Ti（C，N）基金屬陶瓷氧化后的顯微結構與力學性能

劉維良 歐陽瑞豐 彭牛生

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001）

0 引言

Ti（C，N）基金屬陶瓷是以Ti（C，N）為主要陶瓷相，以Ni、Co和（或）Mo為金屬粘結相，添加一些其它的難溶碳化物、氮化物的一種復合材料[1]。它不僅具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕等性能，還具有優良的高溫紅硬性和抗蠕變性能，被廣泛應用于金屬切削加工[2，3]、高溫防護、航空飛行器等領域[4]。在這些領域，碳氮化鈦基金屬陶瓷的工作環境溫度遠遠高于室溫，因此作為結構件，有必要對碳氮化鈦基金屬陶瓷高溫氧化后的力學性能和顯微結構進行研究。

1 實驗

1.1 實驗原料及配方

本實驗首先制備Ti（C，N）基金屬陶瓷試樣條，所采用的原料及含量見表1。

1.2 實驗設備

本實驗通過球磨把粉料混合均勻，加入酒精濕磨防止粉料被氧化[5]，其工藝流程見圖1。

1.3 試樣表征

氧化后的試樣條首先放在X射線衍射儀上測試，在掃描電鏡上觀察其顯微結構，然后將表面拋光一面，通過三點彎曲法測試其抗彎強度，受壓面為燒結時的上下面；最后將壓斷的試樣條拋光面向上放于維氏硬度計上測試其顯微硬度。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖2為試樣表面氧化后的XRD圖譜。從圖2中可以看出，Ti（C，N）基金屬陶瓷的高溫氧化過程主要是金屬及碳化物的氧化過程。在800℃下保溫2h，試樣的主要晶相Ti（C，N）和TiC的衍射峰明顯減弱，說明其結晶程度已經被削弱，分析為基體內部分碳化物已經開始氧化，遮蓋了主晶相，但是沒有明顯的衍射峰，說明氧化程度較低；900℃保溫2h時，基體開始較大程度的氧化，CoWO4、MoO3、CrWO4等氧化產物大量生成，Ti（C，N）和TiC的衍射峰明顯被削弱，說明氧化層中Ti（C，N）和TiC含量急劇降低，被氧化物所掩蓋，因為有不太明顯的TiO2衍射峰，說明Ti（C，N）和TiC也已經開始氧化，溫度升到1000℃保溫2h時，Ti（C，N）和TiC的衍射峰已經消失，其氧化產物TiO2的衍射峰開始突現，而且其它氧化物的衍射峰也消失，這是由于其他氧化物易揮發，在基體表面的殘余量已經不能被檢測到，或者被含量多的TiO2所遮蓋，從而未能被檢測到，說明基體表面被嚴重地氧化，當溫度升到1100℃時，只有明顯的TiO2衍射峰出現，說明基體表面已經完全被氧化。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Technical process

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

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

圖4 樣品氧化后拋光橫斷面背散射電子掃描照片Fig.4 Polished cross-section BSE m icrographs of the sam ples oxidized（a）800℃，2h（b）1100℃，2h

表2 樣品S10氧化后的力學性能Tab.2 Mechanicalproperties of the oxidized samp les

2.2 顯微組織分析

圖3為樣品S10經過800℃和1100℃氧化2h后試樣表面SEM圖片。從圖3中可以看出，（a）、（b）試樣表面都具有一定的孔洞，圖3（a）還有微裂紋，隨著氧化溫度的升高，氧原子沿著這些缺陷繼續擴散到基體內部，使基體進一步被氧化。從圖3中還可以看到，在800℃和1100℃下氧化2h后，試樣表面都形成了一定厚度的氧化層，800℃樣品表面的氧化膜未完全形成，未完全包裹住基體，致密性不高，氧化痕跡輕微；1100℃時氧化膜的致密程度高，氧化痕跡很明顯，同時還存在少量孔洞，但是總體致密度較高，如圖3（b）所示。

圖4為樣品分別在800℃和1100℃氧化2h后的橫斷面的背散射顯微照片。從圖4（a）可以看出，經過800℃氧化2h后形成的氧化膜厚度在5.97μm左右，氧化膜就是過渡層，說明氧化程度比較小；從圖4（b）可以看出，試樣在1100℃氧化2h后形成的氧化膜比較厚，總體厚度在56.3μm左右，且氧化膜與基體之間有一層較明顯而且致密的過渡層，約11.12μm，致密的過渡層阻礙氧原子的擴散，使基體的抗氧化性能提高。

2.3 力學性能分析

對樣品氧化后的試條進行抗彎強度和維氏硬度性能測試，得到表2的結果。從表2中可以看出，隨著氧化溫度的提高，試樣的抗彎強度先大幅下降，而后稍微升高，分析認為在高溫下基體中發生固相傳質過程，晶粒得到重新排列整合，從而更高溫度氧化后抗彎強度略有升高；基體氧化前后的維氏硬度變化不大，在20.58GPa～22.37GPa小范圍內變動，認為氧化過渡層的硬度較高，阻止基體進一步被氧化，使得基體的維氏硬度受高溫的影響較小。

3 結論

（1）Ti（C，N）基金屬陶瓷800℃下，基體表面氧化輕微；樣品在900℃時開始劇烈氧化，材料的抗彎強度呈現明顯的下降趨勢，試樣氧化前后的硬度變化較小。

（2）在氧化層和基體之間有層致密的過渡層，有效地防止基體被氧化。因此，Ti（C，N）基金屬陶瓷具有較高的高溫抗氧化性能。

1 ETTMAYER P，LENGAUERW.The story of cermet.Powder Met.Inter.，1989，21（2）：37～38

2陳云，杜齊明，董萬福等.現代金屬切削刀具實用技術.北京：化學工業出版社，2008

3李榮久主編.陶瓷-金屬復合材料.北京：冶金工業出版社，2004

4陸慶忠，張福潤，余立新.Ti（C，N）基金屬陶瓷的研究現狀及發展趨勢.武漢科技學報，2002，15（5）：43～46

5 K.J.A.Brookers.世界硬質合金指南手冊.株洲：株洲硬質合金廠情報科譯，1982：2～35