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摘 要

金属陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性好，以及良好的抗粘附刀具的性能，弥补了原有的硬质合金材料韧性过低的特性，该特性会导致其在高温状态下的硬度、耐磨性以及抗氧化性较差，金属陶瓷材料的该特性在切削加工领域中具有开创性的意义。除此之外，金属陶瓷材料资源分布广泛，贮存丰富，成本较低，是硬质合金刀具的理想替代品，因而成为各国竞相发展的优势资源。本文在Ti(C，N)基金属陶瓷基的上述特性上，通过添加SiC晶须，得出其具有使Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性增加的结论，进而将直接源于该结论的制品使用至搅拌摩擦焊的搅拌头，用于焊接铝制合金，取得到了成型美观，连接优异焊缝的实践效果。

关键词：Ti(C，N)基金属陶瓷；SiC晶须 ；断裂韧性；搅拌头

Abstract

  cermet materials have high hardness, good wear resistance, good chemical stability, as well as good adhesion tool properties, which make up for the original cemented carbide material toughness is too low, this property will lead to its hardness at high temperature, wear resistance and oxidation resistance is poor, cermet materials in the field of cutting has pioneering significance. In addition, cermet materials are widely distributed, rich in storage and low cost, which is an ideal substitute for cemented carbide cutting tools, so it becomes an advantage resource for all countries to develop. Based on the above characteristics of Ti (C, N)-based ceramics, this paper adds SiC whisker, the conclusion that it has increased the strength and toughness of Ti ((C, N)-based ceramics, and then the products directly derived from this conclusion are applied to the stirring head of friction stir welding, which is used to weld aluminum alloy.

Key Words： Ti (C, N) Funded ceramics; SiC whisker; fracture toughness; stirring head

目 录

第一章 绪论 1

1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的定以及发展概述 1

1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的综合性能 2

1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的未来发展 3

1.4 研究的目标 4

第二章实验原料及其方法设备 5

2.1 实验原料 5

2.2 实验设备 5

2.3 实验方法 7

2.3.1 实验流程 7

2.3.2 配粉 7

2.3.3 球磨混料 7

2.3.4 烘干过筛 8

2.3.5 模压成型 8

2.3.6 金属陶瓷的烧结 9

2.3.7 Ti(C，N)基金属陶瓷的性能测试 9

2.4 本章小结 11

第三章Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及组织性能 12

3.1 SiC 晶须的主要性能特点 12

3.2 SiC 晶须加入 Ti(C，N)基金属陶瓷的制备流程 12

3.2.1 SiC 晶须的处理 12

3.2.2 配粉 12

3.2.3 球磨混合 13

3.2.4 烘干与过筛 13

3.2.5 模压成型 13

3.2.6 真空烧结 13

3.3 性能测试与显微组织分析 14

3.3.1 抗弯强度、断裂韧性、硬度的测试 14

3.3.2 显微组织分析 15

3.4 本章小结 17

第四章搅拌头设计及其应用 18

4.1搅拌摩擦焊的原理 18

4.2 搅拌头的设计及制造 18

4.4 实验过程 20

4.4.1 实验参数的设置 20

4.4.2 焊前的母材处理 20

4.4.3 搅拌摩擦焊过程 20

4.5 焊缝的宏观形貌与分析 20

第五章总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第一章 绪论

随着科技的发展，越来越多的国家开始研究金属陶瓷材料。近些年，因金属陶瓷材料独特的性能，它被陆续应用到各行各业的众多领域，尤其是在切削加工领域。国际工业领域在实际加工中使用的刀具，其材质大部分为增韧的陶瓷材料和WC硬质合金材质。硬质合金材料具有优异的耐磨性以及强韧性，但是其高温状态下的硬度、耐磨性以及抗氧化性较差，在切削加工中具有一定的局限性。同时硬质合金中的W元素成本较高，不利于工业生产效益。陶瓷材料硬度高、耐磨性好、化学稳定性好，同时具有良好的抗粘附刀具的性能，但是陶瓷材料韧性过低的特性严重限制陶瓷材料的使用。Ti(C,N)基金属陶瓷是1970s开发的陶瓷和金属结合的合金，同已大量使用的WC-Co硬质合金相比，具有高强度、高硬度、红硬性、化学稳定性以及耐腐蚀性能。在700~1100℃的高温状态下远优于硬质合金刀具，其切削速度、切削寿命分别为硬质合金的3~10倍和2~5倍，且材料成分资源丰富，成本较低，是硬质合金刀具的理想替代品。基于此些特点，国内外对于金属陶瓷刀具的发展十分重视。

1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的定以及发展概述

金属陶瓷，简而言之就是以陶瓷相和金属相为基础而形成的一种新型复合材料。其英文单词Cermets是由陶瓷的词根（Ceramic）和金属的词根（Metal）构成。金属陶瓷融陶瓷和金属的优点于一身，集中体现了前者强度高、硬度大、耐磨损及高温、抗氧化和化学稳定性的特点，以及后者韧性好、可塑强和热导率高的特点。特别是金属陶瓷高的热导率的特点保证了刀具寿命长，切削速度快，是制造刀具极为优秀的材料。前述原因在于高的热导率会使刀具服役时温度梯度减小，产生降低热应力的效应，从而减少热裂纹的产生几率。而我们今天所说的金属陶瓷是以Ti(C,N)为主要陶瓷相，以Ni,Co为金属粘结相的金属陶瓷材料。 它由 TiC/TiN 或 Ti(C，N)作为硬质相，用Co-Ni 作为粘结剂，同时在其中也会加入一些碳化物作为辅助添加剂。它具备较高的硬度与强度、良好的抗裂韧性，较小的密度、较低的化学活性等特点。综合性能十分优异。

金属陶瓷是采用传统粉末冶金制备的一种由金属相结合陶瓷相所形成的复合新材料。其中陶瓷相在复合材料中的占比达到了15%～85%。

金属陶瓷(Cermet)是由陶瓷(Ceramic)和金属(Metal)两种物质构成，起初它是指由陶瓷颗粒和金属粘结相复合组成的材料，后来将Co、Ni粘结TiC和TiN形成的复合材料称为金属陶瓷以区别于将金属Co、Ni粘结WC形成的复合材料称为硬质合金。

上世纪20年代硬质合金的出现和大量应用推动了工业的快速发展，在工业快速的发展中而相对于硬质合金中较为贵重的Co和W等贵重金属，科研人员为寻求更为廉价的替代材料，在使用硬度相比WC更高的TiC为硬质相过程中出现了TiC基金属陶瓷。1929年德国首先研制出了TiC-Ni金属陶瓷，用TiC代替WC为硬质相颗粒，用Ni来代替较为贵重的Co金属，由于相比于WC-Co硬质合金具有更为优异的高温性能，所以主要用于制作成工业领域中的切削刀具。但是在使用过程中发现由于Ni替代了Co作为粘结相之后并不能完全润湿硬质相颗粒TiC，陶瓷的结合强度很低，从而对于陶瓷刀具的使用陷入了瓶颈。上世纪50年代，Humenik等经过研究发现，向TiC-Ni体系合金中添加部分Mo元素，陶瓷相TiC和金属相Ni的润湿角得到大幅度降低，致密性显著提高，结构强度显著增强。金属陶瓷中Mo元素的添加，是TiC-Ni系金属陶瓷发展历程中的重大技术技术突破，使TiC-Ni金属陶瓷进入工业实际生产。上世纪60年代开始，日本部分工业领域的公司对TiC-Ni体系合金进行大量的研究和应用，TiC-Ni-Mo体系的金属陶瓷得到快速发展，其在工业领域的应用也逐渐增多。这一时期大量研究了关于制备方法、碳化物添加剂、稀有金属添加剂以及微观结构对金属陶瓷力学性能的影响。同时研制了TiC-Ni-Mo-TaC、TiC-Ni-Mo-WC等TiC-Ni系金属陶瓷的延伸材料，工业生产中不同领域出现了各种牌号的陶瓷刀具。1971年，Kieffer等研究结果表明，TiC-Ni-Mo金属陶瓷中添加的TiN中可以显著控制环形相的厚度，TiN进一步细化金属陶瓷中硬质相颗粒，显著提高了金属陶瓷的强度。20世界70年代，美国Rudy博士对 (Ti,Mo)(C,N)-Ni-Mo金属陶瓷刀具的具体使用性能进行了研究，将金属陶瓷运用于钢材加工中的实验结果显示(Ti,Mo)(C,N) -Ni-Mo金属陶瓷材料相比之前的陶瓷材料具有更好的强韧性、耐磨性能以及较好的抗塑性变形能力。从此以后，Ti(C,N)基金属陶瓷以其高耐磨性、抗氧化性、抗粘附性能以及主要合成原料资源较为充足、制作成本低等优点，替代WC-Co基硬质合金成为工业生产切削刀具的主要材料，吸引了越来越多科学研究者的目光，Ti(C,N)基金属陶瓷得到了急速的发展。

1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的综合性能

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