原位一體化制備陶瓷刀具及其切削性能研究.pdf

1、原位一體化合成技術(shù)是一種新型的制備工藝，該工藝可以在一定程度上克服目前原位兩步法制備工藝中存在的問題（原材料反應(yīng)轉(zhuǎn)化率小于100％以及基體晶粒二次燒結(jié)異常長大）。本研究中結(jié)合原位一體化合成技術(shù)制備了原位晶須/棒晶、顆粒協(xié)同增韌陶瓷刀具材料，并初步研究了原位棒晶、顆粒協(xié)同增韌陶瓷刀具的切削性能。
　　 論文首先研究了TBN(Ti,BN)以及TBCN(Ti,BN，B4C)兩個材料體系一體化制備工藝中所適合的晶須生長環(huán)境，結(jié)果表明，在

2、原位一體化合成工藝中，晶須的生長是在一定壓力作用下進(jìn)行的。與傳統(tǒng)碳熱還原法相同的是，原材料的配比和添加物的引入直接影響著晶須的生長;不同的是，在原位一體化合成工藝中，適時(shí)加壓對于晶須的生長是有利的，因?yàn)閴毫σ环矫媸沟镁ы毶L所需的原料接觸更加緊密利于反應(yīng)進(jìn)行，另一方面又是晶須生長伸長的阻力。
　　 對原位一體化制備工藝中的燒結(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過研究不同燒結(jié)溫度及保溫時(shí)間對原位一體化制備晶須、顆粒協(xié)同增韌陶瓷刀具材料的微觀組織、

3、晶須形貌、力學(xué)性能的影響，得出1700℃下保溫40min時(shí)可以獲得性能優(yōu)良的原位一體化TiB2晶須、顆粒協(xié)同增韌的陶瓷刀具材料。結(jié)合該工藝最終成功制備了具有較高力學(xué)性能的原位一體化TiB2棒晶、顆粒協(xié)同增韌的陶瓷刀具材料TBN5(在Ti、BN摩爾比為2∶1的前提下，引入5wt％Ni)，其抗彎強(qiáng)度達(dá)1057MPa，斷裂韌度達(dá)8.82MPa·m1/2，維氏硬度達(dá)19.87GPa。復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的提高得益于棒晶與顆粒的補(bǔ)強(qiáng)作用以及較高的相對

4、密度。
　　 利用SEM觀察分析了材料的微觀組織，研究了復(fù)合材料中晶須、棒晶以及顆粒的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理以及復(fù)合材料的致密化機(jī)理。通過分析裂紋擴(kuò)展路徑得出了復(fù)合材料的增韌機(jī)理，裂紋在擴(kuò)展過程中遇到TiB2晶須或顆粒時(shí)，將發(fā)生裂紋偏折、終止等以及晶須的橋聯(lián)、拔出，并伴隨著TiB2顆粒與延性顆粒的橋聯(lián)、較弱晶粒的斷裂等。TBN5體系采用新型的燒結(jié)工藝（高溫自蔓延SHS+熱壓燒結(jié)+液相燒結(jié)）獲得了相對密度為99.8％的復(fù)合陶瓷材料，材料的致

5、密化階段主要是劇烈反應(yīng)階段高溫高壓下的液相流動、顆粒重排與高溫下液相的再次熔化填補(bǔ)空隙以及晶粒長大，TBCN體系中存在塑性流動機(jī)制。
　　 采用打斷實(shí)驗(yàn)法并結(jié)合SEM、XRD等分析手段研究了原位一體化制備工藝中晶須的生長機(jī)理及生長過程。一體化晶須的生長過程異于傳統(tǒng)晶須的生長過程，其生長機(jī)理符合晶體的擴(kuò)散生長機(jī)制，而不同于傳統(tǒng)碳熱還原法中晶須的VS以及VLS機(jī)理等。
　　 對所研制的新型陶瓷刀具(TBN5)切削奧氏體不銹鋼