TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的制备及力学性能

徐秀国，许崇海，，方 斌，王春林，衣明东

（1齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院，济南250353；2齐鲁工业大学 山东省高校轻工装备先进制造与测控技术重点实验室，济南250353；3山东大学 机械工程学院，济南250061）XU Xiu－guo1，2，XU Chong－hai 1，2，3，FANG Bin1，2，

二硼化钛（TiB2）是B－Ti二元系统中唯一的稳定化合物。作为非氧化物陶瓷材料，TiB2具有高熔点、高硬度、耐腐蚀性和抗氧化性好等优点，同时具有良好的导电性、导热性和可加工性[1］。由于自扩散系数很低，TiB2陶瓷的烧结性能很差。随着超微细粉末制备技术和有效烧结助剂的开发，以及复相陶瓷设计等的发展，使得TiB2低温烧结成为可能，TiB2陶瓷材料已经获得广泛应用[2，3］。碳化钨（WC）具有良好的抗弯强度，适合作为增强剂[4］。Song等[5］采用热压烧结技术，制备的TiB2／WC陶瓷复合材料具有良好的烧结性能和力学性能。六方氮化硼（h－BN）的热膨胀系数低、热导率高、抗热震性优良，具有良好的化学稳定性和电绝缘性，在惰性气氛中2800℃的温度下仍很稳定，是良好的高温固体润滑剂[6］。对于h－BN的研究，主要包括抗热震性能和润滑性能两个方面。一些学者分 别 研 究 了 Al2O3／h－BN[7－10］，Si3N4／h－BN[11－13］，AlN／h－BN[14，15］， SiC／h－BN[16，17］， SiO2／h－BN[18］，TiB2／h－BN[19］，B4C／h－BN[20］，ZrO2／h－BN[21］等复合陶瓷，发现h－BN的添加，可以有效地提高陶瓷材料的润滑性能和抗热震性能。

本工作以TiB2为基体，WC为增强剂，h－BN为固体润滑剂，Ni和Mo为烧结助剂，采用热压烧结工艺制备了TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料，并研究了材料的力学性能。

1 实验

采用的TiB2粉末和h－BN粉末购自潍坊邦德特种材料有限公司，平均粒径分别为2.5μm和1.5μm，纯度均大于99.9%；WC粉末购自厦门金鹭特种合金有限公司，平均粒径为1μm，纯度大于99.9%；烧结助剂Ni，Mo购自国药集团化学试剂有限公司，纯度分别为99.5%和99%。TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料组分配比如表1所示，其中试样1和试样2分别是添加10%（体积分数，下同）h－BN和不添加h－BN的材料。按表1的配比称量粉末，添加适量的无水乙醇，用搅拌器充分搅拌，超声分散40min，配制成悬浮液，再用硬质合金球球磨48h，然后真空干燥48h，粉体过筛，密封保存。采用真空热压烧结工艺，将制备的粉体装入石墨模具中冷压15min，然后装炉热压烧结。热压烧结工艺：烧结温度1650℃，热压压力25MPa，保温时间30min，升温速率10℃／min。

由于TiB2陶瓷材料具有良好的导电性能，制得的TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料采用电火花线切割加工。试样经过粗磨、精磨、研磨、抛光，制成尺寸为3mm×4mm×35mm的样条。采用三点弯曲法测量陶瓷材料的抗弯强度，跨距为20mm，加载速率为0.5mm／min；采用压痕法测量陶瓷材料的断裂韧性和硬度，加载载荷196N，保压时间15s，在400倍光学显微镜下测量压痕的大小和裂纹的长度；采用阿基米德排水法测定材料的实际密度；采用FEI－quanta 200型环境扫描电镜（SEM）观察材料断口形貌、晶界与晶粒情况和压痕裂纹扩展情况；采用BRUKER D8X－ray衍射仪（XRD）分析材料的物相，扫描角度20～80°；在MMW－1A组态控制万能摩擦磨损试验机上采用销－盘配副形式进行材料摩擦因数的测试，磨环材料为45＃钢，加载载荷50N，转速200r／min。

表1 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的组分配比（体积分数／%）Table 1 Compositions of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（volume fraction／%）

2 结果与讨论

2.1 密度

TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的密度如表2所 示。 可 知，TiB2／WC／h－BN 自 润 滑 陶 瓷 材 料 与TiB2／WC陶瓷材料相比，相对密度较低，为97.5%，这是由于添加了10%的片状结构h－BN，降低了材料的致密度。

表2 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的密度Table 2 Density of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

2.2 力学性能

TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的力学性能如表3所示。可知，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的硬度为14.8GPa，与TiB2／WC陶瓷材料的硬度相近；断 裂韧性为4.5MPa·m1／2，略低于TiB2／WC陶瓷材料；但抗弯强度降低明显，仅为652MPa，这主要是由于h－BN自身的低强度所致。因此，固体润滑剂h－BN的添加，虽然降低了TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性，但是对材料的硬度影响很小。

表3 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的力学性能Table 3 Mechanical properties of TiB2／WC／h－BNself－lubricating ceramic material

固体润滑剂h－BN的添加，在改善材料摩擦性能的同时，力学性能均有不同程度的降低。如李永利等[22］制备的 Al2O3／h－BN 纳米复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为451MPa和5.5MPa·m1／2。陈晓虎[23］制备的 Al2O3／h－BN 自润滑复相陶瓷的抗弯强度为247.6MPa。陈永红等[24］采用热压烧结工艺制备的 TiB2／h－BN／AlN复相陶瓷，最大抗弯强度为230MPa。

2.3 XRD分析

TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的XRD图谱如图1所示。可见，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的主晶相为 TiB2，WC，h－BN，同时还有生成物 W2C，TiC，Ni4B3和 MoNi4。其中，Ni4B3的生成是由于发生了界面反应，但是轻微的界面反应可以改善陶瓷材料的烧结性能[5］。

2.4 SEM 分析

图1 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

图2为 TiB2／WC和 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料断面的SEM形貌。可以看出，在TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料中，TiB2晶粒的平均尺寸为2～3μm，片状结构的h－BN分布均匀，表面平整，边缘光滑，颗粒发育良好；而TiB2／WC陶瓷材料中TiB2晶粒的平均尺寸为3～5μm，这表明固体润滑剂h－BN的加入，可以有效地抑制TiB2晶粒生长，改善材料的微观结构。与 TiB2／WC 陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN 自润滑陶瓷材料中存在较多的气孔，这是由于各向异性的片状h－BN颗粒与TiB2颗粒的结合较弱。在TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料中，h－BN 会形成支架结构，使得烧结过程中液相形成后颗粒之间的滑动、旋转和重排受到阻碍，影响了自润滑陶瓷材料的致密化。

图2 TiB2／WC／h－BN（a），TiB2／WC（b）陶瓷材料的断面SEM 形貌Fig.2 SEM morphologies of fractures of TiB2／WC／h－BN（a）and TiB2／WC（b）ceramic materials

在TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的断口处都有明显的晶粒穿晶断裂的断面，这是典型的穿晶断裂模式；还有凸起的晶粒和部分晶粒拔出后留下的凹坑，这是典型的沿晶断裂模式。因此，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的断裂模式是穿晶／沿晶断裂的混合型，但以穿晶断裂模式为主。这种穿晶断裂模式有利于提高自润滑陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。

图3是TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料压痕裂纹扩展的SEM 形貌。可以看出，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料压痕裂纹的扩展形态以裂纹偏转和裂纹桥联为主。由于TiB2，WC与h－BN的热胀失配等的影响，当裂纹沿着某个方向扩展时，碰到增强相 WC或TiB2基体颗粒阻碍时，会在界面处发生偏转，消耗一部分断裂能（图3（b））。同时，当延伸扩展的裂纹遇到WC颗粒时，部分WC颗粒会起到桥接的作用，并在裂纹表面产生闭合应力，抵消部分裂纹表面的应力（图3（a））。此外，由于 TiB2，WC与h－BN 的界面较弱，当裂纹在扩展过程中遇到h－BN颗粒时，会沿着h－BN的界面扩展，因而增加和改变了裂纹的扩展路径。几种增韧机制的综合作用，使得TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料能保持较高的断裂韧性。

图3 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料压痕裂纹扩展的SEM形貌 （a）裂纹桥联；（b）裂纹偏转Fig.3 SEM morphologies of indentation crack propagation for TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material（a）crack bridging；（b）crack deflection

2.5 摩擦因数

h－BN具有良好的润滑性能，适合作为刀具材料中的固体润滑剂。TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的摩擦因数如图4所示。TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的摩擦因数μ为0.3以下，TiB2／WC陶瓷材料的摩擦因数μ在0.45左右。实验表明，固体润滑剂h－BN的添加能改善材料摩擦性能。此外，孟庆昌等[25］研究了Si3N4／h－BN陶瓷复合材料的摩擦性能，当h－BN的含量从0%增加到10%时，摩擦因数从0.85逐渐降低到0.65。与其他添加h－BN的自润滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料具有良好的力学和摩擦性能，有望在干切削加工中作为刀具材料得到应用。

图4 TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的摩擦因数Fig.4 The friction coefficient of TiB2／WC／h－BN self－lubricating ceramic material

3 结论

（1）采用真空热压烧结工艺制备了含10%h－BN的TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料，具有良好的力学性能，其相对密度为97.5%。

（2）在 TiB2／WC／h－BN 自润滑陶瓷材料中，各相晶粒分布均匀，片状结构的h－BN颗粒保存完整，可有效抑制基体TiB2晶粒的长大。材料的断裂模式是以穿晶断裂为主的穿晶／沿晶断裂的混合型。压痕裂纹扩展形貌分析表明，增韧机理主要是裂纹偏转和裂纹桥联。

（3）TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料的摩擦因数低于0.3。与其他添加h－BN的自润滑陶瓷材料相比，TiB2／WC／h－BN自润滑陶瓷材料具有良好的力学和摩擦性能，有望作为一种新型刀具材料，在干切削加工中得到应用。

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