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1 前言
Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金(亦称金属陶瓷)是在ＴｉＣ-Ｎｉ-Ｍｏ金属陶瓷基础上发展起来的[1],它是介于ＷＣ基硬质合金和超硬材料之间的一类新型刀具材料。工业金属陶瓷刀片现在几乎被Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)所垄断,它们含有ＷＣ、ＴａＣ、Ｍｏ2Ｃ之类的碳(氮)化物[2,3],与Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)形成固溶体,该固溶体与合金化的粘结相一起组合成金属陶瓷。Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金具有优良的耐磨性(尤其是耐月牙洼磨损)和耐冲击性[4],用其代替ＷＣ基Ｐ01、Ｐ10、Ｐ20、Ｍ10、Ｍ20和Ｋ10等硬质合金刀具加工普通碳钢、合金钢和铸铁,效果显著,用作钢件精铣,更是得天独厚,且寿命比ＷＣ基、ＴｉＣ基硬质合金高1～4倍[5]。Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金的研制在我国才刚刚起步,而在国外发展迅速,日本、美国和瑞典等国的产品已形成系列并投入大规模工业化生产。粘结相Ｎｉ、Ｃｏ等与ＴｉＣ、ＷＣ、Ｍｏ2Ｃ和ＴａＣ之间具有良好的润湿性,而与ＴｉＮ之间的润湿性很差,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金的研制遇到的最大障碍就是如何改善粘结相与硬质相之间的不良润湿状况[1],尤其制备高ＴｉＮ含量的合金更是如此。在Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金中添加Ｍｏ2Ｃ后将形成固溶体(Ｔｉ,Ｍｏ)ＣｘＮ1-ｘ[6],从而有效地改善了润湿性。由于ＴｉＮ的加入可以细化晶粒、提高韧性,目前的发展趋势是制备高ＴｉＮ含量的Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金,因此选取与硬质相之间有良好润湿性的粘结相显得尤为重要。
2 实验
2.1 试样制备
硬质相为Φ15ｍｍ×4ｍｍ的ＴｉＮ固溶体热压块,表面经抛光处理后作为润湿实验的硬质相基板。调节ＴｉＮ/(ＴｉＣ+ＴｉＮ)的比和添加ＴａＣ,硬质相基板共有四种不同的成分,见表1。本实验选用了三种不同的粘结相作对比,成分如下:Ｎｉ-Ｃｏ(Ｎｉ:Ｃｏ=1:1),Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ(Ｎｉ:Ｃｏ:Ｍｏ=1:1:1),以及Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ(Ｎｉ:Ｃｏ:Ｍｏ2Ｃ=1:1:1),以上均为质量比。表1 硬质相基板组成(质量分数)% 硬质相基成分1#15%ＷＣ+85%(3/10ＴｉＮ+7/10ＴｉＣ)2#10%ＷＣ+5%ＴａＣ+85%(3/10ＴｉＮ+7/10ＴｉＣ)3#10%ＷＣ+5%ＴａＣ+85%(5/10ＴｉＮ+5/10ＴｉＣ)4#10%ＷＣ+5%ＴａＣ+85%(7/10ＴｉＮ+3/10ＴｉＣ)
2.2 润湿性测试
实验装置为润湿性能座滴法测试仪。先将硬质相基板置于炉内平台上,抛光面朝上,调节基板水平,然后将粘结相处在抛光面中心位置,抽真空,待真空度达到(2～3)×10-5Ｐａ后升温,用照相机拍摄润湿过程。底片在放大投影仪上测量几何尺寸,用计算机处理得出粘结相与硬质相基板之间的润湿角,精度为±0.1°。
3 实验结果及分析
3.1 Ｎｉ-Ｃｏ粘结相与基板的润湿性
Ｎｉ-Ｃｏ粘结相与基板的润湿过程如图1～图4所示。润湿的基本过程可分为粘结相图1 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与1#基板的润湿过程图2 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与2#基板的润湿过程图3 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与3#基板的润湿过程图4 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与4#基板的润湿过程熔化、铺展及稳定三个阶段。润湿结果列于表2,其中Ｔｓｔａｒｔ代表粘结相始熔润湿温度,Ｔｅｎｄ代表润湿终了温度,θ为Ｔｅｎｄ时刻的润湿角,ｔ代表润湿时间(即漫流时间)。表2 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与硬质相基板的润湿结果1#2#3#4#Ｔｓｔａｒｔ/℃1472144215161532Ｔｅｎｄ/℃1499149515491550θ/(°)3.52.0122.0128.0ｔ/ｓ300300300300 从图1～图4可以看出,粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与1#和2#基板的润湿性良好,而与3#、4#基板的润湿性很差。可见硬质相中ＴｉＮ含量对润湿性的影响是非常显著的。固定氮/碳比(Ｒ=0.3),在硬质相中添加5%ＴａＣ(2#)取代1#中的部份ＷＣ后,润湿角由1#的3.5°降至2.0°(2#),证明ＴａＣ的加入可进一步改善润湿性。当Ｒ≥0.5时(3#,4#),润湿角剧增,说明此时影响润湿的控制因素是硬质相基板中ＴｉＮ的含量,随基板中ＴｉＮ含量的升高,粘结相Ｎｉ-Ｃｏ与基板之间的润湿性变得愈差。粘结相的始熔润湿温度Ｔｓｔａｒｔ和润湿终了温度Ｔｅｎｄ与硬质相基板中ＴｉＮ含量密切相关。在润湿过程中,粘结相与硬质相在接触界面上存在热扩散及合金化反应。当基板中ＴｉＮ含量升高时,粘结相与硬质相之间的界面能升高,润湿角θ逐渐增大,润湿性变差,从而使粘结相的Ｔｓｔａｒｔ和Ｔｅｎｄ均随之升高。由此可见,随硬质相中ＴｉＮ含量的提高,粘结相的始熔润湿温度Ｔｓｔａｒｔ升高,反应到产品烧结工艺中必将提高烧结温度,增加能源和设备消耗,且产品的综合性能降低。可见,用Ｎｉ-Ｃｏ作粘结相,当Ｒ≥0.5时,润湿性变得太差而无法应用,一般取Ｒ=0.3左右,这样既能保证较好的润湿性又能满足合金的其它性能要求。要获得高含量ＴｉＮ的合金,润湿性问题始终是一个很大的障碍,必须寻求其它粘结相以保证润湿良好从而获得性能优良的高ＴｉＮ含量的Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金。
3.2 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与基板之间的润湿性
Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与基板的润湿结果见表3,基本润湿过程如图5～8所示。表3 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与硬质相基板的润湿结果1#2#3#4#Ｔｓｔａｒｔ/℃1418141414181418Ｔｅｎｄ/℃1495149315051524θ/(°)5.24.3108.0115.0ｔ/ｓ300300300300图5 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与1#基板的润湿过程图6 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与2#基板的润湿过程图7 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与3#基板的润湿过程图8 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ与4#基板的润湿过程 结果显示,润湿性按2#、1#、3#、4#顺序逐渐变差。当Ｒ=0.3时,润湿角较小,添加5%ＴａＣ(2#)取代1#中部分ＷＣ,可以进一步改善润湿性,润湿角由5.2°降为4.3°。当Ｒ=0.3时,Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ作粘结相润湿1#和2#基板过程中,发现润湿开始时粘结相球化,由于高温热扩散及合金化作用形成壳状的(Ｔｉ,Ｍｏ)ＣＸＮ1-Ｘ将硬质相包覆,使润湿性最终得到改善;而当Ｒ≥0.5时,润湿性没有得到明显改善,润湿角最终都大于90°。对比Ｎｉ-Ｃｏ粘结相,当Ｒ=0.3时(1#和2#),Ｎｉ-Ｃｏ粘结相在润湿过程中没有出现任何球化迹象,润湿性表现良好。可见,当Ｒ=0.3时,Ｎｉ-Ｃｏ粘结相对基板的润湿性大大优于Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ粘结相;而当Ｒ≥0.5时,两种粘结相对基板的润湿性都很差,因此必须寻求一种能与高ＴｉＮ含量基板润湿良好的粘结相。
3.3 Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与基板的润湿性润湿
结果列于表4,润湿过程如图9～12所示。表4 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与硬质相基板的润湿结果1#2#3#4#Ｔｓｔａｒｔ/℃1373138013761380Ｔｅｎｄ/℃1435142914291422θ/(°)8.99.210.410.6ｔ/ｓ300300300300图9 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与1#基板的润湿过程图10 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与2#基板的润湿过程图11 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与3#基板的润湿过程图12 粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ与4#基板的润湿过程 从润湿过程看,4组照片无明显差别,最终润湿角均为10°左右(见表4),随ＴｉＮ含量的增加,润湿角θ略有增大,粘结相与硬质相基板之间的润湿性几乎与ＴｉＮ含量无关。粘结相中的Ｍｏ2Ｃ的存在是改善润湿性的根本原因,粘结相熔化后,粘结相中的Ｍｏ2Ｃ能很快与硬质相ＴｉＮ反应形成环状的(Ｔｉ,Ｍｏ)(Ｃ,Ｎ)包覆在硬质相表层,避免了与ＴｉＮ的直接接触,能更有效地改善润湿性,在高ＴｉＮ含量时,改善效果尤为显著。另外,采用Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ作粘结相时,具有最低的始熔润湿温度Ｔｓｔａｒｔ和润湿终了温度Ｔｅｎｄ,在烧结工艺中可以采用最低的烧结温度,从而节省大量能源和设备消耗。与Ｎｉ-Ｃｏ粘结相比较,当Ｒ=0.3时,Ｎｉ-Ｃｏ粘结相优于Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ粘结相;而当Ｒ≥0.5时,Ｎｉ-Ｃｏ已不再适用,而Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ则表现出良好的润湿效果。
4 结论
1)随ＴｉＮ含量增加,Ｎｉ-Ｃｏ(1:1)粘结相与硬质相之间的润湿性急剧下降。
2)粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ(1:1:1)与硬质相之间润湿性良好,几乎不受ＴｉＮ含量影响。
3)粘结相Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ(1:1:1)表现出的润湿效果最差,不宜作为Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基硬质合金的粘结相。
4)当Ｒ<0.5时,宜采用Ｎｉ-Ｃｏ作粘结相,而当Ｒ≥0.5时,用Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｏ2Ｃ作粘结相则更适宜。
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