2.2 新型TiB₂基陶瓷刀具材料的设计方案

1．金属相及含量

目前常向TiB₂陶瓷中添加的金属相有Ni、Mo、Co等^[113，121]。在高温真空条件下，这些金属相与TiB₂间的润湿角较小^[16]，小的润湿角有利于减少材料中微孔洞的形成，提高材料的致密度和力学性能。依据式（2-2）金属与TiB₂共晶点的计算式，分别代入Ni（1455℃）、Mo（2610℃）、Co（1493℃）与TiB₂（2980℃）的熔点，可估算出Ni、Mo、Co与TiB₂的共晶点分别为1330℃、1980℃和1360℃，由此可见，共晶点远低于TiB₂的熔点。当烧结温度高于共晶点时，就可实现TiB₂基陶瓷材料的烧结，因此添加Ni、Mo、Co可降低TiB₂基陶瓷材料的烧结温度。基于前期所建立的金属相全包覆硬质相模型所得的结论和Ni、Mo、Co及其含量对TiB₂基陶瓷刀具材料性能影响的试验研究结果，我们发现当金属的质量分数为8%时，TiB₂基陶瓷刀具材料可获得较好的微观组织和力学性能^[121]。基于此，拟选定（Ni，Mo）、Ni、Co、（Ni，Co）作为新型TiB₂陶瓷刀具材料的金属相，并将其质量分数控制在8%。

2．增强相及含量

为了提高TiB₂基陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧度，目前常添加的增强相有Al₂O₃、TiN、AlN、TiC、WC、SiC、B₄C等。除此之外，铪类化合物HfN、HfC、HfB₂具有高熔点，高硬度，良好的导电性、耐磨性和耐蚀性等，它们都属于高温结构陶瓷材料，将与其他陶瓷材料复合，可以改善陶瓷材料的微观组织和提高陶瓷材料的力学性能，是增韧补强陶瓷材料的候选增强相^[129-131]，故拟选用HfN、HfC、HfB₂作为TiB₂陶瓷的增强相。增强相在陶瓷刀具材料中的质量分数一般为10%～40%，依此初步拟定增强相HfN、HfC、HfB₂在TiB₂基陶瓷刀具材料中的质量分数为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参数。由表2-1可知，金属相（Ni、Mo、Co）与基体相（TiB₂）、增强相（HfN、HfC和HfB₂）的线胀系数存在一定的差异；同时，增强相与基体相的线胀系数也存在一定的差异。因此，在烧结过程中可能形成较大的残余应力，不利于TiB₂基陶瓷材料性能的提高。为了避免这种不利影响的产生，依据式（2-3）～式（2-5）所得的结论，采用以下两种方式最大限度地满足金属相与硬质相的物理相容性：一是选用微米级的TiB₂、HfN、HfC和HfB₂作为硬质相，微米级的Ni、Mo、Co作为金属相；二是为了减少快速冷却过程中金属相与硬质相间形成的较大残余应力，在冷却阶段采用随炉缓慢冷却的方式对所烧结试样进行冷却。

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

依据上述的分析，初步拟定三种新型TiB₂基陶瓷刀具材料：TiB₂-HfN、TiB₂-HfC和TiB₂-HfB₂，以（Ni，Mo）、Ni、Co、（Ni，Co）作为新型TiB₂基陶瓷刀具材料的金属相。

4．化学相容性

依据式（2-6）及物质间发生化学反应的判据，可确定TiB₂-HfC、TiB₂-HfN和TiB₂-HfB₂陶瓷刀具材料组分间潜在的化学反应以及反应的温度范围。表2-2列出了新型TiB₂基陶瓷刀具组分间潜在的化学反应，但实际能否发生反应，还需要依据烧结后材料的X射线衍射（XRD）物相分析来进行判定。由表2-2可知，Ni和Mo在烧结温度高于1500℃时不发生反应，结合基体相TiB₂与金属相的共晶点，以保证烧结过程中有足够的金属液相形成，初步拟定在1500～1650℃的范围内制备三种新型TiB₂基陶瓷刀具材料。

表2-2 新型TiB₂基陶瓷刀具组分间潜在的化学反应