Si3N4-(W,Ti)C-Co梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究.pdf

1、陶瓷刀具材料具有高的硬度、耐熱性、耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。梯度納米復(fù)合是提高陶瓷刀具材料強(qiáng)度和韌性的又一有效手段。本文面向鐵基高溫合金GH2132的加工，通過物化相容性分析確定了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的材料體系，應(yīng)用性能預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)化了梯度結(jié)構(gòu)，并最終研發(fā)成功兩種具有優(yōu)異性能的梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料。
　　通過物理化學(xué)相容性分析，確定了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的材料體系:基體相為Si3N4，增強(qiáng)相為(W, Ti)C

2、、Co，燒結(jié)助劑采用Y2O3+Al2O3體系。應(yīng)用層數(shù)和層厚比的概念建立了梯度結(jié)構(gòu)?；谌c(diǎn)彎曲試驗(yàn)、單向拉伸試驗(yàn)的有限元模擬，分別預(yù)報(bào)了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度以及抗機(jī)械沖擊性能，并研究了層數(shù)和層厚比對梯度材料性能的影響。結(jié)果表明，增加層數(shù)、減小層厚比有利于提高梯度陶瓷刀具材料的性能。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，采用分層粉末鋪填和熱壓燒結(jié)技術(shù)成功制備了Si3N4/(W,Ti)C類和Si3N4/(W,Ti)C/Co類兩

3、種梯度納米復(fù)合刀具材料GSWT52和GSWT52G。通過組分優(yōu)化，確定了梯度刀具材料每一層組分中增強(qiáng)相的最大添加量，即(W，Ti)C的添加量不超過25vol.％，Co的添加量不超過3vol.％;確定最優(yōu)納米Si3N4添加量為微米Si3N4粉末比重的1/3。通過梯度結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)5層梯度結(jié)構(gòu)，層厚比為0.2時(shí)，材料的綜合力學(xué)性能最佳。
　　通過燒結(jié)工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)壓力固定為30MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度為1700℃，保溫時(shí)間為45min

4、，GSWT52和GSWT52G的綜合力學(xué)性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。在此燒結(jié)工藝下，GSWT52的抗彎強(qiáng)度、表層硬度和斷裂韌度可以分別達(dá)到1080MPa，17.64GPa和10.9MPa·m1/2;而GSWT52G的三個(gè)力學(xué)性能可以分別達(dá)到992MPa，17.83GPa和10.5MPa·m1/2，都滿足了陶瓷刀具材料的性能要求。新型梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的強(qiáng)韌化機(jī)理包括以下幾個(gè)方面:a.基體柱狀β-Si3N4的自增韌強(qiáng)化作用;b.納米顆粒的“釘

5、扎”強(qiáng)化作用;c.增強(qiáng)相引入了更多的穿晶斷裂;d.梯度結(jié)構(gòu)引入的表層殘余壓應(yīng)力。
　　研究了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的高溫力學(xué)性能。抗彎強(qiáng)度隨測試溫度的升高，呈現(xiàn)出先緩慢減小，當(dāng)溫度超過一定值后又急劇減小的趨勢，且這一轉(zhuǎn)折溫度為1000℃;斷裂韌度呈現(xiàn)出先升高又急劇降低的趨勢，轉(zhuǎn)折溫度同為1000℃。分析發(fā)現(xiàn)，玻璃相軟化帶來的晶界滑移、材料組分的氧化以及表面微裂紋的擴(kuò)展是抗彎強(qiáng)度下降的主要原因;而微裂紋增韌效應(yīng)以及材料斷裂前的塑性

6、形變導(dǎo)致了斷裂韌度在一定溫度范圍內(nèi)（小于1000℃）的升高。兩種梯度材料的高溫力學(xué)性能要明顯高于兩種對比均質(zhì)材料。
　　應(yīng)用強(qiáng)度-衰減法研究了新型梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗熱沖擊性能，GSWT52和GSWT52G的臨界熱震溫差分別為600℃和700℃，均高于其對比均質(zhì)陶瓷刀具材料。熱沖擊作用下，微裂紋的生成與擴(kuò)展是材料抗彎強(qiáng)度急劇下降的原因。應(yīng)用壓痕-淬火法研究了新型梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗熱疲勞性能，在相同的沖擊次數(shù)下，梯

7、度材料的裂紋擴(kuò)展長度明顯短于均質(zhì)陶瓷刀具材料，梯度材料表層形成的殘余壓應(yīng)力有利于提高其熱疲勞性能。
　　最后研究了新型梯度納米復(fù)合陶瓷刀具連續(xù)車削和斷續(xù)車削鐵基合金GH2132的切削性能。連續(xù)車削時(shí)，隨著切削速度的升高，刀具壽命呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。最優(yōu)切削速度范圍介于100～150m/min，此時(shí)梯度刀具壽命明顯優(yōu)于對比均質(zhì)陶瓷刀具，比對比商用刀具提高了一倍左右。切削速度較低時(shí)，梯度刀具的失效形態(tài)是后刀面磨損;當(dāng)速度較高時(shí)，