纳米复合碳氮化钛基金属陶瓷的组织与性能研究

论文摘要

Ti（C,N）基金属陶瓷具有优良的硬度、红硬性、耐磨性,良好的热导率以及优良的化学稳定性和抗粘结能力,因而被广泛应用于机械加工中的工具材料。本论文采用微波烧结技术并结合纳米Si3N4或BN粒子复合制备了Ti（C,N）基金属陶瓷。研究了烧结温度、保温时间、烧结气氛和纳米粒子添加量对材料力学性能的影响规律;并利用扫描电子显微镜（SEM）观察并分析了Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织与断口形貌及其元素分布,得出了如下研究结果:1.微波烧结技术可以制备出晶粒细小、组织均匀、结构致密、力学性能较好的碳氮化钛基金属陶瓷。在氮气与氩气烧结气氛下,烧结温度1500℃,保温30min时,金属陶瓷力学性能达到最佳。纳米Si3N4和BN复合碳氮化钛基金属陶瓷的抗弯强度与硬度随烧结温度的升高以及保温时间的延长呈先增加后下降的趋势。2.经氩气与氮气气氛烧结后,纳米Si3N4和BN复合后的碳氮化钛基金属陶瓷的力学性能均较未添加纳米材料时有显著提高。随着第二相纳米粒子添加量的增加,金属陶瓷的相对密度有一定程度下降,而金属陶瓷的力学性能呈先增大后减小的趋势。经氮气气氛烧结后:纳米Si3N4复合的金属陶瓷抗弯强度和硬度在纳米Si3N4含量为2.0%时达到最大值,分别比未加纳米材料时提高了25.2%和1.3%;纳米BN复合的金属陶瓷抗弯强度和硬度在纳米BN含量为1.5%时达到最大值,分别比未加纳米材料时提高了21.6%和1.5%。经氩气气氛烧结后:纳米Si3N4复合的金属陶瓷抗弯强度和硬度在纳米Si3N4含量为1.0%时达到最大值,分别比未加纳米材料时提高了25.7%和2.0%;纳米BN复合的金属陶瓷抗弯强度和硬度在纳米BN含量为1.5%时达到最大值,分别比未加纳米材料时提高了15.9%与2.0%。3.纳米Si3N4和BN颗粒的加入能促进Ti（C,N）颗粒的溶解,抑制硬质相颗粒的长大,致使金属陶瓷的晶粒较小,分布均匀。经氮气气氛烧结的纳米Si3N4/BN复合碳氮化钛基金属陶瓷的断口出现较多韧窝,且晶粒明显变细,因而硬度较高;而经氩气气氛烧结的纳米Si3N4和BN复合碳氮化钛基金属陶瓷的断口撕裂棱则更为发达,故抗弯强度较高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ti（C,N）基金属陶瓷
• 1.2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的基本组成和结构
• 1.2.2 化学成分对Ti（C,N）基金属陶瓷材料的影响
• 1.2.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的性能
• 1.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备
• 1.4 纳米改性Ti（C,N）基金属陶瓷
• 1.5 Ti（C,N）基金属陶瓷的应用
• 1.6 本文的课题来源、研究内容、目的及意义
• 第二章 实验方案及方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验方案与工艺路线
• 2.3 金属陶瓷试样的坯体制备
• 2.3.1 Ti（C,N）超细粉的制备
• 2.3.2 混合料的制备
• 2.3.3 成型工艺
• 2.4 烧结
• 2.4.1 预烧结
• 2.4.2 微波烧结
• 2.5 金属陶瓷试样的性能测试
• 2.5.1 烧结体致密度测试
• 2.5.2 弯曲强度测试
• 2.5.3 硬度测试
• 2.6 微观结构表征
• 第三章 Ti（C,N）基金属陶瓷微波烧结工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 氮气气氛烧结Ti（C,N）基金属陶瓷
• 3.2.1 烧结温度对金属陶瓷力学性能与显微结构的影响
• 3.2.2 保温时间对金属陶瓷力学性能的影响
• 3.3 氩气气氛烧结Ti（C,N）基金属陶瓷
• 3.3.1 烧结温度对金属陶瓷力学性能和显微结构的影响
• 3.3.2 保温时间对金属陶瓷力学性能与显微组织的影响
• 3.4 烧结气氛对Ti（C,N）基金属陶瓷显微组织和力学性能影响
• 3.4.1 烧结气氛对Ti（C,N）基金属陶瓷力学性能影响
• 3.4.2 烧结气氛对Ti（C,N）基金属陶瓷显微组织影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 纳米复合 Ti（C,N）基金属陶瓷研究
• 4.1 引言
• 3N₄ 复合 Ti（C, N）基金属陶瓷'>4.2 氮气气氛烧结纳米Si₃N₄ 复合 Ti（C, N）基金属陶瓷
• 4.2.1 烧结工艺研究
• 3N₄ 的添加量对力学性能的影响'>4.2.2 纳米 Si₃N₄的添加量对力学性能的影响
• 3N₄ 的添加量对显微组织的影响'>4.2.3 纳米Si₃N₄的添加量对显微组织的影响
• 3N₄ 复合 Ti（C,N）基金属陶瓷'>4.3 氩气气氛烧结纳米Si₃N₄ 复合 Ti（C,N）基金属陶瓷
• 4.3.1 微波烧结工艺
• 3N₄ 的添加量对力学性能的影响'>4.3.2 纳米Si₃N₄的添加量对力学性能的影响
• 3N₄ 的添加量对显微组织的影响'>4.3.3 纳米Si₃N₄的添加量对显微组织的影响
• 4.4 氮气气氛烧结纳米BN 复合Ti（C,N）基金属陶瓷
• 4.4.1 微波烧结工艺
• 4.4.2 纳米BN 的添加量对力学性能的影响
• 4.4.3 纳米BN 的添加量对显微组织的影响
• 4.5 氩气气氛烧结纳米BN 复合Ti（C,N）基金属陶瓷
• 4.5.1 微波烧结工艺
• 4.5.2 纳米BN 的添加量对力学性能的影响
• 4.5.3 纳米BN 的添加量对显微组织的影响
• 4.6 纳米粒子复合金属陶瓷强韧化机理探讨
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A： 攻读硕士期间发表的论文和参与研究的科研项目