牙轮钻头Ti(C,N)基金属陶瓷密封配副磨损研究

目前牙轮钻头金属密封环通常采用相同的金属材料,其磨损性能不佳,易造成金属密封因磨损严重而失效。为提高金属密封的磨损性能,提出采用Ti(C,N)基金属陶瓷作为牙轮钻头密封副,并开展其与不同材料配副的磨损试验,研究不同摩擦副的摩擦磨损性能和磨损形式;建立适用于牙轮钻头金属密封材料的数值磨损模型,开展Ti(C,N)基金属陶瓷与不同材料配副的双金属密封性能的数值模拟,基于磨损模型预测使用30 h后不同双金属密封的磨损体积。试验结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动摩擦副,9CrSi作为静摩擦副时,金属环表面平均磨损体积最小,同时摩擦因数较小,磨损性能更佳。通过试验与仿真数据对比,验证了建立的数值磨损模型适用于双金属密封。仿真结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动金属环,9CrSi作为静金属环时密封端面磨损体积最小,金属密封磨损性能显著提高,其接触应力最大值为23.243 MPa,能够满足密封要求。

立方氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具切削性能

采用热等静压烧结工艺制备两组含有不同立方氮化硼(CBN)成分的Ti(C,N)基金属陶瓷刀片,在不同的切削速度和进给量的条件下进行45刚切削测试,分析了刀具的耐用度和失效方式,探讨了立方氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具磨损机理。结果表明,在Ti(C,N)基金属陶瓷刀具中添加立方氮化硼(CBN)能显著提高切削性能,在高速切削情况下,方氮化硼(CBN)对扩散磨损、氧化磨损以及粘结磨损有较好的缓解作用。

不同量Ta的添加对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

向Ti(C,N)基金属陶瓷中加入不同量的钽,随后检测了含钽量不同的金属陶瓷的显微组织和力学性能.结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相主要由黑芯、白色内壳和灰色外壳构成,Ta添加量超过4%的Ti(C,N)基金属陶瓷有白芯相和无芯相;随着Ta添加量的增加,硬质相的尺寸减小,Ta添加量为4%的Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相尺寸最小;随着Ta添加量的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度和抗弯强度先增加后减小,断裂韧度增加.

Ti(C,N)-Mo_2C-WC-Ni-Co纳米改性金属陶瓷材料的热冲击性能研究

采用XRD、SEM进行了纳米改性Ti(C,N)-Mo2C-WC-Ni-Co金属陶瓷材料的相结构分析和微观结构分析。结果表明,金属陶瓷仍为两相结构,其中陶瓷相呈典型的"芯-壳"结构。在800℃热循环条件下,研究了纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的热冲击裂纹形成与扩展特性,研究表明,相比普通金属陶瓷材料,纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷材料的抗热冲击性能较好;随着热循环次数的增加,试样表面的孔洞的数量和尺寸也明显增加;裂纹扩展过程中出现了裂纹的偏转、弯曲和桥接现象。初步探讨了热冲击裂纹的形成和扩展机理。

高熵合金/陶瓷在Ti(C,N)基金属陶瓷中的研究现状与展望

Ti(C,N)基金属陶瓷因其具有良好的硬度、耐磨性和化学稳定性,成为制造业中不可或缺的关键材料,进一步提高金属陶瓷材料的强韧性对扩大其应用领域和应用规模具有十分重要的意义。本文阐述了Ti(C,N)基金属陶瓷的相结构特点,并重点综述了高熵合金/陶瓷在Ti(C,N)基金属陶瓷的黏结相和添加相成分设计和制备中的应用。对高熵合金/陶瓷在金属陶瓷的主要研究方向进行了总结展望:在Ti(C,N)基金属陶瓷中加入高熵合金黏结相后组织的演变和对材料性能的影响机理需进一步研究;同时高熵陶瓷添加相在Ti(C,N)基金属陶瓷中的作用及机理也是一个重要的研究方向。

(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷结构与性能的影响

在开放体系下采用高温碳管炉制备了(Cr,La)_(2)(C,N)粉末,并将其作为添加剂制备Ti(C,N)基金属陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电镜、万能力学试验机及维氏硬度计等设备研究了(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明,(Cr,La)_(2)(C,N)的添加能够有效细化Ti(C,N)基金属陶瓷的硬质相晶粒,其中Cr、La元素主要固溶于粘结相,La元素促进了硬质相的溶解–析出过程,金属陶瓷的抗弯强度、硬度以及断裂韧性等力学性能得到明显改善。当添加(Cr,La)_(2)(C,N)的质量分数为5.0%时,Ti(C,N)基金属陶瓷的综合力学性能达到最佳,抗弯强度为2002 MPa,维氏硬度为1643 MPa,断裂韧性为11.22 MPa·m^(1/2)。

Nb_(2)O_(5)含量对原位碳热还原法制备的Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以原位碳热还原法制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Nb_(2)O_(5)添加量对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响规律。结果显示:当添加Nb_(2)O_(5)的质量分数由0增加至2.80%时,金属陶瓷硬质相晶粒明显细化,显微组织中“白芯-灰环”晶粒数量增多;室温抗弯强度、硬度、临界热震温差和高温抗弯强度有所增加,但断裂韧性略微降低。随着Nb_(2)O_(5)的添加量继续增加,金属陶瓷显微组织中出现孔洞,室温抗弯强度、硬度、临界热震温差、高温抗弯强度和断裂韧性均不断下降。当Nb_(2)O_(5)的添加量为2.80%时,金属陶瓷表现出最佳的综合力学性能,其室温抗弯强度、硬度、断裂韧性、临界热震温差和高温抗弯强度分别为:2439MPa、90.6HRA、12.8MPa•m^(1/2)、360℃、1519MPa。

铬添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷结构和磁学性能的影响

以TiC粉、镍粉、TiN粉、碳粉以及铬粉为原料,采用粉末冶金法制备TiC-10TiN-xCr-30Ni-4C(x=0,2,4,6,8,物质的量分数/%)金属陶瓷,研究了铬添加量对金属陶瓷结构、磁学性能以及力学性能的影响。结果表明:随着铬添加量的增加,金属陶瓷的密度增大,Ti(C,N)陶瓷相呈黑芯-灰环结构且黑芯和灰环的成分变得更均匀,Ti(C,N)陶瓷相颗粒细化,镍基黏结相的晶格常数先增加后略微减小。当铬物质的量分数不大于2%时,金属陶瓷呈铁磁性,随着铬添加量的继续增加,金属陶瓷具有室温无磁性的特性。随着铬添加量的增加,金属陶瓷的室温最大磁化率先降后升,饱和磁化强度和剩余磁化强度均降低,且当铬的物质的量分数大于2%时,均保持为0。随着铬添加量的增加,金属陶瓷的抗弯强度降低,硬度升高。铬添加物质的量分数为4%时,金属陶瓷的综合性能最好,具有室温无磁性、最低的室温最大磁化率(1.85×10^(-7)m^(3)·kg^(-1))、较高的抗弯强度(1 094 MPa)和硬度(88.1 HRA)。

压制压力对纳米Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响研究

采用不同的压制压力制备纳米Ti(C,N)基金属陶瓷生坯,研究低压烧结后金属陶瓷的微观组织、收缩性和力学性能。结果表明:当压制压力过低时,粉末排列不紧密,金属陶瓷组织不均匀;当压制压力过高时,金属陶瓷组织发生分层,孔隙度和缺陷增加。当压制压力为180 MPa时,得到的纳米Ti(C,N)基金属陶瓷最为致密,其相对密度为97.06%,收缩系数为1.23,孔隙率最低,为A02B00C00;同时,该金属陶瓷具有最优异的综合力学性能,其中维氏硬度为1680 HV_(30),抗弯强度为1650 MPa,断裂韧性为8.8 MPa·m^(1/2)。

铬添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

以TiC、TiN、WC、钼粉、Cr_(3)C_(2)为硬质相原料,以镍粉和铬粉为黏结剂(添加总质量分数为25%,铬粉质量分数分别为0,2.5%,5.0%,7.5%),采用真空烧结工艺制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了铬添加量对该金属陶瓷显微组织、力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明:添加不同含量铬的Ti(C,N)基金属陶瓷晶粒均为芯-环结构,芯相为Ti(C,N),环形相为(Ti,W,Mo,Cr)(C,N)多元固溶体;随着铬添加量的增加,金属陶瓷晶粒尺寸明显变大,同时环形相的均匀性变差;随着铬添加量增加,金属陶瓷的硬度增加,抗弯强度降低,断裂韧度先升后降,当黏结相中铬质量分数为5.0%时综合力学性能最佳,抗弯强度、硬度和断裂韧度分别达到1829 MPa、90.5 HRA和11.57 MPa·m^(1/2)。当黏结相中铬质量分数为5.0%时,金属陶瓷的单位面积氧化质量增加量较未添加铬的低,在氧化过程中表面形成了含NiCr_(2)O_(4)和CrMoO_(4)的致密氧化膜,有效阻碍了氧元素的进一步扩散,提升了基体的抗氧化性能。

N_(2)分压烧结时间对超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能的影响

针对真空烧结制备超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷时,烧结体的易脱氮和N的分解问题,通过在液相保温阶段1450℃通入130 Pa氮气,采用分压烧结制备了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了氮气分压烧结时间对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,氮气分压烧结能提升试样内部组织均匀性。在氮气氛的影响下,试样最外层会形成富Ni层,材料的近表层形成TiN层。分压刚开始,试样最外层只有富Ni层,随分压时间的增加,近表层组织中黑芯相在氮气氛影响下发生溶解,黑芯相尺寸减小,环形相尺寸增加,直至黑芯相逐渐消失,形成富Ti的(Ti,W)(C,N)固溶体,固溶体通过合并长大的方式形成固溶体层,随分压时间增加,富钛的固溶体与N反应在试样近表层形成TiN层。分压烧结时间达40 min时试样的综合力学性能最佳,其抗弯强度增加了20%,达到2350 MPa;维氏硬度增加了13.9%,达到1635HV30;断裂韧性提升不明显。

TiN含量对Ti(C,N)/NiCr金属陶瓷微观结构和力学性能的影响

采用粉末冶金真空烧结方法制备了Ti(C,N)/NiCr金属陶瓷.研究了TiN含量对Ti(C,N)/NiCr金属陶瓷微观结构与力学性能的影响.结果表明,TiN的加入既改变了金属陶瓷硬质相颗粒的尺寸.使其变小,也改变了硬质相颗粒的形貌, 使其由圆形变为多边形;随TiN含量的增加,金属陶瓷的抗弯强度均出现先增加后降低的规律,但在较低的烧结温度下,抗弯强度在TiN含量为4%时达到最大值,而在较高的烧结温度下,抗弯强度在TiN含量为6%时达到最大值;硬度在TiN含量≤10%时变化不明显, TiN含量>10%时硬度急剧下降;抗弯断口以穿晶解理为主要的断裂模式.

Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的高速切削性能与磨损机理

使用不同C与N摩尔比的Ti(C,N)固溶体粉末作为基体材料,采用真空烧结工艺研制两种Ti(C,N)基金属陶瓷刀片试样,并考察两种刀片试样和日本住友T1200A在不同的切削速度下干式车削20CrMn工件的切削性能。利用扫描电子显微镜分析刀具前、后刀面的磨损形态和显微结构,阐述Ti(C,N)基金属陶瓷刀具高速切削磨损机理。结果表明:高速切削时Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的主要磨损形式是粘结、氧化和扩散磨损;减小Ti(C,N)固溶体中C与N的比值可改善Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的耐磨性。

实现Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化的技术路径

Ti(C,N)基金属陶瓷因具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损等优良性能而被广泛应用于刀具、模具等。在高温切削加工时,金属陶瓷刀具不但具有优良的抗粘附性和热稳定性,还拥有比硬质合金刀具更好的高温红硬性、耐磨性和抗氧化性,并且具有自润滑性能。在日本,金属陶瓷刀具的应用占全部刀具的35%以上,欧美等国也达到20%以上,而在我国,金属陶瓷刀具和陶瓷刀具主要依靠进口,金属陶瓷刀具的使用量仅占刀具总量的3%。由此可见,我国金属陶瓷刀具的研发与生产应用远远落后于发达国家。为实现把我国建设成为全球制造业强国的梦想,必须加快我国金属陶瓷刀具研发、生产与推广应用,以改善加工业的加工精度和产品表面光洁度,提高加工业的加工效率,保证制造业零部件的高质量,全面提高我国制造业水平。虽然Ti(C,N)基金属陶瓷刀具比传统的硬质合金刀具有更好的高温红硬性、耐磨性和抗氧化性,但是冲击韧性、断裂强度较差及高温强度不够是其致命的缺点。为此,国内外学者在Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧性方面展开大量的研究工作,并取得了一定的研究成果。研究工作主要集中在:(1)陶瓷相与金属相的成分;(2)烧结工艺;(3)引入纳米增强体。近两年来,由于钼、钴的资源短缺与价格上涨,从实际生产成本和高性能等方面考虑,一些学者还对无钼无钴、掺高熵合金Ti(C,N)基金属陶瓷的性能进行了研究。本文采用比较法,对有关Ti(C,N)基金属陶瓷材料强韧化的研究成果进行了分类、归纳与总结,从而得出了影响Ti(C,N)基金属陶瓷材料强韧化的三个因素——组成成分、显微结构和烧结工艺,并就此展开讨论;介绍了当前增强增韧Ti(C,N)基金属陶瓷的三种主要方法——纳米颗粒改性增韧法、晶须增韧法和纤维增韧法;最后提出关于今后Ti(C,N)基金属陶瓷材料的强韧化研究亟待解决的问题与发展方向。

纳米TiC增强Ti(C、N)基金属陶瓷材料的组织与性能研究

采用自制的纳米TiC粉末制备Ti(C、N)基金属陶瓷。研究了纳米粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明,粉末冶金过程中,纳米TiC粉末易于在粘结相中扩散与溶解及沿晶界分布,降低了硬质相在粘结相中的溶解度,抑制了晶粒长大,同时微观上造成局部富C和稳定了硬质相中的C含量,使金属陶瓷材料的环形相增多尺寸增厚。抗弯强度与晶粒尺寸满足于Hall Petch公式,5%～10%(质量分数)的纳米粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度得到较大的提高,但硬度与晶粒尺寸的关系反Hall Petch公式。

Ti(C,N)基金属陶瓷材料的强韧化研究进展

概述了国内外Ti(C,N)基金属陶瓷材料强韧化的研究进展及应用现状,指出了Ti(C,N)基金属陶瓷研究亟待解决的相关问题及发展趋势。

Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热冲击性能

对Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的热冲击性能进行了研究。结果表明，热冲击图（σｒｂ－ｔ图）存在一个突变点，即当ｔ＞４００℃时，σｒｂ急剧下降。扫描电镜观察表明，试样表面存在裂纹，在试样的亚表层下存在孔洞。从而探讨了微孔洞的形成机理。

Ti(C,N)基金属陶瓷的发展现状及趋势

介绍了Ti(C ,N)基金属陶瓷的基本组成和结构 ,综述了Ti(C ,N)基金属陶瓷的显微组织、添加成分和制备工艺的研究进展 ,指出了Ti(C ,N)基金属陶瓷的应用和发展方向。

Cr_3C_2含量对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响

采用热压烧结工艺制备了添加微量Mo_2C的Ti(C_(0.5)N_(0.5))-(Ni-Co)-Mo_2C-Cr_3C_2系Ti(C,N)基金属陶瓷。对三种不同Cr_3C_2含量材料的力学性能、断口形貌和磨削表面压痕裂纹扩展进行了研究,结果表明:Cr_3C_2含量增加,抗弯强度呈增加趋势;Cr_3C_2含量低于8％(质量分数,下同)时,材料的断裂韧性下降不大,Cr_3C_2含量超过8％后,Cr_3C_2含量增加,材料的断裂韧性急剧降低。

纳米Ti(C,N)增强Ti(C,N)基金属陶瓷的研究

采用纳米Ti(C ,N)粉末制备Ti(C ,N)基金属陶瓷 ,研究了纳米粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明 ,粉末冶金过程中 ,纳米Ti(C ,N)粉末易于在粘结相中扩散与溶解及沿晶界分布 ,降低了硬质相在粘结相中的溶解度 ,抑制了晶粒长大 ,提高了材料的红硬性能。抗弯强度与晶粒尺寸满足于Hall Petch公式 ,5wt%～ 10wt%的纳米粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度和切削性能得到较大的提高 ,但硬度变化不大。切削磨损主要表现为磨粒磨损和轻微的粘着磨损 。