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碳氮化钛Ti(C,N):1+1是如何大于2的?
2020年05月12日 发布 分类:粉体入门 点击量:196
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金属陶瓷是一种由金属相(过渡金属如Fe、Co和Ni)与陶瓷相构成的颗粒增强复合材料,其性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间,可用于各类钢材的高速切削。其中,Ti(C,N)(碳氮化钛)基金属陶瓷的研究起源于上世界七十年代,是在WC基陶瓷金属和TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的一种新型金属陶瓷材料,具有高强度、高硬度以及优良的耐高温、耐磨性能。

 

碳氮化钛粉体(图片来源:长玉特陶)

仅从名字上看,Ti(C,N)似乎与TiC及TiN有着很密切的关系,事实也的确如此。一般来说,Ti(C,N)是由Ti(C,N)粉末或TiC+TiN粉末与粘结相粉末(Ni、Co等),再加其他碳化物添加剂混合后经烧制而成。TiC和TiN作为构成Ti(C,N)的基础,都属于面心立方点阵的氯化钠型晶体结构,并可按照休莫-罗赛里法则形成Ti(C1-x,Nx)(0<x<1)连续固溶体。

 

TiC、TiN和Ti(C,N)晶体的晶体结构示意图

C原子可被N原子按任意比例替换

由于其粉体TiN的晶格常数比TiC稍小,因此Ti(C1-x,Nx)固溶体的晶格常数a随氮含量x的增加而线性减小。由于TiN的电导率和热导率比TiC大,但显微硬度比TiC差,因此Ti(C1-x,Nx)会随着氮含量的增加,显微硬度减小,电导率和热导率增加。

近年来,Ti(C,N)基金属陶瓷的强度不断得到提高,从700~800MPa提高到1800~2000MPa。TiN的存在使合金在烧结过程中液相出现的温度上升,在同一温度下烧结时,Ti、Mo通过液相的相互扩散受到限制,抑制了晶粒的析出、长大。液相中Mo浓度的上升和Ti浓度的减少,也抑制了脆性中间相的生成,使Ti(C,N)基金属陶瓷获得了比传统TiC基合金更高的强度和断裂韧性,取得了1+1>2的效果。

Ti(C,N)和TiC基金属陶瓷高温性能对比

 

Ti(C,N)的应用范围

由于Ti(C,N)具有高熔点,硬度大,耐腐蚀和抗氧化性好等优点,因此它被广泛应用于制备高速切削工具、模具等块体和结构材料以及金属表面的涂覆材料等许多领域。其中,刀具Ti(C,N)目前最受重视的应用方向。

 

作为刀具材料,Ti(C,N)基金属陶瓷填补了硬质刀具和陶瓷刀具之间的空白。而且因为Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的主要原料是钛,钛在地球上的贮藏量为传统的WC基硬质合金刀具材料的主要原料钨的70倍,所以它还具有极大的资源优势,受到了世界各国的重视。

WC-Co系硬质合金刀具相比,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具有良好的化学稳定性、耐磨性及切削加工性,以及与金属间极低的摩擦系数,较强的抗月牙洼磨损能力,有利于提高被加工工件的表面光洁度和控制尺寸精度,而且成本也比WC-Co系硬质合金刀具低。

目前,Ti(C,N)已在切削加工领域得到相当程度的应用,正逐步取代着TiC基金属陶瓷。凭借着摩擦系数低、耐磨性高及稳定的高温性能,它还可用于各类发动机的高温部件,如叶轮根部法兰、小轴瓦、阀座、阀门等。由于Ti(C,N)还具有良好的耐酸腐蚀性能(优于YG8硬质合金),因此可用于化纤和石化工业中,如密封环和阀门。总之,Ti(C,N)基金属陶瓷的应用潜力相当可观,相信在未来它还会有更大的发展空间。

资料来源:

Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及其性能研究,李少峰。

粉体圈 小榆

 

 


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