原位生長TiB2棒晶增韌陶瓷刀具及其磨損可靠性評價研究.pdf

1、針對目前TiB2基陶瓷刀具的斷裂韌度低、高溫力學(xué)性能研究少、傳統(tǒng)制備工藝不完善等問題，本研究提出了原位生長TiB2棒晶增韌TiB2基陶瓷刀具材料反應(yīng)熱壓燒結(jié)制備工藝技術(shù)，研制成功了具有良好室溫和高溫力學(xué)性能及切削性能的新型陶瓷刀具。對陶瓷刀具材料的物相組成、微觀組織演變、室溫力學(xué)性能、高溫抗彎強度、棒晶生長機理與生長動力學(xué)規(guī)律、增韌補強機理、刀具切削性能與可靠性評價等進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝技術(shù)的提出和新型陶瓷刀具材料的研

2、制豐富了陶瓷刀具材料的制備工藝，為高性能陶瓷刀具的設(shè)計制造理論、研發(fā)和應(yīng)用研究奠定了重要基礎(chǔ)。
　　提出了原位生長TiB2棒晶增韌陶瓷刀具材料反應(yīng)熱壓燒結(jié)制備工藝技術(shù)，實現(xiàn)了TiB2棒晶原位生長與陶瓷刀具燒結(jié)的一體化制造技術(shù)。
　　研制成功了TS系列(TiB2-SiC)陶瓷刀具材料。其斷裂韌度隨SiC含量的增加而提高，但抗彎強度和硬度均降低。其中TS10(TiB2-10wt.％SiC)的室溫力學(xué)性能最優(yōu)，即抗彎強度為705M

3、Pa、斷裂韌度為6.6MPa·m1/2、維氏硬度為22.5GPa和相對密度為98.7％。原位生長的TiB2棒晶為單晶，其直徑為1～2μm，長徑比為3～6，產(chǎn)量為12vol.％。TiB2棒晶的主要增韌補強機理是裂紋偏轉(zhuǎn)、棒晶橋聯(lián)、裂紋分叉和棒晶斷裂。
　　研制成功了TSN系列(TiB2-SiC-Ni)陶瓷刀具材料。Ni的含量顯著影響陶瓷刀具材料的室溫力學(xué)性能。其中TSN5(TiB2-SiC-5wt.％Ni)的室溫力學(xué)性能最優(yōu)，即抗彎

4、強度為1121MPa、斷裂韌度為7.9MPa·m1/2、維氏硬度為21.3GPa和相對密度為98.6％。原位生長的TiB2棒晶為單晶，其直徑為0.2～1.5μm，長徑比為3～10，產(chǎn)量為18vol.％。TiB2棒晶的主要增韌補強機理是裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、棒晶橋聯(lián)和棒晶斷裂。金屬Ni的延性相增韌作用提高了陶瓷刀具材料的斷裂韌度。
　　研制成功了TTS系列(TiB2-TiC-SiC)陶瓷刀具材料。原位生成的TiC有效抑制了TiB2晶粒

5、的長大，材料具有均勻細(xì)小的微觀組織。TiC可誘導(dǎo)TiB2晶粒異向生長成為棒晶，當(dāng)TiC含量降低時，材料中的TiB2棒晶產(chǎn)量降低。其中TTS(TiB2-TiC-SiC)的室溫力學(xué)性能最優(yōu)，即抗彎強度為768MPa、斷裂韌度為7.3MPa·m1/2、維氏硬度為21.8GPa和相對密度為99.1％。原位生長的TiB2棒晶為單晶，其直徑為0.5～1μm，長徑比為3～8，產(chǎn)量為20vol.％。TiB2棒晶的主要增韌補強機理是裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)、裂

6、紋分叉、棒晶斷裂和棒晶拔出。
　　研究了原位生長TiB2棒晶增韌陶瓷刀具材料的高溫抗彎強度，揭示了陶瓷刀具的高溫抗彎強度隨溫度變化的規(guī)律，提出了陶瓷刀具高溫抗彎強度的增強與弱化機理。TS系列刀具的抗彎強度隨溫度的升高而逐漸降低，TS10具有最優(yōu)的室溫及高溫抗彎強度;TSN系列刀具的抗彎強度隨溫度的升高而急劇降低，在800℃以上表現(xiàn)出塑性斷裂行為;TTS刀具的抗彎強度隨溫度的升高先增大爾后降低。新型陶瓷刀具高溫抗彎強度的主要增強機理

7、是微裂紋愈合和殘余拉應(yīng)力降低，主要弱化機理是晶界軟化、刀具氧化和彈性模量降低。原位生成的SiC提高了TiB2陶瓷的抗氧化性能;原位生成的TiC細(xì)化了晶粒，提高了材料的室溫和高溫抗彎強度;金屬Ni提高了材料的室溫力學(xué)性能，但是同時降低了材料的高溫抗彎強度。原位生長TiB2棒晶有效抑制了高溫下晶?；坪途Я＾D(zhuǎn)動，提高了陶瓷刀具材料的高溫抗彎強度。
　　建立了原位生長TiB2棒晶增韌補強陶瓷刀具微觀組織演變的幾何模型，構(gòu)建了基于擴散控制

8、的原位生長TiB2棒晶固-液-固(SLS)生長機理模型，創(chuàng)建了原位生長TiB2棒晶橋聯(lián)和棒晶拔出的增韌補強機理模型。材料的微觀組織演變分為原材料混合、瞬時液相、過渡塑性相、晶粒重排和棒晶生長等階段。原位生長TiB2棒晶的生長受擴散控制，高溫下熔融Ti為其生長提供了良好的液相環(huán)境。建立了原位生長TiB2棒晶生長動力學(xué)模型。在一定溫度下，棒晶長度、直徑和長徑比隨著生長時間的延長而增大;在一定生長時間內(nèi)，棒晶長徑比隨著溫度的升高而增大。研究了

9、新型陶瓷刀具材料的增韌補強機理。建立了原位生長TiB2棒晶橋聯(lián)和拔出的增韌補強機理模型。研究了棒晶內(nèi)第二相顆粒、晶內(nèi)型棒晶、晶內(nèi)型納米晶粒、晶間型微/納米晶粒、位錯、延性相和界面結(jié)合狀態(tài)等的增韌補強機理。
　　研究了新型陶瓷刀具加工難加工材料時的切削性能，建立了評價新型陶瓷刀具磨損可靠性的刀具磨損壽命分布模型。研究了新型陶瓷刀具濕式連續(xù)切削Invar36合金時的切削性能，TS10的最優(yōu)切削用量為v=140m/min、f=0.1mm

10、/r和ap=0.4mm，刀具磨損壽命為26.2min;刀具的主要磨損機理是粘結(jié)磨損、擴散磨損、氧化磨損和磨粒磨損;建立了評價刀具磨損可靠性的刀具磨損壽命對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)和可靠度函數(shù)模型;刀具磨損壽命變異系數(shù)為0.085，刀具磨損可靠性較高。研究了新型陶瓷刀具濕式連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的切削性能，TSN5的最優(yōu)切削用量為v=100m/min、f=0.1mm/r和ap=0.35mm，刀具磨損壽命為24.4min;刀具的主

11、要磨損機理是粘結(jié)磨損、擴散磨損和輕微的氧化磨損;建立了評價刀具磨損可靠性的刀具磨損壽命威布爾分布函數(shù)和可靠度函數(shù)模型，該分布的模數(shù)為1.633，刀具磨損可靠性較低。研究了新型陶瓷刀具濕式連續(xù)切削熱作模具鋼H13時的切削性能，TTS的最優(yōu)切削用量為v=100m/min、f=0.1mm/r和ap=0.25mm，刀具磨損壽命為45.4min;刀具的主要磨損機理是粘結(jié)磨損、氧化磨損和磨粒磨損;建立了評價刀具磨損可靠性的刀具磨損壽命對數(shù)正態(tài)分布函