新型硼化鈦基復(fù)合陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

1、本文針對(duì)TiB<,2>陶瓷材料的缺點(diǎn)，根據(jù)復(fù)合陶瓷刀具材料物理、化學(xué)和燒結(jié)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(jié)相，采用液相熱壓燒結(jié)工藝，研制成功了高性能新型TiB<,2>基復(fù)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(duì)其液相熱壓燒結(jié)機(jī)理、常溫力學(xué)性能及增韌機(jī)理、高溫抗氧化性能及氧化機(jī)理、抗熱

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

3、TiN含量為3 Ovol﹪時(shí)，TiB<,2>-TiN復(fù)合陶瓷刀具材料的相對(duì)密度達(dá)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(dāng)Al<,2>O<,3>添加相含量超過(guò)30vol﹪時(shí)，復(fù)合陶瓷刀具材料的致密度會(huì)隨之下降。 研究了TiB<,2>基復(fù)合陶瓷刀具材料液相熱壓燒結(jié)致密化過(guò)程，并建立了液相熱壓燒結(jié)初期和中后期致密化方程。結(jié)果表明，燒結(jié)初期的致密化機(jī)理是顆粒重排，影

4、響復(fù)合陶瓷刀具材料致密化速度的因素有液相性質(zhì)、外加壓力、顆粒尺寸以及液相對(duì)添加相的潤(rùn)濕性；當(dāng)液相對(duì)添加相的潤(rùn)濕角小于對(duì)基體的潤(rùn)濕角時(shí)，添加相會(huì)促進(jìn)基體的燒結(jié)，并且添加相含量越高，復(fù)合陶瓷刀具材料的致密化速度越快；當(dāng)液相對(duì)添加相的潤(rùn)濕角和對(duì)基體的潤(rùn)濕角相同時(shí)，添加相的含量對(duì)復(fù)合陶瓷刀具材料的致密化沒(méi)有影響。燒結(jié)中后期的致密化機(jī)理是液相流動(dòng)和晶界擴(kuò)散控制的蠕變；添加相的晶界擴(kuò)散系數(shù)D、晶界寬度W、擴(kuò)散空位的原子體積α<'3>和表面能γ對(duì)復(fù)合

5、陶瓷刀具材料的致密化有影響；本研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助(50625517)隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，TiB<,2>基復(fù)合陶瓷刀具材料的致密度(p)逐漸增加，且-In(1-p)與燒結(jié)時(shí)間呈線性關(guān)系，復(fù)合陶瓷刀具材料的-ln(1-p)與添加相含量呈拋物線關(guān)系，即隨添加相含量的增加，TiB2基復(fù)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(fù)合陶瓷刀具材料的力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)理。研制成功了具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的Ti

6、B<,2>基復(fù)合陶瓷刀具材料BT30、BA30和BT30A10，其平均抗彎強(qiáng)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(cuò)導(dǎo)致的解理及位錯(cuò)對(duì)裂紋的屏蔽作用是復(fù)合陶瓷刀具材料的主要增韌機(jī)理。建立了環(huán)形狀金屬和顆粒狀金屬橋聯(lián)增韌力

7、學(xué)模型，結(jié)果表明，同樣體積的顆粒狀金屬裂紋橋聯(lián)增韌值是環(huán)形狀金屬的5.09倍。 研究了新型TiB<,2>基復(fù)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(jī)理。結(jié)果表明，TiB<,2>-TiN復(fù)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(fù)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(kāi)始氧化，BA30在800℃開(kāi)始氧化；在800-1000℃范圍內(nèi)，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(jīng)過(guò)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(jìn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)包裹層；氧化后BT30、BA30和BT30A10的抗彎強(qiáng)度均大于750MPa，能夠滿足連續(xù)切削的要求。經(jīng)過(guò)1000℃，50h氧化后，BT30和BT30A10表面的TiN被完全氧化，TiB<,2>沒(méi)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(fù)合陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)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(fù)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(kuò)展參數(shù)R<,c>，建立了考慮R-曲線特性的熱震殘余抗彎強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，BT30、BA30和BT30A10復(fù)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(qiáng)度保持率分別為26.37﹪、50.17﹪和33.78﹪。BT30、BA30和BT30A10復(fù)合陶瓷刀具材料的R-曲線參數(shù)(n)分別為0.03 8、0.139和0.087。單次熱震后復(fù)合陶瓷刀具材料的殘余抗彎強(qiáng)度與R-曲線有關(guān)，抗彎強(qiáng)度保持率是一個(gè)與R-曲線參數(shù)(n)有關(guān)的常數(shù)，R-曲線參數(shù)(n)越大，熱震后抗彎強(qiáng)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(fù)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(shí)的切削性能及刀具失效機(jī)理，并部分與SG4刀具的切削性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在連續(xù)切削淬火40Cr合金鋼時(shí)，BA30與SG4刀具的切削性能相當(dāng)，且始終表現(xiàn)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(jī)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(shí)，三種新型TiB<,2>基復(fù)合陶瓷刀具抗磨損能力由

13、強(qiáng)到弱的順序?yàn)锽A30>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(jī)理為磨粒磨損，高速下BA30和BT30A10刀具的磨損機(jī)理為磨粒磨損，BT30刀具后刀面磨損機(jī)理為磨粒磨損，前刀面磨損機(jī)理為氧化磨損。在連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時(shí)，BA30和BT30A10刀具切削性能很差，不能實(shí)現(xiàn)切削，而BT30刀具表現(xiàn)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(xiàn)出更好的耐磨性；刀具磨損形式為