TiCN 基金屬陶瓷制備及摩擦學性能研究

任小勇 劉志向 冷旭陽 張至立 陳思琪

（中國礦業大學（北京）機械與電氣工程學院，北京 100083）

TiCN 基金屬陶瓷具有高硬度、高強度、優良的耐高溫及耐腐蝕性能，因此成為制備高速切削刀具的較優材料[1-2]。隨著科技的進步和各領域的快速發展，人們對切削刀具的切削效率和壽命提出更高要求。TiCN 基金屬陶瓷具有較高的摩擦系數，在高速切削過程中磨損劇烈且溫升嚴重，影響了刀具的使用壽命和加工精度，因此提升其自潤滑性能成為切削刀具領域的重點課題。

研究表明，通過添加潤滑相制備復合材料可以提升材料的摩擦性能。常用的固體潤滑材料可分為石墨、h-BN、過渡金屬硫化物和軟金屬（Ag、Au、Pb）等。Ag 具有較低的臨界剪切力，容易發生滑移，高溫化學穩定性好，而且價格比Au 等金屬低，因此成為一種常用的固體潤滑添加劑。BaF2在300～400 ℃會發生脆-韌性轉變，形成具有低剪切強度的潤滑相，在高溫下表現出優異的潤滑性，因此常作為固體潤滑添加劑。例如，美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）最新的研發的PS400系列涂層材料體系就是以Ag 和62%BaF2-38%CaF2共晶粉復配作為潤滑劑，制備滿足不同工況條件下的NiMoAl 基自潤滑涂層。但是，目前尚缺少以Ag 和BaF2作為潤滑添加劑制備TiCN 基金屬陶瓷的力學性能和潤滑性能方面的研究。

為此，以納米Ag 和BaF2粉作為潤滑添加劑，利用放電等離子燒結技術燒結制備TiCN 基金屬陶瓷，并研究其微觀結構和摩擦學性能，探索添加潤滑劑對TiCN 基金屬陶瓷微觀結構、力學性能和常溫潤滑性能的影響。

1 實驗過程

1.1 復合材料制備

本實驗中樣品的制備與測試流程如圖1 所示，所需原料粉末包括TiCN、MoC、Ni、Ag、BaF2粉，其中以TiCN 為基體，金屬Ni 為黏結相，MoC 為硬質增強，Ag、BaF2粉末為潤滑相。將TiCN、MoC 和Ni 粉以8 ∶1 ∶1 的比例球磨混合，球磨時間為48 h，轉速為200 r·min-1。磨球為6 mm 直徑的YG6 硬質合金球，介質為無水乙醇。真空干燥后得到TiCN-MoC-Ni基礎粉末，在此粉末中添加5 wt%的銀粉和5 wt%的BaF2粉末。將混合粉末繼續球磨4 h，并進行真空干燥，干燥的粉末過篩后進行放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering，SPS）。本實驗中未添加潤滑相樣品標記為TMNA0，添加潤滑相樣品標記為TMNAB5。

圖1 樣品制備與測試流程

樣品采用SPS 方式制備，實驗所用燒結爐和燒結升溫曲線如圖2 所示，燒結溫度為1 300 ℃，達到最高燒結溫度后保溫5 min。燒結后，依次使用400 目、800 目、1 200 目砂紙對樣品進行拋光，然后進行分析表征測試。

圖2 放電等離子燒結爐實物圖及燒結升溫曲線圖

1.2 分析表征測試

使用阿基米德法測試所制備復合材料的表觀密度，并計算其相對密度，每種樣品測試3 組取平均值。使用型號為D8ADVANCE 的X 射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）儀分析材料物相組成，掃描范圍為20°～90°，掃描速率為每分鐘5°，掃描方式為連續掃描。使用型號為VHX-5000 的基恩士超景深三位顯微鏡分析摩擦磨損實驗后的磨痕表面形貌。采用型號為EV500-2A 的維氏硬度計測試樣品的維氏硬度，載荷為100 N，保壓時間10 s，共測試5 組并取平均值。使用型號為UMT-3 的多功能摩擦磨損試驗機，采用球-盤往復模式評價材料的摩擦學性能，載荷分別為5 N、10 N 和15 N，所用對磨副為直徑4 mm 的氮化硅小球，往復頻率為5 Hz，行程為8 mm，測試時間為10 min。

2 實驗結果分析

2.1 物相組成

TMNA0 和TMNAB5 樣品的XRD 圖譜，如圖3所示。實驗結果顯示，所有樣品中均檢測到TiCN、Ni 和MoC 相，與基礎粉末的成分一致。在添加潤滑相的樣品中，同時檢測到Ag 的衍射峰（38.15°、64.43 °、81.49 °）和BaF2的衍射峰（24.85 °、26.42°、28.78°、48.69°、51.23°）。此外，所檢測出的Ag 和BaF2衍射峰的峰形尖銳，表明添加的Ag 和BaF2在燒結樣品中結晶完整，能發揮良好的潤滑作用[3-4]。結果表明，通過放電等離子燒結技術，成功制備了含有Ag 和BaF2雙潤滑相的TiCN 基金屬陶瓷。

圖3 樣品TMNA0 和TMNAB5 的XRD 圖譜

2.2 力學性能測試

所制備樣品的實際密度和致密度結果如圖4 所示。從圖4 可以看到，實驗中添加和未添加潤滑相樣品的致密度均高于90%，表明在該燒結工藝下可以成功燒結制備TiCN 基金屬陶瓷。添加5 wt%的納米Ag 粉和5 wt%的BaF2粉末樣品的實際密度比未添加時提高約0.6 g·cm-3，致密度從90.05%提升至99.83%。這表明添加Ag 和BaF2有利于提高TiCN 基金屬陶瓷的致密度。主要原因是Ag 的添加提高了樣品中金屬相的含量，有助于樣品燒結致密[5-6]。

圖4 TiCN 基金屬陶瓷樣品的實際密度與致密度

兩組樣品的平均維氏硬度如圖5所示。從圖5可以看到，TNMA0 樣品的硬度為370.88 HV，而TMNAB5 樣品的硬度為542.74 HV，可見添加納米Ag 粉和BaF2粉末能夠提高TiCN 基金屬陶瓷的硬度。當納米Ag 和BaF2添加量均為5 wt%時，樣品硬度提高172 HV。實驗結果還表明，TiCN 基金屬陶瓷的硬度與致密度呈正相關。

圖5 樣品的維氏硬度圖

2.3 摩擦學性能測試

TMNA0 和TMNAB5 樣 品 在5 N、10 N、15 N載荷下的摩擦系數隨時間的變化曲線如圖6 所示。實驗為往復式球盤摩擦，對磨副為Si3N4陶瓷球。結果表明，樣品經過一段跑合期后，摩擦系數基本保持穩定，其中添加潤滑相樣品的跑合期更長。添加潤滑相樣品的在不同載荷下的摩擦系數波動幅度小，曲線平穩，而未添加潤滑相樣品的摩擦系數曲線波動幅度大，表明添加潤滑相的樣品在摩擦過程中更易形成穩定的潤滑膜[7-8]。

圖6 不同載荷下實驗樣品的摩擦系數曲線圖

截取各組實驗在進入穩定摩擦階段后的曲線，繪制出各組數據的平均摩擦系數，如圖7 所示。從圖7可以看到，兩組樣品隨著載荷的提高，摩擦系數均呈現增大趨勢，添加了5 wt%的納米Ag 和5 wt%的BaF2粉的TMNAB5 樣品在各載荷條件下的摩擦系數均低于TMNA0 樣品的摩擦系數，而且載荷越大，摩擦系數降低幅度越大。添加潤滑相的樣品相比未添加潤滑相的樣品，在5 N、10 N、15 N 的載荷作用下摩擦系數分別降低0.022、0.044、0.052，具有更好的潤滑效果。室溫條件下，添加潤滑相的樣品能夠在更廣泛的載荷條件下發揮更好的摩擦學性能。

圖7 樣品在不同載荷下的平均摩擦系數

TMNAB5 樣品在不同載荷下的磨損形貌如圖8所示。圖8 中標注了各磨痕的寬度，顯示磨痕隨著載荷的變大逐漸增大，分別為373.61 μm、485.53 μm和516.78 μm。隨著磨痕變寬，黑色磨斑逐漸增多，因此可推斷出摩擦系數隨載荷提高而增大的原因可能為大顆粒物質黏附在磨痕表面，加大了表面的粗糙度。

圖8 TMNAB5 樣品在不同載荷下的磨痕形貌

3 結論

通過放電等離子燒結技術成功制備了添加納米Ag 和BaF2粉末的TiCN 基金屬陶瓷，并對其物相組成、力學性能和摩擦學性能進行分析測試，得到兩條結論。

（1）添加潤滑相樣品的致密度達到99.83%，而且物相組成中除TiCN、MoC 和Ni 相外，還檢測到潤滑相Ag 和BaF2，材料硬度為542 HV，高于未添加潤滑相樣品，表明采用放電等離子燒結方法能夠成功制備含有Ag 和BaF2潤滑相的金屬陶瓷材料。

（2）在5 N、10 N、15 N 這3 種測試載荷下，含有Ag 和BaF2潤滑相樣品的摩擦系數均小于未添加潤滑相的樣品，且摩擦系數波動幅度小，表明該樣品在摩擦過程中表面更易形成固體潤滑膜，能夠降低樣品的摩擦系數，達到減磨的效果。