纳米技术是20世纪80年代末期诞生并崛起的新技术。纳米粉体对现有材料的改性是当前国内外材料科学研究的一个热点。在常规材料中添加纳米颗粒可较大地提高材料的强度、硬度、韧性，也改善了材料的可加工性。在TiC—TiN—Ni—Mo系金属陶瓷中添加纳米TiN粉，就是出于这样的设想，这对于作为刀具材料的金属陶瓷来说具有重要意义。

　　1 纳米TiN改性对TiC基金属陶瓷力学性能的影响

　　采用粉末冶金的方法制取金属陶瓷。纳米TiN粉末经超声分散后加入到混合粉末中去进行湿磨—干燥—造粒—压制成压坯，在真空炉中烧结成烧结坯。然后磨制成可转位刀片。

　　图1 纳米T添加量对材料力学性能的影响

　　纳米TiN的添加量对材料的抗弯强度、断裂韧性、硬度的影响见图1。由图1可知，在纳米TiN添加重量小于4%时，抗弯强度、断裂韧性的值随添加量的增加而略有增加，而硬度变化不大。当添加量继续增加时，三者都有较明显的增加。在添加重量为6%时，断裂韧性和硬度达到最高值。添加重量为8%时抗弯强度达到最高值，随后三者都降低。

　　纳米TiN添加重量小于4%时，力学性能变化不明显，甚至下降，是由于TiN纳米颗粒在高温液相(主要是 Ni、Ti还有部分的N、C)的溶解度较大，加上纳米颗粒的高表面能和高表面活性，可以认为在烧结后残留不多，因此起强韧作用不大。同时由于其造成孔隙、杂质等负面影响，可能导致材料的硬度下降。当纳米TiN添加重量逐渐增加时，材料中实际存在的纳米TiN颗粒不断增多，其强韧的效果也逐渐体现出来了。当纳米TiN添加重量大于6%时，断裂韧性和硬度下降而强度上升，是由于TiN在TiC基金属陶瓷中，可能与TiC、Ni、Mo形成固溶体(Ti、Ni、 Mo)(C、N)覆于TiN或TiC的表面，即所谓的“SS”相：也可能残留下来作为硬质相。当它形成SS相时，可以阻止硬度相颗粒和粘结相之间各元素的扩散，起到细化晶粒的作用。但TiN本身的硬度较TiC低，而且在较高的温度下易分解产生氮气，所以在纳米TiN添加量较大时，强度、断裂韧性和硬度均有下降现象。

　　由上可知，纳米TiN添加对材料有一定的改性效果，力学性能有明显提高，各力学性能的峰值都分别对应一定的纳米TiN的添加量。当添加重量为6%～8%时，可获得较优的综合力学性能。

　　2 纳米TiN粉分散工艺的研究

　　纳米粉具有极微小粒度、高比表面和高表面活性。在制备过程中，由于颗粒间存在范德瓦尔斯力和库仑力，颗粒极易凝并、团聚形成二次颗粒，使粒径增大形成软团聚和硬团聚，最终失去超细颗粒所具备的功能。因此，必须通过物理、化学方法对纳米粉体进行表面处理，使其在液体介质中充分分散，以发挥纳米粉体应有的性能。

　　采用球磨和超声两种分散工艺。研究了用无水乙醇等有机物作为分散介质的分散特性和分散介质、表面活性剂种类及用量、分散体系PH值、超声时间对分散效果的影响。找出了较优的分散体系组分和分散工艺参数。

　　3 切削性能研究

　　用自制的纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷可转位刀片(TNU(G)N160412和SNUN150416)两种，与同样规格的YT15、YG8可转位刀片做成的车刀，在CA6140车床上进行对比性车削试验。

　　与YT15、YG8刀片切削45钢时的比较

　　图2 纳米改性刀具与YT15、YG8刀具磨损曲线御淑堂减肥瘦腰产品排行榜瘦脸左旋肉碱牌子瘦腿哪种保湿补水好用左旋哪个牌子面霜好

　　在切削速度Vc=200m/min，背吃刀量ap=0.5mm，进给量f=0.1mm/r和f=0.5mm/r的切削条件下，得到图2的磨损曲线。如图所示，纳米改性刀具比YT15刀具寿命长很多，当进给量较小时刀具以磨损形式而失效：当进给量较大时刀具以破损形式失效。

　　纳米TiN改性刀具寿命较长的原因是:在干摩擦的条件下，TiC基金属陶瓷的磨损过程是粘结磨损加上硬质相的剥落。这是因为Ti(C，N)基金属陶瓷中主要硬质相TiC硬度大于YT系硬质合金中硬质相WC。更由于TiN的加入抑制了Mo向硬质相中的扩散和W、Ti等元素通过Ni向硬质相扩散，可以产生明显的细化晶粒、提高硬度和强度的效果，因此抗磨粒磨损的性能好。TiC基金属陶瓷的导热性好，与钢的摩擦系数较小，切削温度较低，可以减少扩散磨损，况且 TiC基金属陶瓷的粘结相Ni、硬质相TiC向钢中扩散速度都小于Co和WC。另外，TiC和TiN在高温下可生成较致密的TiO2膜，可覆于刀具表面进一步阻止了各元素的扩散。所以TiC基金属陶瓷具有良好的抗扩散磨损能力。由于TiO2膜的形成和材料的细晶粒结构也增加了刀具抗粘结磨损能力。在TiC 基金属陶瓷中Ni和TiN都提高了材料的耐腐蚀性和化学稳定性。由上可知，纳米TiN改性TiC金属陶瓷刀具具有很好的综合切削性能。

　　图2b中，由于进给量较大，单位主切削刃上负荷较大，而TiC基金属陶瓷的强度、韧性比YT系硬质合金低，故造成崩刃。

　　与普通TiC基金属陶瓷刀片切削45钢和灰铸铁时的比较

　　图3 纳米改性对金属陶瓷刀具切削性能的影响

　　在切削速度Vc=200m/min，背吃刀量ap=0.5mm，进给量f=0.1mm/r的切削条件下，分别加工45钢和灰铸铁，得到图3所示的磨损曲线。

　　由图中看出，纳米改性金属陶瓷抗崩刃性、耐磨性均有较大提高。这是由于在TiC晶界分散的纳米TiN颗粒有钉扎晶界的作用，阻止TiC晶粒的长大，即有弥散强化和细晶强化的效果。纳米粉末的巨大表面能提供了烧结驱动力、活化烧结作用、促进扩散并降低烧结温度，有利于得到细晶结构。同时，TiC晶粒内部分散的 TiN颗粒也起到固溶强化的作用。由此可知，纳米改性金属陶瓷是一种陶瓷增韧的新方法。

　　切削淬火钢时的比较

　　图4 几种刀具切削淬火钢时的磨损曲线

　　图4是切削速度Vc=30m/min，背吃刀量ap=0.5mm，进给量f=0.1mm/r条件下几种刀具切削淬火45钢(经中频淬火热处理，硬度为55HRC)的磨损曲线。由图中可以看出，在较低切削速度下，纳米 TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削淬火钢时刀具耐磨性好，寿命较长。曾用切削速度Vc>30m/min做试验，刀具在切削过程中急剧磨损，且以崩刃而失效。

　　4 结语

　　通过以上切削试验说明:纳米TiN改性TiC基金属陶瓷可转位刀片具有硬度高、高温性能和化学稳定性好、抗磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损的能力较强等优良特性，虽然韧性和强度稍低、抗崩刃性不太好，但在大多数情况下它的切削性能较硬质合金刀具好。

　　纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷是20世纪90年代出现的一种新型刀具材料，具有耐氧化、耐高温、耐磨等一系列优点，再加上其密度6.3～6.8g/cm3，只有硬质合金密度13.5～14.8g/cm3的一半，即相同重量的粉末，金属陶瓷可获得2倍于硬质合金数量的制品，用作刀具材料不仅延长了使用寿命，而且降低了成本，生产应用具有广阔的前景。