩散到基体内部，使基体进一步被氧化。从图3中还可以看到，在800℃和1100℃下氧化2h后，试样表面都形成了一定厚度的氧化层，800℃样品表面的氧化膜未完全形成，未完全包裹住基体，致密性不高，氧化痕迹轻微；1100℃时氧化膜的致密程度高，氧化痕迹很明显，同时还存在少量孔洞，但是总体致密度较高，如图3（b）所示。

图4为样品分别在800℃和1100℃氧化2h后的横断面的背散射显微照片。从图4（a）可以看出，经过800℃氧化2h后形成的氧化膜厚度在5.97μm左右，氧化膜就是过渡层，说明氧化程度比较小；从图4（b）可以看出，试样在1100℃氧化2h后形成的氧化膜比较厚，总体厚度在56.3μm左右，且氧化膜与基体之间有一层较明显而且致密的过渡层，约11.12μm，致密的过渡层阻碍氧原子的扩散，使基体的抗氧化性能提高。

2.3 力学性能分析

对样品氧化后的试条进行抗弯强度和维氏硬度性能测试，得到表2的结果。从表2中可以看出，随着氧化温度的提高，试样的抗弯强度先大幅下降，而后稍微升高，分析认为在高温下基体中发生固相传质过程，晶粒得到重新排列整合，从而更高温度氧化后抗弯强度略有升高；基体氧化前后的维氏硬度变化不大，在20.58GPa～22.37GPa小范围内变动，认为氧化过渡层的硬度较高，阻止基体进一步被氧化，使得基体的维氏硬度受高温的影响较小。