Al2 O3 基复合金属陶瓷模具材料的组织结构与力学性能
刘咸超, 郭容
宜宾职业技术学院,宜宾 644003
Microstructure and mechanical properties of Al2 O3 matrix composite metal ceramic die materials
LIU Xianchao, GUO Rong
Yibin Vocational and Technical College, Yibin 644003, China
摘要 以纳米Al2 O3 和纳米Ti(C,N)为主要原料,以Mo和Ni粉等为助烧剂,采用N2 气氛保护热压工艺制备Al2 O3 基复合金属陶瓷模具材料。采用XRD和SEM分析材料的物相组成及微观结构,并测试材料的力学性能。结果表明,当烧结温度为1 660 ℃,纳米Al2 O3 质量分数为74.5%,纳米Ti(C,N)粉为20%、Mo+Ni粉为5%时,所制备的Al2 O3 基复合金属陶瓷模具材料性能最佳,其相对密度为98.14%,弯曲强度值为795.98 MPa,硬度值为18.52 GPa,断裂韧性为8.05 MPa·m1/2 。第二相的引入和晶界处Mo+Ni的共同作用,可增强晶界强度,促进沿晶裂纹向穿晶裂纹转变,从而提高材料的力学性能。
关键词 :
纳米氧化铝 ,
Ti(C,N) ,
热压烧结 ,
力学性能 ,
物相组成 ,
显微结构
Abstract :The alumina matrix composite metal-ceramic die materials were fabricated by hot-pressing sintering technique in N2 atmosphere using nano Al2 O3 and Ti(C,N) as the main raw materials, Mo and Ni as sintering additives. The phase composition and microstructure were tested and analyzed by XRD and SEM. The mechanical property was also studied. The results show that when the sintering temperature is 1 660 ℃, the mass fraction of nano Al2 O3 is 74.5%, nano Ti(C,N) is 20% and Mo+Ni is 5%, the prepared alumina matrix composite metal ceramic die material can obtain the optimal properties. And the relative density is 98.14%, flexural strength is 795.98 MPa, hardness is 18.52 GPa and fracture toughness is 8.05 MPa·m1/2 . Introduced second phase and Mo+Ni in the boundary of crystal can increase the crystal boundary strength, accelerate intergranular crack transit to transgranular cracks, then enhance mechanical properties of the samples.
Key words :
Nano alumina
Ti(C,N)
hot-pressing sistering
mechanical properties
phase composition
microstructure
收稿日期: 2018-06-26
出版日期: 2019-07-12
通讯作者:
刘咸超,讲师。E-mail: rong_hu8019@163.com
引用本文:
刘咸超, 郭容. Al2 O3 基复合金属陶瓷模具材料的组织结构与力学性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2019, 24(1): 58-62.
LIU Xianchao, GUO Rong. Microstructure and mechanical properties of Al2 O3 matrix composite metal ceramic die materials[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2019, 24(1): 58-62.
链接本文:
http://pmbjb.csu.edu.cn/CN/ 或 http://pmbjb.csu.edu.cn/CN/Y2019/V24/I1/58
[1] 郭景坤. 关于先进结构陶瓷的研究[J]. 无机材料学报, 1999, 14(2): 193-202. GUO Jingkun.Research on advanced structural ceramics[J]. Journal of Inorganic Materials, 1999, 14(2): 193-202. [2] 许崇海. 陶瓷模具材料的研究与应用[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34(1): 262-265. XU Chonghai.Research and application of ceramic die materials[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34(1): 262-265. [3] 陈娇, 罗兵辉, 刘小平, 等. 热挤压模具用Al2 O3 /(W,Cr)金属陶瓷的性能[J]. 机械工程材料, 2011, 35(2): 47-50. CHEN Jiao, LUO Binghui, LIU Xiaoping, et al.Properties of Al2 O3 /(W,Cr) cermet for hot extrusion die[J]. Materials for Mechancial Engineering, 2011, 35(2): 47-50. [4] 邵刚勤, 段兴龙, 袁润章. 纳米陶瓷、复相陶瓷及纳米复相陶瓷[J]. 材料科学与工艺, 2003, 11(2): 211-214. SHAO Gangqin, DUAN Xinglong, YUAN Runzhang.Nano- ceramics, ceramic composites & ceramic nano-composites[J]. Materials Science and Technology, 2003, 11(2): 211-214. [5] 刘开琪, 徐强, 张会军. 金属陶瓷的制备与应用[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2008. LIU Kaiqi, XU Qiang, ZHANG Huijun.Preparation and Application of Cermet[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008. [6] 许崇海, 孙德明. 模具用Ti(C,N)/A12 O3 陶瓷材料的微观结构与力学性能[J]. 粉末冶金技术, 2005, 23(4): 243-247. XU Chonghai, SUN Deming.Microstructure and mechanical properties of Ti(C,N)/Al2 O3 ceramic die material[J]. Powder Metallurgy Technology, 2005, 23(4): 243-247. [7] 尤显卿, 斯庭智, 任萍萍, 等. 纳米TiN改性TiN改性Al2 O3 - TiC复合陶瓷的力学性能[J]. 硅酸盐学报, 2004, 32(12): 1542-1545. YOU Xianqing, SI Tingzhi, REN Pingping, et al.Mechanical properties of Nano-TiN modified Al2 O3 -TiC composite ceramic[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2004, 32(12): 1542-1545. [8] 李乾, 孙旭东, 修稚萌. Ni和Ti的添加对Al2 O3 -Ti(C,N)复合材料性能的影响[J]. 无机材料学报, 2011, 26(9): 955-960. LI Qian, SUN Xudong, XIU Zhimeng.Effect of Ni and Ti on mechanical properties of Al2 O3 -Ti(C,N) composites[J]. Journal of Inorganic Materials, 2011, 26(9): 955-960. [9] 李国军, 黄校先, 郭景坤. 晶内/晶间复合型Al2 O3 -Ni纳米金属陶瓷显微结构和力学性能的研究[J]. 无机材料学报, 2003, 18(1): 71-77. LI Guojun, HUANG Xiaoxian, GUO Jinkun.Microstructure and mechanica1 properties of the Intra/Inter-type Al2 O3 /Ni nanocermets[J]. Journal of Inorganic Materials, 2003, 18(1): 71-77. [10] 徐智谋, 易新建, 胡茂中, 等. 纳米Ti(C,N)增强Ti(C,N)基金属陶瓷的研究[J]. 材料热处理学报, 2003, 24(3): 41-45. XU Zhimou, YI Xinjian, HU Maozhong, et al.Study of Ti(C,N) Nanopowder reinforced Ti(C,N)-based cermets[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2003, 24(3): 41-45. [11] 刘含莲, 黄传真, 秦惠芳, 等. 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究进展[J]. 粉末冶金技术, 2004, 22(2): 98-103. LIU Hanlian, HUANG Chuanzhen, QIN Huifang, Research evolution on the strengthening and toughening mechanisms of nano-scale composite ceramics[J]. Powder Metallurgy Technology, 2004, 22(2): 98-103. [12] 邹伶俐. Ti(C,N)含量对硬质合金脱β层的形成及其CVD涂层刀具切削性能的影响[J]. 粉末冶金技术, 2015, 33(2): 116-120. ZOU Lingli.Effect of Ti(C,N) content on the formation of gradient cemented carbide and its cutting performance of CVD-coated tools[J]. Powder Metallurgy Technology, 2015, 33(2): 116-120. [13] 邓福铭, 赵晓凯, 邹波, 等.硬质合金基体预处理工艺对CVD金刚石涂层附着性能的影响[J]. 工具技术, 2013, 47(6): 14-18. DENG Fuming, ZHAO Xiaokai, ZHOU Bo, et al.Effect of cemented carbide substrate pretreatment process for CVD diamond coating adhesion properties[J]. Tool Engineering, 2013, 47(6): 14-18. [14] 陈政文. PVD硬质合金涂层刀具切削和摩擦学性能研究[D]. 机械科学研究总院, 2012. CHENG Zhengwen.Cutting research and tribological properties of PVD coated cemented carbide tool[D]. Mechanical Science Research Institute, 2012. [15] 李力, 苏永要, 王锦标. 轻稀土对WC-10Co硬质合金表面PVD涂层微观结构与性能的影响[J]. 重庆文理学院学报(社会科学版), 2014, 33(5): 1-4. LI Li, SU Yongyao, WANG Jinbiao.Effect of light rare earths on WC-10Co cemented carbide PVD coating microstructure and properties[J]. Chongqing University (Social Science Edition), 2014, 33(5): 1-4. [16] YAN M F, ZHU Y D, ZHANG Y X, et al.Combining thermo- diffusing titanium and plasma nitriding to modify C61900 Cu-Al alloy[J]. Vacuum, 2016, 126: 41-44.
[1]
周志辉, 袁铁锤, 周翔幸. 热压烧结碳化硼陶瓷的显微组织和力学性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2026, 31(2): 136-145.
[2]
彭子月, 刘俊夫, 聂强强, 汤文明. 三维铝框架新型石墨片/6061Al基复合材料的显微结构与性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2026, 31(2): 176-187.
[3]
蒙佳莉, 陈泽宇, 崔志昊, 奚永奇, 庞淇元, 郑绍龙, 陶小马. 不同压强下B12 RE (RE=Sc, Y)物理性能的第一性原理研究 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 387-394.
[4]
李湘龙, 耿赵文, 陈超, 罗晋如, 周科朝. 激光粉末床熔融成形(Fe45 Mn35 Co10 Cr10 )99 C1 高熵合金的显微组织和变形机制 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 395-404.
[5]
梁升翔, 李瑞迪, 袁铁锤, 张毅, 马鑫, 黄敏. 激光粉末床熔融GH3536合金的显微组织和力学性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 414-423.
[6]
杜炫浩, 姚曙, 范建业, 郭会敏, 蔡楒泷, 赵玉龙, 赵科, 刘金铃, 刘佃光. 动态热锻制备高性能织构Si3 N4 陶瓷 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 424-432.
[7]
李海梅, 刘在栋, 乔志炜, 叶志勇, 刘俊文, 李志强, 魏琰斌, 余文皓, 龙泉源, 卢丽, 文青波, 王雅雷, 熊翔. 热处理对薄层化C/C复合材料微观结构和力热性能的影响 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 433-445.
[8]
汪小康, 吴丽光, 叶建波, 胡耀武, 刘辉, 蔡高参. 选区激光熔化316L不锈钢梯度晶格结构的压缩性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(5): 446-455.
[9]
何宗倍, 欧阳瀚, 杜子睿, 曾强, 高心蕊, 关康. 基于有限元和机器学习的全陶瓷微封装燃料热压烧结应力分析 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(4): 272-288.
[10]
匡蜀黔, 张良贤, 张涛, 姜腾蛟, 赵科, 刘金铃. 粉末热挤压制备原位纳米Al2 O3 增强铝基复合材料的高温力学性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(4): 343-350.
[11]
袁晓慧, 李瑞迪, 袁铁锤. Nb含量对激光定向能量沉积Ti-Al-Nb合金组织与力学性能的影响 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(3): 204-214.
[12]
伍强, 肖叶龙, 沈明学, 熊光耀, 季德惠, 赵火平. 激光扫描速度对3D打印青铜合金熔覆层组织及耐磨性能的影响 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(3): 224-232.
[13]
侯俊峰, 吴集思, 江文莉, 王文华, 吴尚育. Ni含量对层状TiC-Ni/EP复合材料结构及性能的影响 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(2): 123-130.
[14]
严春雷, 宋东及, 任俊业. ZrC-AlN强化Mo基复合材料的制备和性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2025, 30(1): 42-50.
[15]
王阳波, 李瑞迪, 支盛兴, 袁铁锤, 柯林达, 侯亚平. 激光粉末床熔融制备高强度Al-Mg-Sc-Er-Zr合金的组织与力学性能 [J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2024, 29(6): 496-504.