新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具及性能研究.pdf

1、本文針對(duì)目前陶瓷刀具斷裂韌度和抗彎強(qiáng)度低的難題，利用氮化硅材料的自增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理和納米材料增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，成功地研制出了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具材料，并對(duì)納米復(fù)合粉體分散技術(shù)、刀具材料組分配比、燒結(jié)工藝、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)機(jī)理、增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理、抗氧化機(jī)理和切削性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具的研制成功為高性能陶瓷刀具的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 提出了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷粉體的均

2、勻分散技術(shù)，制備出了無(wú)團(tuán)聚體的Si<,3>N<,4>基納米復(fù)合陶瓷粉體。根據(jù)α-Si<,3>N<,4>、納米α-Si<,3>N<,4w>、納米Ti(C<,7>N<,3>)和納米TiN四種粉體的特性，以水作為分散介質(zhì)，以PMAA-NH<,4>作為分散劑，采用球磨、超聲攪拌、調(diào)節(jié)懸浮液pH值和分散劑化學(xué)吸附等多種方法，優(yōu)化出了四種單相粉體和復(fù)合粉體的最佳分散pH值和PMAA-NH<,4>添加量，制備出均勻穩(wěn)定地單相粉體和復(fù)合粉體懸浮液。

3、 研制成功了納米TiN復(fù)合氮化硅基陶瓷刀具材料GTl(Si<,3>N<,4>/TiN)，其最佳燒結(jié)工藝條件為燒結(jié)溫度1650℃、保溫40min和壓力30MPa，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為1079.8MPa、9.1 MPa·m<'1/2>和15.34GPa。結(jié)果表明，納米TiN可提高GTl復(fù)合粉體的燒結(jié)活性，降低燒結(jié)溫度，提高力學(xué)性能。均勻的Si<,3>N<,4>長(zhǎng)柱狀晶粒有利于提高材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度。GT1材料中存在大

4、量的內(nèi)晶型納米TiN顆粒和少量的晶間型納米TiN顆粒，內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)主要為I型(棱角形內(nèi)晶TiN顆粒)和Ⅱ型(橢圓形內(nèi)晶TiN顆粒)結(jié)構(gòu)，且II型內(nèi)晶型第二相顆粒的周?chē)嬖跓Y(jié)助劑形成的晶間第三相暈圈。刀具的主要增韌機(jī)理是晶粒橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)，納米內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)與基體晶粒的橋聯(lián)自增韌機(jī)制存在協(xié)同效應(yīng)。 研制成功了納米TiN和納米Si<,3>N<,4w>復(fù)合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20T5(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,

5、4w>/TiN)，其最佳燒結(jié)工藝條件為燒結(jié)溫度1650℃、保溫40min和壓力30MPa，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為978.68MPa、9.6MPa·m<'1/2>和18.00GPa。結(jié)果表明，納米α-Si<,3>N<,4w>可提高刀具材料致密度和力學(xué)性能。該材料內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)主要是I型。大量Al、Ce和Y元素富集于晶間相中，形成SiAION固溶體，提高刀具的力學(xué)性能。刀具的主要增韌機(jī)理是裂紋偏轉(zhuǎn)、晶粒橋聯(lián)、裂紋扭轉(zhuǎn)和扭結(jié)、裂紋彎

6、曲及內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)橋聯(lián)增韌等。 研制成功了納米Ti(c<,7>N<,3>)和納米Si<,3.N<,4W>復(fù)合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20TC25(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,4w>/Ti(C<,7>N<,3.))，其最佳燒結(jié)工藝條件為燒結(jié)溫度1750℃、保溫60min和壓力30MPa，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為890.89MPa、9.51 MPa·m<'1/2>和18.08GPa。結(jié)果表明，該材料內(nèi)晶

7、型結(jié)構(gòu)主要是I型。刀具的主要增韌機(jī)理是裂紋偏轉(zhuǎn)、晶粒橋聯(lián)、裂紋彎曲及內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)橋聯(lián)增韌等。 本研究得到了教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20030422012)和國(guó)家自然科學(xué)基金(50275086)資助。研究了納米TiN、納米Ti(C<,7>N<,3>)和納米α-Si<,3>N<,4w>添加相，對(duì)材料燒結(jié)坯體空隙率、基體晶粒相變、成核和生長(zhǎng)的影響，探討了內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理以及納米第二相顆粒對(duì)基體晶界的釘扎作用。結(jié)果表明

8、，納米第二相TiN或Ti(C<,7>N<,3>)顆?？捎行Ы档筒牧吓黧w的空隙率，提高材料的致密度。納米第二相顆粒促進(jìn)基體相在液相中的溶解，納米α-Si<,3>N<,4w>提高β-Si<,3>N<,4>晶粒生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。材料內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制是基體晶粒晶界擴(kuò)張并吞噬納米第二相顆粒。納米第二相晶粒對(duì)基體晶粒晶界的擴(kuò)展產(chǎn)生釘扎和阻礙作用。 深入研究了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，首次建立了考慮品粒橋聯(lián)方向的β

9、-Si<,3>N<,4>晶粒橋聯(lián)和拔出自增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型、晶問(wèn)型和內(nèi)晶型第二相顆粒產(chǎn)生殘余應(yīng)力的協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型、內(nèi)晶型第二相顆粒產(chǎn)生殘余應(yīng)力的增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型、內(nèi)晶型第二相顆粒橋聯(lián)和拔出增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型、晶間型納米第二相顆粒尺寸效應(yīng)增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型、內(nèi)晶型納米第二相顆粒尺寸效應(yīng)增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型。建立了氮化硅自增韌補(bǔ)強(qiáng)和納米顆粒協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)測(cè)值和理論值吻合較好，證明了協(xié)同增韌

10、補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)模型的正確性。 系統(tǒng)研究了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗氧化性能，建立了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗氧化機(jī)理模型。結(jié)果表明，新型陶瓷刀具材料的氧化增重量隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且納米第二相含量越高，材料氧化增重量越大。850"C氧化50h后，晶間型納米第二相發(fā)生氧化生成TiO<,2>相，刀具的抗彎強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降。1150℃氧化50h后，納米第二相和基體相都發(fā)生氧化，分別生成白色板塊狀TiO<,

11、2>和針狀SiO<,2>，氧化時(shí)間 30h 內(nèi)，刀具的抗彎強(qiáng)度下降不大。低溫時(shí)，內(nèi)晶型第二相顆粒不發(fā)生氧化，而晶間型第二相顆粒發(fā)生氧化。高溫時(shí)，晶間型第二相顆粒和基體相首先被氧化，分別生成TiO<,2>相和SiO<,2>相，隨后內(nèi)晶型第二相顆粒逐漸氧化。 研究了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具材料加工鑄鐵、45[＃]鋼和淬硬40Cr合金鋼時(shí)的切削性能，并與商業(yè)化的SNM陶瓷刀具進(jìn)行對(duì)比，分析了新型自增韌氮化硅基納米復(fù)合陶瓷刀具

12、的磨損機(jī)理。結(jié)果表明，在切削鑄鐵時(shí)，GT1、GGw20T5、GGw20TC25和SNM四種刀具均具有良好的抗磨損性能和刀具耐用度，刀具的主要磨損形式為后刀面磨損和邊界磨損，主要磨損機(jī)理是磨粒磨損。在切削45[＃]鋼時(shí)，SNM刀具的磨損量最大，其次為GT1刀具，GGw20T5和GGw20TC25磨損最小，刀具的主要磨損形式為后刀面磨損，主要磨損機(jī)理是磨粒磨損和粘結(jié)磨損，同時(shí)伴有輕微的擴(kuò)散磨損和化學(xué)磨損。在切削淬硬40Cr合金鋼時(shí)，SNM刀