硼化鈦基復(fù)相陶瓷刀具及其失效機(jī)理研究.pdf

1、本文針對(duì)TiB2陶瓷材料難以燒結(jié)致密化、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度低等缺點(diǎn)，根據(jù)復(fù)合陶瓷刀具材料物理、化學(xué)相容性原則，采用熱壓燒結(jié)工藝，以Ni、Co、(Ni，Mo)、(Co，Mo)、(Ni，Ti)、(Co，Ti)作為金屬相，以TiC、WC作為硬質(zhì)相，研制成功了新型TiB2基復(fù)相陶瓷刀具TiB2-25wt.％TiC-WC(TTW7)、TiB2-WC(BW3)、TiB2-WC-TiC(TWTN3)，并對(duì)金屬相含量、金屬相與硬質(zhì)相的物理相容性、材料的

2、液相燒結(jié)致密化機(jī)理、力學(xué)性能、微觀組織、增韌機(jī)理、刀具切削性能及失效機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 提出了新型TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則。確定了TiC和WC為TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料的添加相，確立了TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料體系。建立了金屬相全包覆硬質(zhì)相晶粒模型，推導(dǎo)了TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料中金屬相含量的計(jì)算式，確定了實(shí)現(xiàn)金屬相全包覆硬質(zhì)相時(shí)的金屬相體積分?jǐn)?shù)為ψ∈[3.5％，13％]。對(duì)金屬相與硬質(zhì)相間的物

3、理相容性研究表明，硬質(zhì)相顆粒越小，容許的硬質(zhì)相與金屬相熱膨脹系數(shù)差越大。
　　 研究了TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料液相燒結(jié)時(shí)的致密化機(jī)理。燒結(jié)初期的致密化機(jī)理主要是增強(qiáng)相在液相中的溶解、氣孔收縮、顆粒重排，在燒結(jié)初期氣孔逐步形成球形。研究了TiB2基復(fù)相陶瓷刀具材料在燒結(jié)中后期致密化過程中相對(duì)密度與燒結(jié)工藝參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，隨晶粒尺寸(b)、液相厚度（λ1）、保溫時(shí)間（t)和液相密度（ρL）的增大，材料的相對(duì)密度不斷增加;

4、而隨液相動(dòng)力粘度（μ)和坯體高度（h）的增大，材料的相對(duì)密度不斷減小;其中燒結(jié)壓力(P)和燒結(jié)溫度（T)對(duì)材料相對(duì)密度的影響不大。
　　 對(duì)燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、金屬相含量和硬質(zhì)相含量進(jìn)行了優(yōu)化。研究了金屬相和硬質(zhì)相含量對(duì)TiB2復(fù)相陶瓷刀具材料力學(xué)性能的影響，確定了制備TTW7、BW3和TWTN3刀具的工藝方案。
　　 研制成功了TiB2-25wt.％TiC-WC(TTW7)復(fù)相陶瓷刀具材料，其中TiB2-25wt.％T

5、iC復(fù)合粉的含量為72wt.％，WC的含量為20wt.％，Ni的含量為8wt.％。在1650℃下燒結(jié)復(fù)相陶瓷材料時(shí)，基體和WC具有良好的化學(xué)相容性。隨著WC含量的增加，微觀組織中的粗大晶粒和氣孔逐漸減少，TiB2復(fù)相陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度、硬度逐漸增大;但是當(dāng)WC含量超過20wt.％時(shí)，刀具材料的力學(xué)性能降低。當(dāng)WC含量為20wt.％時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度為955.7MPa，斷裂韌度為7.5MPa·m1/2，硬度為23.5GPa。

6、
　　 研制成功了TiB2-WC(BW3)復(fù)相陶瓷刀具材料，其中TiB2的含量為72wt.％，WC的含量為20wt.％，(Ni,Mo)的含量為8wt.％。在1650℃下燒結(jié)復(fù)相陶瓷材料時(shí)，TiB2和WC具有良好的化學(xué)相容性。金屬相為Co的復(fù)相陶瓷刀具材料中的氣孔、粗大晶粒明顯多于金屬相為Ni、(Ni,Mo)的復(fù)相陶瓷刀具材料，且前者的力學(xué)性能低于后兩者。金屬相為(Ni，Mo)的復(fù)相陶瓷刀具材料的缺陷最少，力學(xué)性能最好，其抗彎強(qiáng)度

7、為1307.0MPa，斷裂韌度為8.2MPa·m1/2，硬度為22.7GPa。
　　 研制成功了TiB2-TiC-WC(TWTN3)復(fù)相陶瓷刀具材料，其中TiB2的含量為42wt.％，WC的含量為20wt.％，Ni的含量為8wt.％，TiC的含量為30wt.％。在1650℃下燒結(jié)復(fù)相陶瓷刀具材料時(shí)，TiB2、WC和TiC具有良好的化學(xué)相容性。對(duì)微觀組織的研究表明，當(dāng)TiC含量為10wt.％時(shí)，復(fù)相陶瓷刀具材料中存在許多氣孔和粗大

8、晶粒;隨TiC含量的增加，氣孔及粗大晶粒逐漸減少;當(dāng)TiC含量為30wt.％時(shí)，TWTN3及TWTNM3復(fù)相陶瓷刀具材料微觀組織中的缺陷逐漸消失。材料的抗彎強(qiáng)度為996.6MPa，斷裂韌度為7.6MPa·m1/2，硬度為23.6GPa。
　　 研究了刀具材料TTW7、BW3和TWTN3的增韌機(jī)理。結(jié)果表明，金屬相均以環(huán)狀兼顆粒狀分布在硬質(zhì)相形成的晶界上，具有彌散強(qiáng)化作用，其增韌機(jī)理是裂紋橋聯(lián)和偏轉(zhuǎn)、WC晶粒拔出和固溶強(qiáng)化;材料的

9、斷裂模式是沿晶斷裂和穿晶斷裂同時(shí)存在。
　　 研究了TTW7、BW3、TWTN3和SG4刀具連續(xù)切削淬硬Cr12MoV模具鋼、哈氏合金C-276和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時(shí)的切削性能及刀具失效機(jī)理。結(jié)果表明，干切削淬硬Cr12MoV模具鋼和哈氏合金C-276時(shí)，加工表面會(huì)發(fā)生粘屑現(xiàn)象;加入冷卻液后粘屑現(xiàn)象消逝。干切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時(shí)，當(dāng)切削速度選擇合適時(shí)，加工表面質(zhì)量良好。四種刀具在濕切削狀態(tài)下，以切削

10、速度為60m/min、進(jìn)給量為0.1mm/r、切削深度為0.3mm連續(xù)切削淬硬Cr12MoV模具鋼時(shí)，刀具的抗磨損能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)锽W3＞SG4＞TTW7＞TWTN3;刀具的主要失效形式是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩、前刀面剝落，其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損及粘著磨損。四種刀具在濕切削狀態(tài)下，以切削速度為60m/min、進(jìn)給量為0.1mm/r、切削深度為0.2mm連續(xù)切削哈氏合金C-276時(shí)，刀具的抗磨損能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)锽

11、W3＞SG4＞TTW7＞TWTN3;刀具的主要磨損形式是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩，其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損和粘著磨損。四種刀具在干切削狀態(tài)下，以切削速度為80m/min、進(jìn)給量為0.1mm/r、切削深度為0.1mm連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時(shí)，刀具的抗磨損能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)門TW7＞SG4＞TWTN3＞BW3;刀具的主要磨損形式是是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩、前刀面剝落，其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損