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碳氮化鈦Ti(C,N):1+1是如何大于2的?
2020年05月12日 發布 分類:粉體入門 點擊量:1258
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金屬陶瓷是一種由金屬相(過渡金屬如Fe、Co和Ni)與陶瓷相構成的顆粒增強復合材料,其性能介于陶瓷和WC基硬質合金之間,可用于各類鋼材的高速切削。其中,Ti(C,N)(碳氮化鈦)基金屬陶瓷的研究起源于上世界七十年代,是在WC基陶瓷金屬和TiC基金屬陶瓷的基礎上發展起來的一種新型金屬陶瓷材料,具有高強度、高硬度以及優良的耐高溫、耐磨性能。

 

碳氮化鈦粉體(圖片來源:長玉特陶)

僅從名字上看,Ti(C,N)似乎與TiC及TiN有著很密切的關系,事實也的確如此。一般來說,Ti(C,N)是由Ti(C,N)粉末或TiC+TiN粉末與粘結相粉末(Ni、Co等),再加其他碳化物添加劑混合后經燒制而成。TiC和TiN作為構成Ti(C,N)的基礎,都屬于面心立方點陣的氯化鈉型晶體結構,并可按照休莫-羅賽里法則形成Ti(C1-x,Nx)(0<x<1)連續固溶體。

 

TiC、TiN和Ti(C,N)晶體的晶體結構示意圖

C原子可被N原子按任意比例替換

由于其粉體TiN的晶格常數比TiC稍小,因此Ti(C1-x,Nx)固溶體的晶格常數a隨氮含量x的增加而線性減小。由于TiN的電導率和熱導率比TiC大,但顯微硬度比TiC差,因此Ti(C1-x,Nx)會隨著氮含量的增加,顯微硬度減小,電導率和熱導率增加。

近年來,Ti(C,N)基金屬陶瓷的強度不斷得到提高,從700~800MPa提高到1800~2000MPa。TiN的存在使合金在燒結過程中液相出現的溫度上升,在同一溫度下燒結時,Ti、Mo通過液相的相互擴散受到限制,抑制了晶粒的析出、長大。液相中Mo濃度的上升和Ti濃度的減少,也抑制了脆性中間相的生成,使Ti(C,N)基金屬陶瓷獲得了比傳統TiC基合金更高的強度和斷裂韌性,取得了1+1>2的效果。

Ti(C,N)和TiC基金屬陶瓷高溫性能對比

 

Ti(C,N)的應用范圍

由于Ti(C,N)具有高熔點,硬度大,耐腐蝕和抗氧化性好等優點,因此它被廣泛應用于制備高速切削工具、模具等塊體和結構材料以及金屬表面的涂覆材料等許多領域。其中,刀具Ti(C,N)目前最受重視的應用方向。

 

作為刀具材料,Ti(C,N)基金屬陶瓷填補了硬質刀具和陶瓷刀具之間的空白。而且因為Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的主要原料是鈦,鈦在地球上的貯藏量為傳統的WC基硬質合金刀具材料的主要原料鎢的70倍,所以它還具有極大的資源優勢,受到了世界各國的重視。

WC-Co系硬質合金刀具相比,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具有良好的化學穩定性、耐磨性及切削加工性,以及與金屬間極低的摩擦系數,較強的抗月牙洼磨損能力,有利于提高被加工工件的表面光潔度和控制尺寸精度,而且成本也比WC-Co系硬質合金刀具低。

目前,Ti(C,N)已在切削加工領域得到相當程度的應用,正逐步取代著TiC基金屬陶瓷。憑借著摩擦系數低、耐磨性高及穩定的高溫性能,它還可用于各類發動機的高溫部件,如葉輪根部法蘭、小軸瓦、閥座、閥門等。由于Ti(C,N)還具有良好的耐酸腐蝕性能(優于YG8硬質合金),因此可用于化纖和石化工業中,如密封環和閥門。總之,Ti(C,N)基金屬陶瓷的應用潛力相當可觀,相信在未來它還會有更大的發展空間。

資料來源:

Ti(C,N)基金屬陶瓷的制備及其性能研究,李少峰。

粉體圈 小榆

 

 


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