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TiC基金属陶瓷具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀和良好的热稳定性等一系列优点,可广泛用于刀具、模具和高温部件。目前,TiC基金属陶瓷的制备方法普遍采用传统的粉末冶金真空液相烧结工艺,其致命缺点是烧结温度偏高,得到的烧结体材料强度低,韧性差,从而使其应用范围受到很大限制。本文试图通过高能球磨和添加合金元素两种途径来解决上述问题,并简单介绍了TiC-NiCr金属陶瓷复合材料在新型塑料造粒模板上的应用情况。取得的主要研究结果如下:
干式球磨的混合粉末XRD和TEM分析表明:球磨过程中各组成相晶粒不断细化至20nm保持稳定,球磨促进了晶体固溶,并引入大量缺陷和位错;湿式球磨混合粉末经XRD和TEM分析,球磨过程中各组成相晶粒不断细化并引入大量缺陷和位错,但未发生明显晶体固溶。
TiC-Ni、TiC-NiCr、TiC-NiCrTiAl活化烧结结果表明:球磨初期粉体的压缩性得到改善,同时作为烧结驱动力的表面能的增大,使烧结活化能降低,烧结温度降低,烧结过程中烧结体中的液相含量逐渐增加,烧结体的微观组织表现为成分分布均匀细小的组织,其力学性能也有较大提高。当烧结体中的液相含量不断增多至超出适宜含量甚至有大量溢出时,会造成烧结体的成分分布不均甚至发生严重固相烧结。球磨时间过长,粉末的压缩性急剧变差,烧结体的致密度因生坯密度的降低而急剧降低。
XRD、SEM和TEM分析观察结果表明:TiC-NiCr金属陶瓷由硬质相TiC和粘结相NiCr合金两相复合而成,TiC颗粒在NiCr合金中分布均匀,二者界面结合良好。
添加合金元素Mo,在TiC颗粒表面形成厚度约为0.05μm的(Ti,Mo)C包覆相,改善了NiCr对TiC的润湿性;添加少量的Al,在烧结过程中先生成AlNi和AlNi3,然后又溶解于液相中,在冷却时以微细的AlNi3颗粒形式在粘结相中沉淀析出,起到弥散强化作用;添加少量Ti,不是形成TiNi3,而是置换了AlNi3中的Al,形成了(Al,Ti)Ni3相(η相),与AlNi3一样可起弥散强化作用。
磨擦、磨损实验结果表明:TiC-NiCr金属陶瓷复合材料的耐磨性,随着TiC含量的增加而明显提高,在本实验条件下,当TiC颗粒体积含量为67%,耐磨性最佳。该材料的磨损失效机制是由于粘结相被犁削以及硬质相颗粒剥落共同作用所致。
采用真空扩散焊接技术制备了梯度金属陶瓷复合材料和金属陶瓷-40Cr层状复合材料。界面显微组织及成分分析结果表明:梯度金属陶瓷复合材料内部及其与40Cr钢之间界面过渡良好,焊接界面区域由于Fe、Ni、Cr和Ti等元素的相互扩散,形成了0.3~0.5mm的合金过渡层,界面结合良好。
采用TiC-NiCr金属陶瓷复合材料替代WC-Co硬质合金和TiC-Fe钢结合金,开发出了一种新型塑料造粒模板,经工业试用考核表明:其综合使用性能已达到国外同类产品先进水平,可以替代进口,具有很大推广价值。