复相陶瓷刀具材料的物化相容性分析

　　作为复相陶瓷材料设计原则的两个方面[1],物理相容性和化学相容性问题既是材料系统设计[2]的重要内容,也是后续材料设计工作的基础和前提,它将对材料的物理力学性能和使用性能产生重大影响。如果不同相之间化学上不能相容,和/或物理上不能匹配,那么这将是一个不良的组合。物理相容性和化学相容性是相互独立的,本文针对作者所研究的复相陶瓷刀具材料分别进行讨论。

　　1　化学相容性

　　1.1　计算模型

　　在复相陶瓷材料组分设计时,首先要考虑的是复相体系在热力学上的相容性。通过热力学计算,可以预测各组成相之间在直到烧结温度范围内发生化学反应的可能性,从而缩小增强相的选择范围,减少试验工作量,达到初步筛选增强相的目的。同时,通过热力学计算与预测,也可以改进材料组分和工艺参数,为减少乃至抑制界面反应提供理论依据。此外,把工件材料作为“独立相”[2],研究它与各组分材料在切削温度条件下的化学相容性,对于复相陶瓷刀具材料组分系统的确定也有十分重要的意义。根据最小自由焓原理,当

　　ΔG< 0 (1)

　　等温等压条件下封闭体系中的反应过程自发进行。

　　对于化学反应,有:

　　式中:ΔGθ为化学反应的标准摩尔自由能;vi为单质或化合物的计量系数;Gθi为标准摩尔自由能;Hθi为标准摩尔焓;Sθi为标准摩尔熵;T为绝对温度。

　　若在298 K至T范围内无相变,则

　　式中:ΔfHθi为纯物质在298 K时的标准生成热;CP为恒压摩尔热容。

　　若有相变,就应加上相变热,并分段积分,其一般公式为

　　式中,最后一项是相变熵。

　　恒压摩尔热容CP一般可由经验数据拟合成为

　　式中:ai、bi、ci、di为物质的热容温度系数。

　　将式(7)分别代入式(5)和(6),并联立式(3)和式(2),整理即可得到ΔGθ(T)的数学表达式,亦即化学相容性的计算模型。

　　1.2　编程计算结果与分析

　　在上述计算模型基础上,对复相陶瓷刀具材料的化学相容性问题进行了编程计算(程序框图略)。它包括四个方面的内容:各主相之间的反应、主相与添加剂之间的反应、主相与工件材料之间的反应以及各主相材料的氧化反应等。该热力学计算程序主要包括一个主程序X.BAS,两个子程序SUB-1和SUB-2,以及六个数据文件D1.DAT,D2.

　　DAT,RD3.DAT,RD4.DAT,RD5.DAT和RD6.DAT,数据文件的建立分别由X1.BAS～X6.BAS等程序完成。子程序SUB-1用于主相反应方程式的搜索,SUB-2用于热力学数据的调用和反应自由能的计算。数据文件D1和D2以顺序存取方式存贮近500种常用物质的热力学数据,而热力学数据均取自热力学数据手册[3]。数据文件RD3.DAT～RD6.DAT以随机存取方式存贮主相之间、主相与添加剂之间、主相与工件材料之间以及材料氧化反应的化学反应方程式。这些方程式有从文献[4～9]中查得的,有些是根据产物或有关系统的相图而得(属于可能的方程式),或由可能的产物推得(可能的方程式)。