新型Ti(C,N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具及其高溫抗彎強(qiáng)度研究.pdf

1、本文針對Ti(C,N)基陶瓷刀具硬度低的缺點(diǎn)，研制了具有較好力學(xué)性能和高硬度的新型Ti(C，N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具，系統(tǒng)研究了Ti(C,N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具的微觀組織、室溫力學(xué)性能、燒結(jié)機(jī)理、增硬機(jī)理、高溫抗彎強(qiáng)度及其可靠性、切削性能等。
　　研制了Ti(C，N)-TiB2-WC和Ti(C，N)-TiB2-(W，Ti)C金屬陶瓷刀具材料，研究了其室溫力學(xué)性能和微觀組織的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在燒結(jié)溫度為1600℃，燒結(jié)壓力32MP

2、a，保溫60min的燒結(jié)工藝下，TiB2顆粒含量為20wt.％、金屬相晶粒Ni、Mo為納米級時，Ti(C,N)-TiB2-WC刀具材料的綜合力學(xué)性能較好。當(dāng)升溫速率和燒結(jié)溫度較高，或者當(dāng)升溫速率和燒結(jié)溫度較低時，Ti(C,N)-TiB2-(W,Ti)C刀具的力學(xué)性能最優(yōu)，最佳燒結(jié)溫度為1585℃至1620℃。在90℃/min的升溫速率下，燒結(jié)溫度為1620℃，保溫時間為60min，燒結(jié)壓力為32MPa時，刀具TB20TW(Ti(C，N)

3、-20wt.％TiB2-(W,Ti)C)的力學(xué)性能最優(yōu)，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為946MPa、7.4MPa·m1/2和22.9GPa。在升溫速率為50℃/min，燒結(jié)溫度為1585℃，保溫時間為60min，燒結(jié)壓力為32MPa時，刀具TB30TW(Ti(C，N)-30wt.％TiB2-(W,Ti)C)的力學(xué)性能最優(yōu)，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為1406MPa、6.6MPa·m1/2和21.9GPa。在Ti(C，N)-

4、TiB2-(W,Ti)C金屬陶瓷刀具材料中發(fā)現(xiàn)了同時含有TiB2和Ti(C,N)兩種“芯-殼”結(jié)構(gòu)的微觀組織，TiB2的“芯-殼”結(jié)構(gòu)是由于燒結(jié)過程中B和Mo原子的擴(kuò)散而形成了環(huán)形相B4MoTi固溶體，Ti(C,N)的“芯-殼”結(jié)構(gòu)是由于燒結(jié)過程中Mo和W原子向Ti(C,N)中擴(kuò)散而形成了環(huán)形相(Ti，W，Mo)(C，N)固溶體。
　　研究了Ti(C，N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具的燒結(jié)機(jī)理，建立了該刀具材料燒結(jié)擴(kuò)散模型，研究結(jié)果表明，殼

5、層增厚速度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，隨著擴(kuò)散時間的延長而先增大后降低。
　　研究了新型Ti(C，N)基復(fù)合陶瓷刀具的增硬機(jī)理，建立了Ti(C,N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具殘余應(yīng)力模型。研究結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力場的綜合作用提高了刀具材料的硬度，Ti(C，N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具的主要增硬機(jī)理是TiB2“芯-殼”結(jié)構(gòu)的增硬效應(yīng)以及TiB2與Ti(C，N)之間的高硬度化學(xué)鍵結(jié)合作用。
　　研究了溫度對Ti(C，N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具抗彎強(qiáng)

6、度的影響規(guī)律和高溫抗彎強(qiáng)度的隨機(jī)分布規(guī)律，建立了Ti(C,N)基復(fù)合金屬陶瓷刀具高溫抗彎強(qiáng)度的分布函數(shù)和可靠度函數(shù)。根據(jù)高溫抗彎強(qiáng)度的研究結(jié)果，確定Ti(C，N)-TiB2-(W,Ti)C為切削刀具。在高于800℃時，該刀具的高溫抗彎強(qiáng)度迅速衰減，主要原因是氧化侵蝕引起的微觀組織損壞、金屬相高溫軟化、界面結(jié)合強(qiáng)度降低、彈性模量降低和殘余壓應(yīng)力釋放。陶瓷刀具TB20TW和TB30TW在800℃時的抗彎強(qiáng)度分布服從威布爾分布，且威布爾分布模

7、數(shù)較大，高溫抗彎強(qiáng)度的離散性小于室溫抗彎強(qiáng)度。在800℃時，取可靠度為0.9時，TB30TW的抗彎強(qiáng)度為720MPa，TB20TW的抗彎強(qiáng)度為688MPa。
　　通過三維切削有限元分析確定了Ti(C,N)基陶瓷刀具連續(xù)濕式切削馬氏體不銹鋼17-4PH的切削用量范圍。研究了陶瓷刀具TB20TW和TB30TW連續(xù)濕式切削馬氏體不銹鋼17-4PH時的切削性能。結(jié)果表明，切削速度對刀具磨損壽命的影響最大。當(dāng)切削速度為150m/min、切削