Ti（C，N）基金屬陶瓷氧化后的顯微結(jié)構(gòu)與力學性能

劉維良 歐陽瑞豐 彭牛生

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西景德鎮(zhèn)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(jié)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(yōu)良的高溫紅硬性和抗蠕變性能，被廣泛應(yīng)用于金屬切削加工[2，3]、高溫防護、航空飛行器等領(lǐng)域[4]。在這些領(lǐng)域，碳氮化鈦基金屬陶瓷的工作環(huán)境溫度遠遠高于室溫，因此作為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)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(jié)晶程度已經(jīng)被削弱，分析為基體內(nèi)部分碳化物已經(jīng)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(chǎn)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(jīng)開始氧化，溫度升到1000℃保溫2h時，Ti（C，N）和TiC的衍射峰已經(jīng)消失，其氧化產(chǎn)物TiO2的衍射峰開始突現(xiàn)，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(fā)，在基體表面的殘余量已經(jīng)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(xiàn)，說明基體表面已經(jīng)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F(xiàn)ig.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F(xiàn)ig.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(jīng)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(xù)擴散到基體內(nèi)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(jīng)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(jié)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(fā)生固相傳質(zhì)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(nèi)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)代金屬切削刀具實用技術(shù).北京：化學工業(yè)出版社，2008

3李榮久主編.陶瓷-金屬復合材料.北京：冶金工業(yè)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.武漢科技學報，2002，15（5）：43～46

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