原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具及其磨損可靠性研究.pdf

1、本文針對傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)陶瓷刀具制備工藝的局限性，提出了原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具的設(shè)計思路，研制了TiB2棒晶增韌TiB2-TiCx基復(fù)合陶瓷刀具材料和ZrB2棒晶增韌ZrB2-ZrCx基復(fù)合陶瓷刀具材料。對陶瓷刀具的力學(xué)性能、物相組成、微觀組織、棒晶的生長機(jī)理、陶瓷刀具的致密化機(jī)理、增韌機(jī)理、切削性能和磨損可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具的研制成功拓展了陶瓷刀具材料制備工藝，并為高性能陶瓷刀具的開發(fā)奠定了理論與

2、應(yīng)用基礎(chǔ)。
　　提出了基于過渡塑性相方法的原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具的材料組份設(shè)計方案。利用過渡塑性相方法、Ti-B-C與Zr-B-C三元相圖選取Ti-B4C與Zr-B4C為反應(yīng)體系，研制了TiB0棒晶增韌的TiB2-TiCx基復(fù)合陶瓷刀具材料和ZrB2棒晶增韌的ZrB2-ZrCx基復(fù)合陶瓷刀具材料。對反應(yīng)體系的熱力學(xué)分析表明，所選反應(yīng)體系屬于反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行、可自維持的放熱反應(yīng)體系。提出了基于熱爆SHS(Self-propag

3、ating High-temperature Synthesis，SHS)-加壓輔助致密化的原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具的制備工藝。結(jié)合熱爆炸理論、晶體學(xué)原理和燒結(jié)實驗對原位一體化制備工藝中的點火方式、點火溫度、延時時間、延時壓力和燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　　研究了原位一體化制備棒晶增韌陶瓷刀具的制備工藝和力學(xué)性能。研制了TBw(TiB2棒晶/TiB2/TiCx)和ZBw(ZrB2棒晶/ZrB2/ZrCx)兩種新型陶瓷刀具

4、材料。研究表明，反應(yīng)體系在Ti/B4C=4/1的摩爾配比下，當(dāng)燒結(jié)溫度為1750℃，保溫時間為60min，延時時間為5s，延時壓力為16MPa，保壓壓力為35MPa時TBw刀具材料的力學(xué)性能最優(yōu)，即抗彎強(qiáng)度為890.3MPa，斷裂韌度為7.5MPa·m1/2，維氏硬度為20.6GPa，相對密度為99.3％。反應(yīng)體系在Zr/B4C=4/1的摩爾配比下，當(dāng)燒結(jié)溫度為1750℃，保溫時間為60min，延時時間為5s，延時壓力為16MPa，保壓

5、壓力為35MPa時ZBw刀具材料的力學(xué)性能最優(yōu)，即抗彎強(qiáng)度為898.1MPa，斷裂韌度為9.1MPa·m1/2，維氏硬度為17.6GPa，相對密度為98.2％。研究了陶瓷刀具力學(xué)性能、物相組成與微觀組織之間的關(guān)系。
　　研究了原位一體化制備中棒晶的生長機(jī)理、陶瓷刀具材料的致密化機(jī)理和增韌機(jī)理。建立了棒晶生長的異向Ostwald Ripening生長模型和陶瓷刀具材料微觀組織演變模型。研究表明，棒晶的生長機(jī)理一方面與其晶體結(jié)構(gòu)的固有

6、屬性相關(guān)。另一方面，棒晶首先以非平衡熟化形核過程析出晶核并初步生長;當(dāng)整個體系的過冷度逐漸降低時，棒晶以平衡熟化生長過程繼續(xù)生長并在保溫階段發(fā)育完全。對TBw和ZBw刀具的致密化機(jī)理研究表明，反應(yīng)體系的摩爾體積、過渡塑性相TiCx與ZrCx含量和其包含的C原子空位、過渡塑性相的高溫屈服行為和金屬液相的潤濕性均影響反應(yīng)體系的相對密度。對TBw和ZBw刀具的增韌機(jī)理研究表明，在刀具基體內(nèi)均勻分布且隨機(jī)取向的棒晶起到了類似晶須的增韌作用，主要

7、包括裂紋偏轉(zhuǎn)、棒晶橋聯(lián)及棒晶拔出等。棒晶形成的互鎖結(jié)構(gòu)、板晶、晶須、晶粒表面的納米顆粒陣列等均對陶瓷刀具材料有一定的增韌貢獻(xiàn)。
　　研究了TBw刀具連續(xù)干切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的刀具切削性能和刀具磨損可靠性。結(jié)果表明，當(dāng)切削速度為60m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為0.1mm時，TBw刀具的磨損壽命最高，刀具的抗磨損能力由強(qiáng)到弱的順序為TBw＞LT55＞ZBw＞SG4。在低速下，TBw刀具的主要磨損機(jī)

8、理是磨粒磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。在高速下，TBw刀具的主要磨損機(jī)理是磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。TBw刀具的磨損壽命服從伽馬分布，刀具磨損壽命在該切削用量下的磨損可靠度為46.54％。當(dāng)磨損可靠度為90％時，刀具磨損可靠壽命為8.71min。TBw刀具的磨損壽命變異系數(shù)為0.155，因此該刀具的磨損可靠性良好。
　　研究了ZBw刀具連續(xù)干切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的刀具切削性能和刀具磨損可靠性。結(jié)果表明，

9、當(dāng)切削速度為40m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為0.1mm時，ZBw刀具的磨損壽命最高，刀具的抗磨損能力由強(qiáng)到弱的順序為ZBw＞LT55＞TBw＞SG4。在低速下，ZBw刀具的主要磨損機(jī)理是磨粒磨損和氧化磨損。在高速下，ZBw刀具的主要磨損機(jī)理是磨粒磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。ZBw刀具的磨損壽命服從對數(shù)正態(tài)分布，刀具磨損壽命在該切削用量下的磨損可靠度為36.51％。當(dāng)磨損可靠度為90％時，刀具磨損可靠壽命為12.53min