陳 慧，鄧 瑩，李 力

(重慶文理學院材料交叉學科研究中心，重慶 永川 402160)

刀具材料是現代切削和加工技術發展的關鍵因素，其發展水平直接關系到機械加工的效率、產品的質量和制造成本［1］.刀具材料種類繁多，目前主要刀具材料仍然是高速鋼和硬質合金材料，但從發展趨勢來看，世界主要工業國家都非常重視金屬陶瓷刀具的研發.金屬陶瓷刀具的硬度比硬質合金刀具高，抗氧化性能好［2］，并且斷裂韌性和抗彎強度比非金屬陶瓷刀具高，更適合對淬火鋼、高強度鋼以及鑄鐵的加工［3］.Ti(C，N)基金屬陶瓷作為新型的工具材料，其應用范圍填補了WC基硬質合金和陶瓷刀具之間高速精加工和半精加工領域的空白，既適用于高速精加工，又適用于鋼材等的半精加工和間斷切削加工，且切削速度高，表面質量好，刀具壽命長［4－8］.因此，金屬陶瓷刀具不僅可以大大提高生產效率，還可以解決高速鋼與硬質合金刀具的主要成分鎢資源在全球范圍內的資源枯竭問題［9－10］.

1 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的發展過程

第一代金屬陶瓷刀具材料最早出現在20世紀30年代，由TiC和Ni粘結而成.這時的刀片還比較脆，很容易損壞，受到經濟和操作上的制約，無法大規模使用這種材料，只能用于精加工［11－12］.20 世紀 60 年代，美國福特汽車公司開發了第二代金屬陶瓷，添加了Mo以改善碳化物的潤濕性，以此來提高材料的韌性，但由于當時的硬質合金公司的主要精力放在涂層硬質合金的研究上，新材料的出現并沒有引起廣泛的關注［13－14］.20 世紀 70 年代以后，第三代金屬陶瓷刀具材料在原有金屬陶瓷的基礎上添加鈦氮合金(TiCTiN )，改單相為復合相，通過添加Co和其他元素改善粘結相.由于其具有硬度高、耐磨性好、高溫力學性能優良和不易與金屬發生粘結等特性，被廣泛應用于難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，金屬陶瓷刀具市場上應用最多的就是Ti(C，N)基金屬陶瓷.

2 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的研究現狀

目前Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的主要研究方向為:組分和成分設計;晶粒細化向超細和納米粒徑發展;燒結技術的改進.

2.1 Ti(C，N)基金屬陶瓷組織與性能

Ti(C，N)基金屬陶瓷一般是用粉末冶金液相燒結法制成的，其顯微組織較為復雜.借用掃描電子顯微鏡的背散射電子成像觀察，其主要特征由TiC或Ti(C，N)硬質相為核心，顆粒邊緣形成包覆層結構或稱環型相，又稱芯殼，溶入固溶體的鈦、鋁、碳、氮等組成的粘結相3部分.與普通金屬材料相比，金屬陶瓷是一種脆性材料，其斷裂方式多為沿晶斷裂，材料中硬質相與粘結相界面結合處的組織結構是決定材料性能的關鍵區域.現有的分析手段還不能清楚地表征工業上所用金屬陶瓷的相界面結構，使得這方面的研究存在一定的困難［16］.

在研究金屬陶瓷的相界面時，重點研究相界面對材料強韌性的影響，主要研究硬質相的尺寸、分布和與粘結相的連接方式.對Ti(C，N)基金屬陶瓷的相界面過渡層進行系統的研究發現［17－18］:金屬陶瓷中 Ti(C，N)硬質相周圍存在明顯的包覆層組織，Ti(C，N)Ni相界面沒有固定的取向關系;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.劉寧等［19］用 XRD、SEM、TEM 和 HREM 等觀察分析了Ti(C，N)基金屬陶瓷中陶瓷相的芯、殼組織.結果表明:Ti(C，N)基金屬陶瓷中芯、殼具有相同的晶體結構、位向關系和相近的點陣參數，點陣連續地穿越芯、殼區域.

2.2 Ti(C，N)基金屬陶瓷合金成分

Ti(C，N)基陶瓷的粘接相對金屬陶瓷的組織和性能也會產生很大的影響.Ti(C，N)基金屬陶瓷一般以 Ni為粘結相［20］，也有在Ti(C，N)基金屬陶瓷生產中以Co部分代替Ni提高合金性能的［21］.不含 Co的 Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料有著較高的切削速度和加工光潔度，但脆性很大;而含Co材料卻無上述缺點，并且硬度、紅硬性和高溫抗氧化能力都較高［22］，同時Co對硬質相的潤濕性更好，能減少合金孔隙度［23］.因此，以Co部分或全部取代Ni作粘結相是Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究趨勢［24－25］.

Mo或Mo2C已經成為Ti(C，N)基金屬陶瓷不可或缺的組成部分.Mo或Mo2C的加入具有改善金屬相 Ni、Co對陶瓷相 TiC、TiN、Ti(C，N)的潤濕性，提高燒結體的致密度，細化晶粒等作用，但過多的Mo會使殼部變厚，導致晶粒粗大，從而影響其力學性能.Li［26］研究發現Mo含量小于15﹪時，組織隨Mo含量的增加而變細，抗彎強度逐漸升高，硬度在Mo含量為10﹪時最高，斷裂韌性的峰值則出現在Mo含量為5﹪時.

碳量對材料的組織性能也有著較大影響.C的加入量一方面要確保Mo2C和脫氧所需碳量，使燒結后的組織處于粘結相和硬質相兩相區內;另一方面要使材料中碳化物有合適的碳含量，以獲得較高的韌性.C量過多過少都會使組織離開兩相區而生成第三相［27］.

2.3 Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結方法

燒結過程是金屬陶瓷制備中的最重要環節之一，它對材料的微觀結構、最終性質起著舉足輕重的作用［28］.在燒結過程中，燒結溫度對陶瓷的性能有著重要的影響.隨著燒結溫度的升高，金屬陶瓷的組織逐漸變得均勻，硬質晶粒逐漸球化，且其表面的環形相包覆層逐漸變得完整，溫度過高，晶粒會明顯長大.對于超細Ti(C，N)基金屬陶瓷，經1 410℃保溫60 min，可獲得較滿意的顯微組織和較佳的機械性能，而復合Ti(C，N)基金屬陶瓷的最佳燒結溫度為1 450℃［29］.

金屬陶瓷傳統的燒結制備方法主要有真空燒結、熱等靜壓燒結、真空后續熱等靜壓等，目前在硬質合金生產中已經工業化應用.近幾年出現了一些新型燒結方法，部分已經應用到Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究中.

真空燒結(NS)是Ti(C，N)基金屬陶瓷傳統的燒結方式，一般是將原料成型后的樣品在800℃脫膠預燒結，再在1 440℃下真空保溫1 h，制成金屬陶瓷試樣［27］.在真空燒結條件下，顆粒表面氧化物可在較低溫度下被爐內還原，改善液相對硬質相的濕潤性，從而改變粘結相的分布均勻性，使燒結體致密，而且可減少氣相和固相之間反應，工藝容易控制［23］.在真空燒結時，合金易發生脫氮反應，影響合金性能.王社權［30］發現Ar、Co、甲烷不同燒結氣氛下 WC－(W，Ti)C －(Ta，Nb)C－Ti(C，N)－Co的合金性能都受到影響.Zhou Shuzhu［31］發現TiC基金屬陶瓷在氮氣中比在氫氣中燒結得到的燒結體性能好.目前，關于Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結氣氛的研究更多的是在減壓氮氣氛中燒結金屬陶瓷.氮氣燒結時，燒結溫度和氮氣壓力一般隨合金中氮含量的增大而提高.

為了減少燒結態金屬陶瓷的缺陷尺寸，一般在真空燒結后對Ti(C，N)基金屬陶瓷進行熱等靜壓(HIP)或低壓處理(LP)［32］.在真空燒結后用HIP技術處理的稱真空后續熱等靜壓.熱等靜壓的特點是所需溫度低，溫升速度快，在壓力和溫度的共同作用下能在較低溫度下獲得致密的燒結體.

熊計等［33］發現HIP處理對納米改性的 Ti(C，N)基金屬陶瓷的合金性能影響較明顯，致密度也有較大提高.袁宏輝等［34］對TiC－TiN－WC－TaC－Mo2C－NbC－Ni－Co系金屬陶瓷在真空燒結及低壓燒結處理工藝下的性能進行了對比，低壓燒結爐內壓力最后達到5 MPa.發現低壓燒結使制品中的孔隙度明顯減少，改善了硬質相和粘結相之間的潤濕性，阻止了硬質相的長大，從而細化了晶粒，減少了Ni池的出現和內部組織缺陷，提高了強度和硬度.低壓燒結TiC基硬質合金切削性能也比普通真空燒結有明顯提高.

自蔓延高溫合成技術 (SHS)是借助反應物間固相反應所放出的巨大熱量維持反應的自發持續進行，從而使反應物轉變為生成物的材料制備新工藝.SHS研究一般針對諸如碳化物、硼化物、氮化物等單相陶瓷材料，最近也用其來合成金屬陶瓷，但是所有結果均表明所制得的材料孔隙度大多高于10﹪，力學性能無法得到保證［35］.要想用自蔓延高溫合成法合成致密度較高、組織細的金屬陶瓷，通常將其與熱壓、熱等靜壓、沖擊壓實等方法結合起來.Lasalvia等［36］將其與沖擊壓實法結合，制備出的TiC－Ni金屬陶瓷致密度大大提高，使孔隙度降低到2﹪以下.Han［37］將其與準等靜壓技術結合，獲得了致密度高于96﹪、晶粒度為亞微級的TiC－Ni金屬陶瓷.自蔓延高溫合成法與其它方法的結合使合成金屬陶瓷的致密度大大提高，但仍比常規方法略低.

放電等離子燒結(SPS)是一種快速燒結新工藝.近幾年國外許多大學和科研機構都相繼利用SPS技術進行研究工作.SPS燒結系統是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結，利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產生的瞬時高溫場來實現燒結過程，通過瞬時產生的放電等離子使燒結體內部每個顆粒產生均勻的自發熱并使顆粒表面化，由于升溫、降溫速度快，保溫時間短，使燒結過程快速跳過表面擴散階段，減少了顆粒的生長，同時也縮短了制備周期，節約了能源.夏陽華、Yongzheng 等人［38－39］用 SPS 技術制備了Ti(C，N)基金屬陶瓷材料，相對于真空燒結工藝，燒結溫度大大降低，保溫時間縮短.SPS燒結工藝參數對含超細或納米粉末的Ti(C，N)基金屬陶瓷的組織和性能影響非常明顯.Alvarez［40］研究發現超細晶粒特別適合用放電等離子燒結技術，通過放電等離子燒結C含量較高的Ti(C，N)粉末，也有可能形成芯－環結構.

微波燒結的加熱和燒結速度非常快，且試樣內部溫度梯度小，這樣使材料內部熱應力可以減小到最小.這對于制備超細晶粒的高密度、高強度、高韌性陶瓷材料非常有利.晉勇［41］用微波燒結方法成功地對納米金屬陶瓷進行了燒結.在1 400℃下保溫10 min時試樣的相對密度已達99﹪.燒結所需溫度降低，燒結時間大幅度縮短，且燒結前后晶粒尺寸變化很小，實現了高效節能.

Ti(C，N)基金屬陶瓷冶金反應十分復雜，需要進一步研究和深入.新型燒結方法對于超細晶粒的Ti(C，N)基金屬陶瓷制備與研究具有重要的意義，需要進一步研究和優化.

3 結語

20世紀90年代以來，日本、美國和我國關于Ti(C，N)基金屬陶瓷材料的研究和應用急劇增多，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的性能得到了極大的改善，現在Ti(C，N)基金屬陶瓷的制備方法、晶粒細化、納米改性以及納米Ti(C，N)基金屬陶瓷材料、梯度Ti(C，N)基金屬陶瓷材料制備等方面已經取得了相當大的進展.其應用范圍已由精加工、半精加工擴大到粗加工，由切削擴大到銑削等苛刻條件下的加工.Ti(C，N)基金屬陶瓷對推動高速切削、精密加工技術進步，促進機械、汽車、五金裝備等行業水平的提高有著顯著的積極意義.同時，采用Ti(C，N)金屬陶瓷刀具，可以解決各行業難加工材料的切削加工問題，改變傳統的機械加工工藝;另一方面，由于Ti(C，N)金屬陶瓷具有較好的紅硬性和抗氧化能力，可以實現高速高效切削加工和干式切削加工，減少或不用切削液，大大降低切削加工費用，并可實現綠色加工.

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