新型硼化鈦基復合陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

1、本文針對TiB<,2>陶瓷材料的缺點，根據復合陶瓷刀具材料物理、化學和燒結相容性原則，選擇TiN和Al<,2>O<,3>顆粒為添加相，Ni和Mo為粘結相，采用液相熱壓燒結工藝，研制成功了高性能新型TiB<,2>基復合陶瓷刀具TiB<,2>-TiN(BT)、TiB<,2>-Al<,2>O<,3>(BA)和TiB<,2>-TiN-Al<,2>O<,3>(BTA)，并對其液相熱壓燒結機理、常溫力學性能及增韌機理、高溫抗氧化性能及氧化機理、抗熱

2、震性能、切削性能及刀具失效機理進行了系統(tǒng)的研究。 在優(yōu)化的燒結工藝下，制備了 TiB<,2>-TiN、 TiB<,2>-Al<,2>O<,3>和TiB<,2>-TiN-Al<,2>O<,3>復合陶瓷刀具材料，并研究了添加相含量對TiB<,2>基陶瓷刀具材料致密化的影響。結果表明：添加相顆粒TiN和Al<,2>O<,3>對基體的致密化有明顯促進作用。隨TiN添加量的增加，TiB<,2>-TiN復合陶瓷刀具材料的致密度逐漸提高，且當

3、TiN含量為3 Ovol﹪時，TiB<,2>-TiN復合陶瓷刀具材料的相對密度達到了98.87﹪；少量的Al<,2>O<,3>添加相可以提高TiB<,2>-Al<,2>O<,3>的致密度，但當Al<,2>O<,3>添加相含量超過30vol﹪時，復合陶瓷刀具材料的致密度會隨之下降。 研究了TiB<,2>基復合陶瓷刀具材料液相熱壓燒結致密化過程，并建立了液相熱壓燒結初期和中后期致密化方程。結果表明，燒結初期的致密化機理是顆粒重排，影

4、響復合陶瓷刀具材料致密化速度的因素有液相性質、外加壓力、顆粒尺寸以及液相對添加相的潤濕性；當液相對添加相的潤濕角小于對基體的潤濕角時，添加相會促進基體的燒結，并且添加相含量越高，復合陶瓷刀具材料的致密化速度越快；當液相對添加相的潤濕角和對基體的潤濕角相同時，添加相的含量對復合陶瓷刀具材料的致密化沒有影響。燒結中后期的致密化機理是液相流動和晶界擴散控制的蠕變；添加相的晶界擴散系數D、晶界寬度W、擴散空位的原子體積α<'3>和表面能γ對復合

5、陶瓷刀具材料的致密化有影響；本研究得到了國家杰出青年科學基金資助(50625517)隨燒結時間延長，TiB<,2>基復合陶瓷刀具材料的致密度(p)逐漸增加，且-In(1-p)與燒結時間呈線性關系，復合陶瓷刀具材料的-ln(1-p)與添加相含量呈拋物線關系，即隨添加相含量的增加，TiB2基復合陶瓷刀具材料的致密度(p)逐漸增加大。系統(tǒng)研究了TiB<,2>基復合陶瓷刀具材料的力學性能、顯微結構和增韌機理。研制成功了具有優(yōu)良綜合力學性能的Ti

6、B<,2>基復合陶瓷刀具材料BT30、BA30和BT30A10，其平均抗彎強度分別為：1240MPa、915MPa和1036MPa；其平均斷裂韌度分別為：7.43MPa·m<'1/2>、7.00MPa·m<'1/2>和7.8MPa·m<'1/2>；其平均維氏硬度分別為：20.47GPa、21.42GPa和20.33GPa。金屬相和位錯導致的解理及位錯對裂紋的屏蔽作用是復合陶瓷刀具材料的主要增韌機理。建立了環(huán)形狀金屬和顆粒狀金屬橋聯增韌力

7、學模型，結果表明，同樣體積的顆粒狀金屬裂紋橋聯增韌值是環(huán)形狀金屬的5.09倍。 研究了新型TiB<,2>基復合陶瓷刀具材料TiB<,2>-TiN、TiB<,2>-Al<,2>O<,3>和TiB<,2>-TiN-Al<,2>O<,3>在700℃、800℃和1000℃條件下的抗氧化性能及其氧化機理。結果表明，TiB<,2>-TiN復合陶瓷刀具材料的氧化增重隨TiN含量的增加而逐漸增加，TiB<,2>-Al<,2>O<,3>和TiB<

8、,2>-TiN-Al<,2>O<,3>復合陶瓷刀具材料的氧化增重隨Al<,2>O<,3>含量的增加而逐漸減小。BT30和BT30A10在700℃開始氧化，BA30在800℃開始氧化；在800-1000℃范圍內，BT30的氧化活化能最小，氧化最快，BT30A10次之，而BA30的氧化活化能最大，氧化最慢。經過800℃，50h氧化后，BT30和BT30A10的表面生成了TiO<,2>，TiO<,2>在材料表面形成了連續(xù)的覆蓋層，并在TiB<

9、,2>顆粒表面形成了包裹層，覆蓋層和包裹層降低了材料進一步氧化的速度，并使材料表面的TiB<,2>顆粒很難被完全氧化；BA30表面僅有少量TiB<,2>被氧化，但是在TiB<,2>顆粒周圍沒有發(fā)現包裹層；氧化后BT30、BA30和BT30A10的抗彎強度均大于750MPa，能夠滿足連續(xù)切削的要求。經過1000℃，50h氧化后，BT30和BT30A10表面的TiN被完全氧化，TiB<,2>沒有被完全氧化，而BA30表面的TiB<,2>被完

10、全氧化；氧化后BT30、BA30和BT30A10復合陶瓷刀具材料的抗彎強度都低于500MPa，不能正常切削。 研究了BT30、BA30和BT30A10三種新型TiB<,2>基復合陶瓷刀具材料的抗熱震性能和R-曲線行為，提出了熱震裂紋擴展參數R<,c>，建立了考慮R-曲線特性的熱震殘余抗彎強度預測模型。結果表明，BT30、BA30和BT30A10復合陶瓷刀具材料的臨界熱震溫差分別為750℃、800℃和750℃，在臨界熱震溫差下單次

11、熱震后的抗彎強度保持率分別為26.37﹪、50.17﹪和33.78﹪。BT30、BA30和BT30A10復合陶瓷刀具材料的R-曲線參數(n)分別為0.03 8、0.139和0.087。單次熱震后復合陶瓷刀具材料的殘余抗彎強度與R-曲線有關，抗彎強度保持率是一個與R-曲線參數(n)有關的常數，R-曲線參數(n)越大，熱震后抗彎強度保持率越高，材料的抗熱震性能越好。研究了BT30、BA3 0和BT30A10三種新型TiB<,2>基復合陶瓷刀

12、具連續(xù)或斷續(xù)切削淬火40Cr合金鋼、淬火45*鋼和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的切削性能及刀具失效機理，并部分與SG4刀具的切削性能進行對比。結果表明，在連續(xù)切削淬火40Cr合金鋼時，BA30與SG4刀具的切削性能相當，且始終表現出比BT3 O更好的切削性能，BA30和BT30刀具的主要磨損形式為前后刀面磨損，磨損機理為磨粒磨損和BT30刀具前刀面粘著磨損。在連續(xù)切削淬火45＃鋼時，三種新型TiB<,2>基復合陶瓷刀具抗磨損能力由

13、強到弱的順序為BA30>BT30A10>BT30，刀具的主要磨損形式是前后刀面磨損，低速下的磨損機理為磨粒磨損，高速下BA30和BT30A10刀具的磨損機理為磨粒磨損，BT30刀具后刀面磨損機理為磨粒磨損，前刀面磨損機理為氧化磨損。在連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時，BA30和BT30A10刀具切削性能很差，不能實現切削，而BT30刀具表現出良好的切削性能，采用O°前角的刀具比．5°前角的刀具表現出更好的耐磨性；刀具磨損形式為