Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的研究现状

陈 慧，邓 莹，李 力

(重庆文理学院材料交叉学科研究中心，重庆 永川 402160)

刀具材料是现代切削和加工技术发展的关键因素，其发展水平直接关系到机械加工的效率、产品的质量和制造成本［1］.刀具材料种类繁多，目前主要刀具材料仍然是高速钢和硬质合金材料，但从发展趋势来看，世界主要工业国家都非常重视金属陶瓷刀具的研发.金属陶瓷刀具的硬度比硬质合金刀具高，抗氧化性能好［2］，并且断裂韧性和抗弯强度比非金属陶瓷刀具高，更适合对淬火钢、高强度钢以及铸铁的加工［3］.Ti(C，N)基金属陶瓷作为新型的工具材料，其应用范围填补了WC基硬质合金和陶瓷刀具之间高速精加工和半精加工领域的空白，既适用于高速精加工，又适用于钢材等的半精加工和间断切削加工，且切削速度高，表面质量好，刀具寿命长［4－8］.因此，金属陶瓷刀具不仅可以大大提高生产效率，还可以解决高速钢与硬质合金刀具的主要成分钨资源在全球范围内的资源枯竭问题［9－10］.

1 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的发展过程

第一代金属陶瓷刀具材料最早出现在20世纪30年代，由TiC和Ni粘结而成.这时的刀片还比较脆，很容易损坏，受到经济和操作上的制约，无法大规模使用这种材料，只能用于精加工［11－12］.20 世纪 60 年代，美国福特汽车公司开发了第二代金属陶瓷，添加了Mo以改善碳化物的润湿性，以此来提高材料的韧性，但由于当时的硬质合金公司的主要精力放在涂层硬质合金的研究上，新材料的出现并没有引起广泛的关注［13－14］.20 世纪 70 年代以后，第三代金属陶瓷刀具材料在原有金属陶瓷的基础上添加钛氮合金(TiCTiN )，改单相为复合相，通过添加Co和其他元素改善粘结相.由于其具有硬度高、耐磨性好、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特性，被广泛应用于难加工材料的切削加工中，可以用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削［15］.目前，金属陶瓷刀具市场上应用最多的就是Ti(C，N)基金属陶瓷.

2 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的研究现状

目前Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的主要研究方向为:组分和成分设计;晶粒细化向超细和纳米粒径发展;烧结技术的改进.

2.1 Ti(C，N)基金属陶瓷组织与性能

Ti(C，N)基金属陶瓷一般是用粉末冶金液相烧结法制成的，其显微组织较为复杂.借用扫描电子显微镜的背散射电子成像观察，其主要特征由TiC或Ti(C，N)硬质相为核心，颗粒边缘形成包覆层结构或称环型相，又称芯壳，溶入固溶体的钛、铝、碳、氮等组成的粘结相3部分.与普通金属材料相比，金属陶瓷是一种脆性材料，其断裂方式多为沿晶断裂，材料中硬质相与粘结相界面结合处的组织结构是决定材料性能的关键区域.现有的分析手段还不能清楚地表征工业上所用金属陶瓷的相界面结构，使得这方面的研究存在一定的困难［16］.

在研究金属陶瓷的相界面时，重点研究相界面对材料强韧性的影响，主要研究硬质相的尺寸、分布和与粘结相的连接方式.对Ti(C，N)基金属陶瓷的相界面过渡层进行系统的研究发现［17－18］:金属陶瓷中 Ti(C，N)硬质相周围存在明显的包覆层组织，Ti(C，N)Ni相界面没有固定的取向关系;W、Mo元素主要富集于相界面，Ti、Ni、W、Mo元素在相界面具有成分梯度.刘宁等［19］用 XRD、SEM、TEM 和 HREM 等观察分析了Ti(C，N)基金属陶瓷中陶瓷相的芯、壳组织.结果表明:Ti(C，N)基金属陶瓷中芯、壳具有相同的晶体结构、位向关系和相近的点阵参数，点阵连续地穿越芯、壳区域.

2.2 Ti(C，N)基金属陶瓷合金成分

Ti(C，N)基陶瓷的粘接相对金属陶瓷的组织和性能也会产生很大的影响.Ti(C，N)基金属陶瓷一般以 Ni为粘结相［20］，也有在Ti(C，N)基金属陶瓷生产中以Co部分代替Ni提高合金性能的［21］.不含 Co的 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料有着较高的切削速度和加工光洁度，但脆性很大;而含Co材料却无上述缺点，并且硬度、红硬性和高温抗氧化能力都较高［22］，同时Co对硬质相的润湿性更好，能减少合金孔隙度［23］.因此，以Co部分或全部取代Ni作粘结相是Ti(C，N)基金属陶瓷的研究趋势［24－25］.

Mo或Mo2C已经成为Ti(C，N)基金属陶瓷不可或缺的组成部分.Mo或Mo2C的加入具有改善金属相 Ni、Co对陶瓷相 TiC、TiN、Ti(C，N)的润湿性，提高烧结体的致密度，细化晶粒等作用，但过多的Mo会使壳部变厚，导致晶粒粗大，从而影响其力学性能.Li［26］研究发现Mo含量小于15﹪时，组织随Mo含量的增加而变细，抗弯强度逐渐升高，硬度在Mo含量为10﹪时最高，断裂韧性的峰值则出现在Mo含量为5﹪时.

碳量对材料的组织性能也有着较大影响.C的加入量一方面要确保Mo2C和脱氧所需碳量，使烧结后的组织处于粘结相和硬质相两相区内;另一方面要使材料中碳化物有合适的碳含量，以获得较高的韧性.C量过多过少都会使组织离开两相区而生成第三相［27］.

2.3 Ti(C，N)基金属陶瓷烧结方法

烧结过程是金属陶瓷制备中的最重要环节之一，它对材料的微观结构、最终性质起着举足轻重的作用［28］.在烧结过程中，烧结温度对陶瓷的性能有着重要的影响.随着烧结温度的升高，金属陶瓷的组织逐渐变得均匀，硬质晶粒逐渐球化，且其表面的环形相包覆层逐渐变得完整，温度过高，晶粒会明显长大.对于超细Ti(C，N)基金属陶瓷，经1 410℃保温60 min，可获得较满意的显微组织和较佳的机械性能，而复合Ti(C，N)基金属陶瓷的最佳烧结温度为1 450℃［29］.

金属陶瓷传统的烧结制备方法主要有真空烧结、热等静压烧结、真空后续热等静压等，目前在硬质合金生产中已经工业化应用.近几年出现了一些新型烧结方法，部分已经应用到Ti(C，N)基金属陶瓷的研究中.

真空烧结(NS)是Ti(C，N)基金属陶瓷传统的烧结方式，一般是将原料成型后的样品在800℃脱胶预烧结，再在1 440℃下真空保温1 h，制成金属陶瓷试样［27］.在真空烧结条件下，颗粒表面氧化物可在较低温度下被炉内还原，改善液相对硬质相的湿润性，从而改变粘结相的分布均匀性，使烧结体致密，而且可减少气相和固相之间反应，工艺容易控制［23］.在真空烧结时，合金易发生脱氮反应，影响合金性能.王社权［30］发现Ar、Co、甲烷不同烧结气氛下 WC－(W，Ti)C －(Ta，Nb)C－Ti(C，N)－Co的合金性能都受到影响.Zhou Shuzhu［31］发现TiC基金属陶瓷在氮气中比在氢气中烧结得到的烧结体性能好.目前，关于Ti(C，N)基金属陶瓷烧结气氛的研究更多的是在减压氮气氛中烧结金属陶瓷.氮气烧结时，烧结温度和氮气压力一般随合金中氮含量的增大而提高.

为了减少烧结态金属陶瓷的缺陷尺寸，一般在真空烧结后对Ti(C，N)基金属陶瓷进行热等静压(HIP)或低压处理(LP)［32］.在真空烧结后用HIP技术处理的称真空后续热等静压.热等静压的特点是所需温度低，温升速度快，在压力和温度的共同作用下能在较低温度下获得致密的烧结体.

熊计等［33］发现HIP处理对纳米改性的 Ti(C，N)基金属陶瓷的合金性能影响较明显，致密度也有较大提高.袁宏辉等［34］对TiC－TiN－WC－TaC－Mo2C－NbC－Ni－Co系金属陶瓷在真空烧结及低压烧结处理工艺下的性能进行了对比，低压烧结炉内压力最后达到5 MPa.发现低压烧结使制品中的孔隙度明显减少，改善了硬质相和粘结相之间的润湿性，阻止了硬质相的长大，从而细化了晶粒，减少了Ni池的出现和内部组织缺陷，提高了强度和硬度.低压烧结TiC基硬质合金切削性能也比普通真空烧结有明显提高.

自蔓延高温合成技术 (SHS)是借助反应物间固相反应所放出的巨大热量维持反应的自发持续进行，从而使反应物转变为生成物的材料制备新工艺.SHS研究一般针对诸如碳化物、硼化物、氮化物等单相陶瓷材料，最近也用其来合成金属陶瓷，但是所有结果均表明所制得的材料孔隙度大多高于10﹪，力学性能无法得到保证［35］.要想用自蔓延高温合成法合成致密度较高、组织细的金属陶瓷，通常将其与热压、热等静压、冲击压实等方法结合起来.Lasalvia等［36］将其与冲击压实法结合，制备出的TiC－Ni金属陶瓷致密度大大提高，使孔隙度降低到2﹪以下.Han［37］将其与准等静压技术结合，获得了致密度高于96﹪、晶粒度为亚微级的TiC－Ni金属陶瓷.自蔓延高温合成法与其它方法的结合使合成金属陶瓷的致密度大大提高，但仍比常规方法略低.

放电等离子烧结(SPS)是一种快速烧结新工艺.近几年国外许多大学和科研机构都相继利用SPS技术进行研究工作.SPS烧结系统是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部每个颗粒产生均匀的自发热并使颗粒表面化，由于升温、降温速度快，保温时间短，使烧结过程快速跳过表面扩散阶段，减少了颗粒的生长，同时也缩短了制备周期，节约了能源.夏阳华、Yongzheng 等人［38－39］用 SPS 技术制备了Ti(C，N)基金属陶瓷材料，相对于真空烧结工艺，烧结温度大大降低，保温时间缩短.SPS烧结工艺参数对含超细或纳米粉末的Ti(C，N)基金属陶瓷的组织和性能影响非常明显.Alvarez［40］研究发现超细晶粒特别适合用放电等离子烧结技术，通过放电等离子烧结C含量较高的Ti(C，N)粉末，也有可能形成芯－环结构.

微波烧结的加热和烧结速度非常快，且试样内部温度梯度小，这样使材料内部热应力可以减小到最小.这对于制备超细晶粒的高密度、高强度、高韧性陶瓷材料非常有利.晋勇［41］用微波烧结方法成功地对纳米金属陶瓷进行了烧结.在1 400℃下保温10 min时试样的相对密度已达99﹪.烧结所需温度降低，烧结时间大幅度缩短，且烧结前后晶粒尺寸变化很小，实现了高效节能.

Ti(C，N)基金属陶瓷冶金反应十分复杂，需要进一步研究和深入.新型烧结方法对于超细晶粒的Ti(C，N)基金属陶瓷制备与研究具有重要的意义，需要进一步研究和优化.

3 结语

20世纪90年代以来，日本、美国和我国关于Ti(C，N)基金属陶瓷材料的研究和应用急剧增多，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的性能得到了极大的改善，现在Ti(C，N)基金属陶瓷的制备方法、晶粒细化、纳米改性以及纳米Ti(C，N)基金属陶瓷材料、梯度Ti(C，N)基金属陶瓷材料制备等方面已经取得了相当大的进展.其应用范围已由精加工、半精加工扩大到粗加工，由切削扩大到铣削等苛刻条件下的加工.Ti(C，N)基金属陶瓷对推动高速切削、精密加工技术进步，促进机械、汽车、五金装备等行业水平的提高有着显著的积极意义.同时，采用Ti(C，N)金属陶瓷刀具，可以解决各行业难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺;另一方面，由于Ti(C，N)金属陶瓷具有较好的红硬性和抗氧化能力，可以实现高速高效切削加工和干式切削加工，减少或不用切削液，大大降低切削加工费用，并可实现绿色加工.

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