原位生長晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的SiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具在高速切削時(shí)，其中的SiC晶須易與淬硬鋼產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而且SiC與氧化鋁間的熱膨脹失配較嚴(yán)重；同時(shí)在制備晶須增韌陶瓷刀具時(shí)，存在晶須分散困難、制備成本高和危害人體健康等問題，因此本文采用原位合成復(fù)相粉末，研制成功了原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料，系統(tǒng)研究了碳熱還原法中TiC晶須的生長機(jī)理、原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料復(fù)相粉末制備工藝及機(jī)理、熱壓燒結(jié)工藝、力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)、增韌機(jī)理

2、、切削性能及刀具磨損機(jī)理。 研究了碳熱還原法中TiC晶須的生長機(jī)理，提出了熔滴表面輸運(yùn)機(jī)制和SLLS晶須生長機(jī)理，研究了SLLS晶須生長機(jī)理中的晶須生長方式和影響晶須產(chǎn)量與長徑比的主要因素。結(jié)果表明，在碳熱還原法生長TiC晶須的過程中，Ni熔滴是引導(dǎo)晶須生長的觸媒相，NaCl熔滴是傳質(zhì)相，NaCl熔滴通過對反應(yīng)物顆粒和Ni熔滴的粘附及NaCl熔滴自身的蒸發(fā)，不斷向Ni熔滴輸運(yùn)反應(yīng)物顆粒，維持晶須的連續(xù)生長。在SLLS晶須生長機(jī)理

3、中，存在著反應(yīng)生長、熟化生長和連接生長三種晶須生長方式。采用攪拌混料方式、添加足以粘附所有原材料顆粒的傳質(zhì)相、提高觸媒相的含量、提高升溫速度以及根據(jù)傳質(zhì)相的蒸發(fā)速度和觸媒相對原材料顆粒的溶解速度控制生長容器內(nèi)外的氣氛交換速度等，都能夠提高晶須產(chǎn)量。調(diào)節(jié)觸媒相與傳質(zhì)相在含量上的配比則可以改變晶須的長徑比。SLLS機(jī)理采用觸媒液滴引導(dǎo)從固相原材料中生長晶須，因此不僅具有VLS機(jī)理適合大部分晶須生長并對晶須生長狀態(tài)具有較好可控性的優(yōu)點(diǎn)，而且具

4、有SLS機(jī)理適合于規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，是繼VLS機(jī)理后又一種重要的晶須生長機(jī)理。 研究了原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料復(fù)相粉末的制備工藝和機(jī)理。結(jié)果表明，碳熱還原法是制備復(fù)相粉末的理想工藝，*本研究得到了山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金的資助(2006BS0501 3)氧化鋁基體與TiC晶須前驅(qū)體粉料之間具有良好的化學(xué)相容性。濕磨混料可使晶須在基體粉末中分散生長，最佳生長溫度是1480℃。當(dāng)碳含量為標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的97

5、﹪左右時(shí)，刀具材料具有較好的綜合力學(xué)性能。采用高溫區(qū)保溫的晶須生長工藝有利于提高化合碳含量，降低游離碳含量，提高刀具材料的力學(xué)性能，因此最佳的晶須生長工藝是二步保溫法，即在1480℃左右保溫60min，然后繼續(xù)在1700℃左右保溫 30min。 Ni 和 NaCl 的最佳含量 (摩爾比) 為TiO<,2>∶Ni∶NaCl=1∶0.05∶0.5。振實(shí)裝料和氧化鋁相變可以抑制基體晶粒長大和團(tuán)聚，改善刀具材料的力學(xué)性能。研制成功了原位生長Ti

6、C晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料ATW30。在理想的燒結(jié)工藝下，ATW30的抗彎強(qiáng)度可達(dá)800MPa，斷裂韌度可達(dá)7.63MPa·m<'1/2>，硬度可達(dá)19.5GPa。提出將陶瓷刀具材料中晶須與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度劃分為熱力學(xué)結(jié)合強(qiáng)度和機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度兩類，由于在足夠高的燒結(jié)溫度下才能形成晶須與基體間較高的界面熱力學(xué)結(jié)合強(qiáng)度，因此在以熱力學(xué)結(jié)合強(qiáng)度為主的晶須增韌陶瓷刀具材料ATW30中，只有達(dá)到一定的燒結(jié)溫度，才能夠保證刀具材料具有較高的斷裂

7、韌度。在原位生長晶須增韌陶瓷刀具材料中發(fā)現(xiàn)了大量晶內(nèi)型晶須，并在包裹晶內(nèi)型晶須周圍的基體晶粒中發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)群。大量晶內(nèi)型晶須及位錯(cuò)群有利于提高刀具材料的致密度和力學(xué)性能。 建立了反映了斷裂韌度和裂紋擴(kuò)展面積實(shí)效比、彈性模量及斷裂表面能之間關(guān)系的裂紋擴(kuò)展面積實(shí)效比增韌模型。結(jié)果表明，影響刀具材料ATW30彈性模量和斷裂表面能的主要因素是材料組分。晶須-基體界面的剝離和沿晶斷裂均能提高刀具材料ATW30的裂紋擴(kuò)展面積實(shí)效比和斷裂韌度。

8、采用實(shí)效比增韌模型預(yù)測了陶瓷刀具材料ATW30的斷裂韌度，其預(yù)測值(8.85MPa·m<'1/2>)與實(shí)測值(7.63MPa·m<'1/2>)基本吻合，證明了該模型的正確性。裂紋擴(kuò)展面積實(shí)效比增韌模型不涉及刀具材料的具體增韌機(jī)理，具有更廣泛的普適性，對研制新型陶瓷刀具材料具有重要的理論指導(dǎo)意義。 研究了陶瓷刀具材料ATW30切削淬硬40Cr、45<'＃>鋼和T10A時(shí)的切削性能和刀具磨損機(jī)理，并與陶瓷刀具SG4進(jìn)行了對比。結(jié)果表