摘要:本论文针对TiB:陶瓷材料难以烧结致密化、抗弯强度、断裂韧度低等缺点,根据复合陶瓷刀具材料物理、化学相容性原则,采取热压烧结工艺,以Ni. Co、(Ni,Mo)、(Co,Mo)、(Ni,Ti)、(Co,Ti)作为金属相,以TiC、WC作为硬质相,研制成功了新型TiB2基复相陶瓷刀具TiB2-25wt.%TiC-WC(TTW7)、 TiB2-WC(BW3).TiB2-WC-TiC(TWTN3),并对金属相含量、金属相与硬质相的物理相容性、材料的液相烧结致密化机理、力学性能、微观组织、增韧机理、刀具切削性能及失效机理进行了系统探讨。提出了新型TiB2基复相陶瓷刀具材料的设计目标和设计原则。确定了TiC和WC为TiB2基复相陶瓷刀具材料的添加相,确立了TiB2基复相陶瓷刀具材料系统。建立了金属相全包覆硬质相晶粒模型,推导了TiB:基复相陶瓷刀具材料中金属相含量的计算式,确定了实属相全包覆硬质相时的金属相体积分数为φ∈[3.5%,13%]。对金属相与硬质相间的物理相容性探讨表明,硬质相颗粒越小,容许的硬质相与金属相热膨胀系数差越大。探讨了TiB2基复相陶瓷刀具材料液相烧结时的致密化机理。烧结初期的致密化机理主要是增强相在液相中的溶解、气孔收缩、颗粒重排,在烧结初期气孔逐步形成球形。探讨了TiB2基复相陶瓷刀具材料在烧结中后期致密化历程中相对密度与烧结工艺参数之间的联系,结果表明,随晶粒尺寸(b)、液相厚度(λl)、保温时间(t)和液相密度(pL)的增大,材料的相对密度不断增加;而随液相动力粘度(μ)和坯体高度(h)的增大,材料的相对密度不断减小;其中烧结压力(P)和烧结温度(T)对材料相对密度的影响不大。对烧结温度、保温时间、金属相含量和硬质相含量进行了优化。探讨了金属相和硬质相含量对TiB2复相陶瓷刀具材料力学性能的影响,确定了制备TTW7、BW3和TWTN3刀具的工艺案例。研制成功了TiB2-25wt.%TiC-WC(TTW7)复相陶瓷刀具材料,其中TiB2-25wt.%TiC复合粉的含量为72wt.%,WC的含量为20wt.%,Ni的含量为8wt.%。在1650℃下烧结复相陶瓷材料时,基体和WC具有良好的化学相容性。随着WC含量的增加,微观组织中的粗大晶粒和气孔逐渐减少,TiB2复相陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度、硬度逐渐增大;但是当WC含量超过20wt.%时,刀具材料的力学性能降低。当WC含量为20wt.%时,材料的抗弯强度为955.7MPa,断裂韧度为7.5MPa·m1/2,硬度为23.5GPa。研制成功了TiB2-WC(BW3)复相陶瓷刀具材料,其中TiB2的含量为72wt.%,WC的含量为20wt.%,(Ni, Mo)的含量为8wt.%。在1650℃下烧结复相陶瓷材料时,TiB2和WC具有良好的化学相容性。金属相为Co的复相陶瓷刀具材料中的气孔、粗大晶粒显著多于金属相为Ni、(Ni, Mo)的复相陶瓷刀具材料,且前者的力学性能低于后两者。金属相为(Ni, Mo)的复相陶瓷刀具材料的缺陷最少,力学性能最好,其抗弯强度为1307.0MPa,断裂韧度为8.2MPa·m1/2,硬度为22.7GPa。研制成功了TiB2-TiC-WC(TWTN3)复相陶瓷刀具材料,其中TiB2的含量为42wt.%,WC的含量为20wt.%,Ni的含量为8wt.%,TiC的含量为30wt.%。在1650-C下烧结复相陶瓷刀具材料时,TiB2、WC和TiC具有良好的化学相容性。对微观组织的探讨表明,当TiC含量为10wt.%时,复相陶瓷刀具材料中有着许多气孔和粗大晶粒;随TiC含量的增加,气孔及粗大晶粒逐渐减少;当TiC含量为30wt.%时,TWTN3及TWTNM3复相陶瓷刀具材料微观组织中的缺陷逐渐消失。材料的抗弯强度为996.6MPa,断裂韧度为7.6MPa.m1/2,硬度为23.6GPa。探讨了刀具材料TTW7、BW3和TWTN3的增韧机理。结果表明,金属相均以环状兼颗粒状分布在硬质相形成的晶界上,具有弥散强化作用,其增韧机理是裂纹桥联和偏转、WC晶粒拔出和固溶强化;材料的断裂方式是沿晶断裂和穿晶断裂同时有着。探讨了TTW7、BW3、TWTN3和SG4刀具连续切削淬硬Crl2MoV模具钢、哈氏合金C-276和奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时的切削性能及刀具失效机理。结果表明,干切削淬硬Cr12MoV模具钢和哈氏合金C-276时,加工表面会发生粘屑现象;加入冷却液后粘屑现象消逝。干切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时,当切削速度选择合适时,加工表面质量良好。四种刀具在湿切削状态下,以切削速度为60m/min、进给量为0.1mm/r、切削深度为0.3mm连续切削淬硬Cr12MoV模具钢时,刀具的抗磨损能力由强到弱的顺序为B W3SG4TTW7TWTN3;刀具的主要失效形式是后刀面沟槽磨损、刀尖破损、主切削刃微崩、前刀面剥落,其主要磨损机理是磨粒磨损及粘着磨损。四种刀具在湿切削状态下,以切削速度为60m/min、进给量为0.1mm/r、切削深度为0.2mm连续切削哈氏合金C-276时,刀具的抗磨损能力由强到弱的顺序为B W3SG4TTW7TWTN3;刀具的主要磨损形式是后刀面沟槽磨损、刀尖破损、主切削刃微崩,其主要磨损机理是磨粒磨损和粘着磨损。四种刀具在干切削状态下,以切削速度为80m/min、进给量为0.1mm/r、切削深度为0.1mm连续切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时,刀具的抗磨损能力由强到弱的顺序为TTW7SG4TWTN3BW3;刀具的主要磨损形式是是后刀面沟槽磨损、刀尖破损、主切削刃微崩、前刀面剥落,其主要磨损机理是磨粒磨损、扩散磨损和粘着磨损。关键词:TiB_2基陶瓷刀具论文金属相论文液相烧结论文致密化机理论文切削性能论文
摘要11-14
Abstract14-18
第1章 绪论18-32
1.1 刀具在机加工中的进展概况18
1.2 陶瓷刀具材料的探讨近况18-19
1.3 复相陶瓷刀具材料设计论述的探讨近况19-20
1.4 TiB_2基复相陶瓷材料的探讨近况20-29
1.4.1 TiB_2基复相陶瓷材料的开发20-21
1.4.2 TiB_2基复相陶瓷材料的制备策略21-23
1.4.3 TiB_2基复相陶瓷材料致密度的探讨近况23-24
1.4.4 TiB_2基复相陶瓷材料微观组织的探讨近况24-25
1.4.5 TiB_2基复相陶瓷材料力学性能的探讨近况25
1.4.6 TiB_2基复相陶瓷材料微观组织对力学性能影响的探讨近况25-26
1.4.7 TiB_2基复相陶瓷材料强韧化机理的探讨近况26-27
1.4.8 TiB_2基复相陶瓷材料磨损性能的探讨近况27-28
1.4.9 TiB_2基复相陶瓷材料氧化性能的探讨近况28-29
1.4.10 TiB_2基复相陶瓷刀具材料的探讨近况29
1.5 TiB_2基复相陶瓷刀具材料探讨中有着的不足29-30
1.6 本论文探讨的目的、作用及主要内容30-32
1.6.1 探讨的目的和作用30-31
1.6.2 探讨的主要内容31-32
第2章 TiB_2基复相陶瓷刀具材料的设计32-47
2.1 探讨TiB_2基复相陶瓷刀具材料各组成相的目的32
2.2 TiB_2基复相陶瓷刀具材料各组成相的确定32-38
2.2.1 金属相的选择32-37
2.2.2 硬质相的选择37-38
2.3 添加相与TiB_2基体物理相容性探讨38-41
2.3.1 硬质相与基体的物理相容性38-39
2.3.2 金属相与硬质相的物理相容性39-41
2.4 添加相与TiB_2基体化学相容性探讨41-45
2.4.1 热力学计算原理42-43
2.4.2 刀具材料系统的热力学浅析43-45
2.5 本章小结45-47
第3章 TiB_2基复相陶瓷刀具材料的制备工艺及工艺优化47-77
3.1 实验原料及粉体复合工艺路线47-49
3.1.1 实验原料47
3.1.2 粉体复合工艺路线47-48
3.1.3 复合粉体的烧结工艺48-49
3.2 TiB_2基复相陶瓷刀具材料性能的测试策略49-51
3.2.1 相对密度的测定49
3.2.2 抗弯强度的测定49
3.2.3 维氏硬度的测定49-50
3.2.4 断裂韧度的测定50-51
3.2.5 微观组织的测定51
3.3 TiB_2基复相陶瓷刀具材料的致密化机理探讨51-62
3.3.1 液相热压烧结初期致密化51-53
3.3.2 液相热压烧结中后期致密化53-62
3.4 TiB_2基复相陶瓷刀具材料制备工艺优化62-75
3.4.1 TiB_2基复相陶瓷刀具材料制备的正交实验62-67
3.4.2 TiB_2基复相陶瓷刀具材料制备的正交实验结果浅析67-72
3.4.3 添加相含量对TiB_2基复相陶瓷刀具材料力学性能的影响72-75
3.5 本章小结75-77
第4章 TiB_2基复相陶瓷刀具材料的微观组织及增韧机理探讨77-94
4.1 TiB_2-25wt.%TiC-WC复相陶瓷刀具材料的微观组织77-82
4.1.1 TiB_2-25wt.%TiC-WC复相陶瓷刀具材料的相浅析77-78
4.1.2 TiB_2-25wt.%TiC-WC复相陶瓷刀具材料的断口形貌及其对力学性能的影响78-80
4.1.3 TTW7复相陶瓷刀具材料的增韧机理80-82
4.2 TiB_2-WC复相陶瓷刀具材料的微观组织82-87
4.2.1 TiB_2-WC复相陶瓷刀具材料的相浅析82-84
4.2.2 TiB_2-WC复相陶瓷刀具材料的断口形貌及其对力学性能的影响84-86
4.2.3 BW3复相陶瓷刀具材料的增韧机理86-87
4.3 TiB_2-WC-TiC复相陶瓷刀具材料的微观组织87-93
4.3.1 TiB_2-WC-TiC复相陶瓷刀具材料的相浅析87-90
4.3.2 TiB_2-WC-TiC复相陶瓷刀具材料的断口形貌90-92
4.3.3 TWTN3复相陶瓷刀具材料的增韧机理浅析92-93
4.4 本章小结93-94
第5章 TiB_2基复相陶瓷刀具切削性能及失效机理探讨94-116
5.1 TiB_2基复相陶瓷刀具切削性能及失效机理的探讨路线94-95
5.1.1 TiB_2基复相陶瓷刀具切削性能及失效机理探讨路线94
5.1.2 TiB_2基复相陶瓷刀具切削性能正交实验表94-95
5.2 刀具与工件材料的性能95-96
5.3 切削淬火Cr12MoV模具钢时的刀具切削性能及失效机理探讨96-102
5.3.1 实验条件及实验策略96
5.3.2 实验结果96-101
5.3.3 刀具失效机理101-102
5.4 切削哈氏合金C-276时的刀具切削性能及失效机理探讨102-108
5.4.1 实验条件及实验策略102-103
5.4.2 实验结果103-106
5.4.3 刀具失效机理106-108
5.5 切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时的刀具切削性能及失效机理探讨108-114
5.5.1 实验条件及实验策略108
5.5.2 实验结果108-112
5.5.3 刀具失效机理112-114
5.6 本章小结114-116
结论116-120
论新点摘要120-121