硬质材料吸引广泛的兴趣为他们的应用程序作为机械加工设备。传统的硬质材料,特别是基于WC金属陶瓷,广泛用于切削工具因其优异的硬度、高耐磨性和良好的韧性( 1]。TiC-TiB₂的证书是有效的候选人在极端条件下使用的高硬度,良好的化学稳定性和良好的高温耐磨性较传统金属陶瓷( 2]。此外,从资源储备的角度,关注也针对这些无钨硬质材料WC-Co[替代材料之一 3, 4]。

在早期的研究中,反应烧结和热压技术被用于制造TiC-TiB₂的金属陶瓷( 5]。Ogwu和戴维斯 6]试图产生密集TiC-TiB₂无压烧结的金属陶瓷的1550°C 1.5 h,通过使用镍基粘结剂。辛格et al。 7]报道多孔TiC-TiB的制造₂基于液相烧结在氢气氛中金属陶瓷的1300 - 1350°C 1 h与粘结剂系统基于Ni-Mn合金。因为高烧结温度和烧结时间长,甚至液体添加剂需要达到全致密化,这些方法需要昂贵的技术和高能源消耗。为了克服高温的问题,许多新的致密化技术进行了研究。例如,反应热压(右投手)通过使用位移反应( 8)和高压自燃合成(手持电脑) 9)已经使用在许多研究。一个密集的TiC-TiB₂倪手持电脑从熔融钛金属陶瓷捏造了B₄各种重量百分比(C和镍 10]。

引人注目的是,TiC-TiB的制造₂从元素的金属陶瓷粉末尚未尝试。根据先前的研究我们组的 11, 12),像TiC-Fe金属陶瓷,矿₂•菲尔能够成功从元素粉末制造。重要的是,在这些过程中,相对较低的温度低于1000°C被高度放热反应所需的元素粉末之间的点燃。在目前的研究中,我们调查TiC-TiB制造的可行性₂从元素粉末与镍的金属陶瓷粘结剂,采用燃烧合成的协助下pseudohot均衡压力(pseudo-HIP)。此外,我们检查之间的关系组成,合成工艺和属性。

钛元素粉末(45 μ米直径和纯度99.4 wt %),碳(1 μm和99.0 wt %),硼(2 μm和99.9 wt %)和镍(45 μm和99.8 wt %)彻底混合少量的乙醇添加为了防止隔离由于差异的具体特点不同的粉末。在准备粉末混合物,Ti的摩尔比率,C和B与预定的选择获得最终产品体积分数的抽搐和/或TiB₂。体积分数的抽搐,TiB₂为了调查,倪粘结剂不同成分的影响的微观结构和力学性能的产品。倪粘结剂的体积分数变化从20到40卷%和抽搐的体积比/ TiB₂是3/1、1/1,1/3。相比之下,样品只包括抽搐或矿₂和倪粘合剂也准备。粉混合物压在金属模具在单轴压力下640 MPa。契约已经30毫米直径的圆柱形状和一个大约20毫米高度。

的契约被Fe-Cr-Al合金的电阻丝加热pseudo-HIP设备在一个真空室如图 1。铸造砂(~ 300 μ米直径)被用作压介质和温度和电气绝缘材料。升温速率是控制在大约15°C下/分钟初始pseudo-HIP大约30 MPa的压力。pseudo-HIP压力立即提高到约160 MPa突然温升监测指示的点火燃烧反应,和电加热丝。保持高压3分钟后,压力了,样品在真空室是自然冷却。

据报道,预热契约之前反应的影响减少孔隙度和硬粒子大小和维氏硬度的增加( 11]。在这项研究中,因此,一些小型汽车预热在另一个小真空室在400°C的温度24小时前燃烧合成。

x射线衍射(XRD)分析combustion-synthesized样本的识别反应产物。金相观察样品的横截面进行了使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)抽搐和TiB₂粒子尺寸测量的扫描电镜图像。样品的密度是衡量阿基米德方法使用纯净水。测量密度的峰值被计算和理论密度评估假设每个阶段的样品由预定的体积分数(TiB,抽搐₂和镍)。

硬度是由一个维氏硬度计测量的应用负载50公斤,30年代的加载时间。横向断裂强度(TRS)在室温下测量三点弯曲试验。测试标本(20毫米×3毫米×3毫米)的示例与金刚石砂轮盘地面和抛光使用钻石切除卵巢。十字头的跨度宽15毫米0.2毫米/分钟的速度。三为每个combustion-synthesized样品进行弯曲实验,结果是平均的。

为了研究矿的影响₂体积分数的显微组织和力学性能的产品,样品有20卷%倪粘合剂合成不同的矿₂体积分数为0,20、40、60、80卷%。图 2显示了一个示例以60卷%抽搐的加热曲线和20卷% TiB₂。这个示例组合是以后称为TiC-TiB₂倪(60/20/20)和其他样品。紧凑时加热到约700°C,突然气温上升表明点火燃烧反应的监控。图 3显示了TiC-TiB的x射线衍射分析的结果₂倪(60/20/20)后的反应。XRD分析的基础上,没有峰的纯元素钛,C和B检测,和示例只包括抽搐,TiB₂倪,粘结剂的阶段。这也是的TiC-Ni(80/20)和TiC-TiB₂倪(40/40/20)样品如图 3。因此,TiC-TiB₂镍金属陶瓷成功合成的元素粉末通过的反应 (1) ( x + y ) “透明国际” + x C + 2 y B + z 倪 ⟶ x 抽搐 + y 矿 2 + z 倪 。

应该指出,样品体积分数较高的矿₂,也就是说,TiC-TiB₂倪(20/60/20)和TiB₂倪(80/20)没有成功合成。相反,爆炸发生后,点火燃烧反应和样品不能保持圆柱形状,他们闯入一些碎片,甚至爆炸的一部分样品通过了铸造砂。结果,组织和机械性能的调查无法进行这些样品。可以推测,水分吸收元素粉末的表面,它可以在极高的温度蒸发由于燃烧放热反应。然而,考虑到所有的协议都是由相同的过程,其中一些被成功合成,这个因素的水分不能爆炸的主要原因。

为了找到爆炸的原因,进行了热力学计算估计绝热燃烧温度( T 广告 每个选择组成的)。基于( 2)所示和相关热力学数据 14), T 广告 计算假设每个选择组成的点火温度为700°C根据加热曲线如图 2: (2) “透明国际” + C = 抽搐 , Δ H f = - - - - - - 184.1 焦每摩尔, “透明国际” + 2 B = 矿 2 , Δ H f = - - - - - - 279.5 焦每摩尔。

图 4显示了计算之间的关系 T 广告 和矿₂样品的体积分数与20卷%倪粘合剂。 T 广告 随着矿₂体积分数的增加,因为矿的形成焓₂大约是50%高于抽搐中指定的( 2)。此外,当矿₂超过50卷%, T 广告 达到汽化的倪(3157 k),气相可能存在。然后, T 广告 需要蒸发点的恒定值,因为倪的蒸发时吸收的热量,如图 4。内部的一部分样本之间的压力差和真空室应该很大,从而导致泄漏的部分熔融样本通过铸造砂。虽然变化 T 广告 不是重要的图 4,这可能是爆炸的原因。

样品的扫描电镜照片20卷%倪粘结剂和不同的矿₂体积分数图所示 5。硬粒子可以清楚的看到。这些被认定为抽搐,TiB₂通过电子探针分析。TiC颗粒似乎nearspherical形状,而TiB₂粒子在上雕琢平面的形状,这是在良好的协议与其他研究者的先前的结果( 15]。这些硬粒子的平均尺寸在每个样本测量和结果如图所示 6。两个矿₂大小和抽搐大小增加TiB₂体积分数增加。根据图 4和高TiB,样例₂体积分数高 T 广告 燃烧后的反应。因此,矿₂体积分数从0增加到40卷%,样本有更高和更广泛的温度范围内对经济增长在冷却过程中,从而导致更大的硬粒子大小。这一趋势也TiB的报道₂•菲尔系统目前的作者之一TiB₂大小随着•菲尔体积分数增加(减少 11]。

相对密度测定,结果如图所示 7。TiB的密度降低₂从20增加到40卷%。如前所述,TiB的增加₂高体积分数的结果 T 广告 导致高压内的样本,因此,样本的致密化固定pseudo-HIP负荷下变得困难。然而,如图 7没有TiB,样例₂相对密度低于TiC-TiB吗₂倪(60/20/20),尽管它有一个低 T 广告 。低相对密度或高孔隙度的原因应该是一个更大数量的水分吸收表面的碳粉。本研究中使用的碳粉有小的尺寸和大的比表面积比硼粉,因此,大量的碳粉的使用带来深层的问题在目前的实验。样品的维氏硬度也显示在图 7。硬度相对密度具有相同的变化趋势。一般来说,认为TiC-TiB₂倪(40/40/20)应该比TiC-TiB表现出更高的硬度₂倪(60/20/20)基于规则的混合物,因为前者的样本具有较高的分数TiB的困难阶段₂。然而,前者硬度样品展览低于后者的是由于高孔隙度在前样品。因此,致密化是非常重要的获得良好的硬度。

为了研究倪体积分数的影响产品的微观组织和力学性能,样品不同倪体积分数的20日30和40卷%与固定TiC合成/ TiB₂体积比的3/1。图 8显示了本系列样品的扫描电镜照片。图 9显示之间的关系 T 广告 和倪体积分数。此外,颗粒大小的依赖在倪体积分数显示在图 10。相同的硬粒子大小和变化趋势 T 广告 观察是符合上述解释。倪粘结剂的增加减少 T 广告 (图 9)和凝固温度范围变窄,导致小颗粒大小(图 10)。样品的相对密度图所示 11维氏硬度的结果。提高了相对密度随着Ni粘结剂的体积分数的增加,这也进一步证实了我们的解释非常高热能燃烧反应产生的不是完整的致密化,因为它会导致一个巨大的压力差之间的内部和外部的部分样本。因此增加的相对密度、维氏硬度值从1700增加高压1850高压倪粘合剂从20到30卷增加%。然而,倪的硬度显著降低粘结剂增加到40卷%,尽管相对密集。这一事实表明,为了获得硬金属陶瓷,硬颗粒的数量是一个重要的因素,这也是众所周知的混合物。重要的是采取一种平衡的相对密度和硬度考虑在确定样品的组成。

根据我们以前的工作在TiB₂•菲尔系统[ 11),紧凑的预热温度低于燃烧合成反应的点火温度会导致硬粒子大小和孔隙度的降低,增加样品的维氏硬度。在目前的工作,获得样本硬度高和相对密度高,预热TiC-TiB紧凑的₂倪(52.5 / 17.5/30)在400°C进行了24小时前燃烧合成。预热的致密化的影响所示的光学显微镜(OM)照片图 12。预热的示例显示了低孔隙度。此外,密度已经从96.95%上升到93.45,硬度从1850增加预热高压1950高压的治疗。孔隙度降低的原因由于预热可以解释如下。一些金属间化合物化合物形成的固态反应在不同元素粉末之间的预热。这形成的化合物,从而减少总热量生成随后燃烧反应。因此,燃烧温度相对降低。这是一个更好的有效的致密化。然而,与以前的工作,减少硬粒子大小由于预热无法找到现在的工作。这可能是因为我们选择了预热温度相对较低,限制了固态反应在预热。

进行了弯曲试验仅为示例TiC-TiB₂倪和预热(52.5 / 17.5/30),相对密度最高的96.95%在所有合成的样品。横向断裂强度(TRS)和弹性模量(E)计算, (3) TRS = 3 2 ⋅ l F W T 2 , E = l 3 4 W T 3 ⋅ F Δ l , 在哪里 l 是跨越宽度在弯曲试验, F 负载, W 样品的长度, T 试样的厚度 Δ l 十字头的距离,直到断裂。TRS和的计算结果 E 分别为约330 MPa和74 GPa。表 1显示了比较目前样品的力学性能和传统的金属陶瓷用于切削工具。TRS在当下的价值远低于样品的常规金属陶瓷。有几个可能的原因TRS获得的低价值在当下的工作。图 13显示了扫描电镜断口表面弯曲试验后的照片。它可以清楚地看到,试样的断裂几乎是由晶间断裂造成的。硬粒子大小在当前样本的范围2 - 4 μ相对粗m。金属陶瓷的断裂与粗粮通常倾向于发生穿晶断裂( 16]。也就是说,相界面的结合强度应显著弱在目前的样品。也可以看到一个大型断裂表面的孔隙存在图 13,尽管96.95%的相对密度是最高的在目前的研究。大孔隙的存在可能是低强度的原因之一。此外,虽然表面的标本是地面和抛光在弯曲试验之前,我们可以推断,有毛孔表面的标本和他们会削弱TRS由于应力集中。也有可能污染表面的粉末开始减少倪粘结剂和硬粒子之间的润湿性。在最近的研究对燃烧合成 16, 17),一些元素被添加到开始粉以增加硬阶段和粘结剂之间的润湿性。例如,经常被添加到钼粉开始为了获得一个好的润湿的抽搐,锡,镍。因此,预计一些元素的加入改善目前样品的润湿性收益更好的机械性能。这次尝试仍然作为一个未来的工作。

TiC-TiB₂与镍的金属陶瓷粘结剂可以成功的协助下燃烧合成pseudo-HIP从元素粉末。由于元素开始粉末之间的放热反应,燃烧合成过程可以self-propagated后压实粉混合物加热到约700°C,这是远低于传统的合成温度的过程。

粉混合物的成分对燃烧温度的影响以及致密化,它有相当大的对合成样品的微观结构和力学性能的影响。当倪粘结剂的体积分数是20卷%,更好的组织和高硬度的观察抽搐/ TiB₂比率。在样品与抽搐/ TiB₂体积比3:1、相对密度增加而倪的体积分数。硬度增加倪从20到30卷增加%,但它减少随着Ni增加到40卷%。TiC-TiB₂倪(52.5 / 17.5/30)表现出高达93.45%的相对密度和高硬度1850高压。

压实粉混合物的预热治疗很有效TiC-TiB的致密化₂倪(52.5 / 17.5/30)。相对密度增加从93.45到96.95%在400°C预热24 h真空。因此,硬度从1850增加高压1950高压。然而,努力粒度的细化由于预热并没有观察到在目前的工作。

目前样品的横向断裂强度不是很高,这被认为是由于弱之间的界面粘接强度硬阶段和倪粘合剂和致密化不足。