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2.2 新型TiB2基陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)方案

1.金屬相及含量

目前常向TiB2陶瓷中添加的金屬相有Ni、Mo、Co等[113,121]。在高溫真空條件下,這些金屬相與TiB2間的潤(rùn)濕角較小[16],小的潤(rùn)濕角有利于減少材料中微孔洞的形成,提高材料的致密度和力學(xué)性能。依據(jù)式(2-2)金屬與TiB2共晶點(diǎn)的計(jì)算式,分別代入Ni(1455℃)、Mo(2610℃)、Co(1493℃)與TiB2(2980℃)的熔點(diǎn),可估算出Ni、Mo、Co與TiB2的共晶點(diǎn)分別為1330℃、1980℃和1360℃,由此可見(jiàn),共晶點(diǎn)遠(yuǎn)低于TiB2的熔點(diǎn)。當(dāng)燒結(jié)溫度高于共晶點(diǎn)時(shí),就可實(shí)現(xiàn)TiB2基陶瓷材料的燒結(jié),因此添加Ni、Mo、Co可降低TiB2基陶瓷材料的燒結(jié)溫度。基于前期所建立的金屬相全包覆硬質(zhì)相模型所得的結(jié)論和Ni、Mo、Co及其含量對(duì)TiB2基陶瓷刀具材料性能影響的試驗(yàn)研究結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),TiB2基陶瓷刀具材料可獲得較好的微觀組織和力學(xué)性能[121]。基于此,擬選定(Ni,Mo)、Ni、Co、(Ni,Co)作為新型TiB2陶瓷刀具材料的金屬相,并將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在8%。

2.增強(qiáng)相及含量

為了提高TiB2基陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度,目前常添加的增強(qiáng)相有Al2O3、TiN、AlN、TiC、WC、SiC、B4C等。除此之外,鉿類化合物HfN、HfC、HfB2具有高熔點(diǎn),高硬度,良好的導(dǎo)電性、耐磨性和耐蝕性等,它們都屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料,將與其他陶瓷材料復(fù)合,可以改善陶瓷材料的微觀組織和提高陶瓷材料的力學(xué)性能,是增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷材料的候選增強(qiáng)相[129-131],故擬選用HfN、HfC、HfB2作為TiB2陶瓷的增強(qiáng)相。增強(qiáng)相在陶瓷刀具材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為10%~40%,依此初步擬定增強(qiáng)相HfN、HfC、HfB2在TiB2基陶瓷刀具材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~30%。

3.物理相容性

表2-1列出了新型TiB2基陶瓷刀具原材料的物理參數(shù)。由表2-1可知,金屬相(Ni、Mo、Co)與基體相(TiB2)、增強(qiáng)相(HfN、HfC和HfB2)的線脹系數(shù)存在一定的差異;同時(shí),增強(qiáng)相與基體相的線脹系數(shù)也存在一定的差異。因此,在燒結(jié)過(guò)程中可能形成較大的殘余應(yīng)力,不利于TiB2基陶瓷材料性能的提高。為了避免這種不利影響的產(chǎn)生,依據(jù)式(2-3)~式(2-5)所得的結(jié)論,采用以下兩種方式最大限度地滿足金屬相與硬質(zhì)相的物理相容性:一是選用微米級(jí)的TiB2、HfN、HfC和HfB2作為硬質(zhì)相,微米級(jí)的Ni、Mo、Co作為金屬相;二是為了減少快速冷卻過(guò)程中金屬相與硬質(zhì)相間形成的較大殘余應(yīng)力,在冷卻階段采用隨爐緩慢冷卻的方式對(duì)所燒結(jié)試樣進(jìn)行冷卻。

表2-1 新型TiB2基陶瓷刀具原材料的物理參數(shù)[16,121,132]

依據(jù)上述的分析,初步擬定三種新型TiB2基陶瓷刀具材料:TiB2-HfN、TiB2-HfC和TiB2-HfB2,以(Ni,Mo)、Ni、Co、(Ni,Co)作為新型TiB2基陶瓷刀具材料的金屬相。

4.化學(xué)相容性

依據(jù)式(2-6)及物質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的判據(jù),可確定TiB2-HfC、TiB2-HfN和TiB2-HfB2陶瓷刀具材料組分間潛在的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)的溫度范圍。表2-2列出了新型TiB2基陶瓷刀具組分間潛在的化學(xué)反應(yīng),但實(shí)際能否發(fā)生反應(yīng),還需要依據(jù)燒結(jié)后材料的X射線衍射(XRD)物相分析來(lái)進(jìn)行判定。由表2-2可知,Ni和Mo在燒結(jié)溫度高于1500℃時(shí)不發(fā)生反應(yīng),結(jié)合基體相TiB2與金屬相的共晶點(diǎn),以保證燒結(jié)過(guò)程中有足夠的金屬液相形成,初步擬定在1500~1650℃的范圍內(nèi)制備三種新型TiB2基陶瓷刀具材料。

表2-2 新型TiB2基陶瓷刀具組分間潛在的化學(xué)反應(yīng)

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