2.2 新型TiB₂基陶瓷刀具材料的設計方案

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間的潤濕角較小^[16]，小的潤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性能。依據式（2-2）金屬與TiB₂共晶點的計算式，分別代入Ni（1455℃）、Mo（2610℃）、Co（1493℃）與TiB₂（2980℃）的熔點，可估算出Ni、Mo、Co與TiB₂的共晶點分別為1330℃、1980℃和1360℃，由此可見，共晶點遠低于TiB₂的熔點。當燒結溫度高于共晶點時，就可實現TiB₂基陶瓷材料的燒結，因此添加Ni、Mo、Co可降低TiB₂基陶瓷材料的燒結溫度。基于前期所建立的金屬相全包覆硬質相模型所得的結論和Ni、Mo、Co及其含量對TiB₂基陶瓷刀具材料性能影響的試驗研究結果，我們發現當金屬的質量分數為8%時，TiB₂基陶瓷刀具材料可獲得較好的微觀組織和力學性能^[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，并將其質量分數控制在8%。

2．增強相及含量

為了提高TiB₂基陶瓷刀具的抗彎強度和斷裂韌度，目前常添加的增強相有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，高硬度，良好的導電性、耐磨性和耐蝕性等，它們都屬于高溫結構陶瓷材料，將與其他陶瓷材料復合，可以改善陶瓷材料的微觀組織和提高陶瓷材料的力學性能，是增韌補強陶瓷材料的候選增強相^[129-131]，故擬選用HfN、HfC、HfB₂作為TiB₂陶瓷的增強相。增強相在陶瓷刀具材料中的質量分數一般為10%～40%，依此初步擬定增強相HfN、HfC、HfB₂在TiB₂基陶瓷刀具材料中的質量分數為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。由表2-1可知，金屬相（Ni、Mo、Co）與基體相（TiB₂）、增強相（HfN、HfC和HfB₂）的線脹系數存在一定的差異；同時，增強相與基體相的線脹系數也存在一定的差異。因此，在燒結過程中可能形成較大的殘余應力，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生，依據式（2-3）～式（2-5）所得的結論，采用以下兩種方式最大限度地滿足金屬相與硬質相的物理相容性：一是選用微米級的TiB₂、HfN、HfC和HfB₂作為硬質相，微米級的Ni、Mo、Co作為金屬相；二是為了減少快速冷卻過程中金屬相與硬質相間形成的較大殘余應力，在冷卻階段采用隨爐緩慢冷卻的方式對所燒結試樣進行冷卻。

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

依據上述的分析，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．化學相容性

依據式（2-6）及物質間發生化學反應的判據，可確定TiB₂-HfC、TiB₂-HfN和TiB₂-HfB₂陶瓷刀具材料組分間潛在的化學反應以及反應的溫度范圍。表2-2列出了新型TiB₂基陶瓷刀具組分間潛在的化學反應，但實際能否發生反應，還需要依據燒結后材料的X射線衍射（XRD）物相分析來進行判定。由表2-2可知，Ni和Mo在燒結溫度高于1500℃時不發生反應，結合基體相TiB₂與金屬相的共晶點，以保證燒結過程中有足夠的金屬液相形成，初步擬定在1500～1650℃的范圍內制備三種新型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反應