外源型前驱体陶瓷修复剂的研制及其对陶瓷刀具的修复性能研究

摘要

陶瓷刀具对裂纹等缺陷的敏感程度高,在切削过程中裂纹扩展会加剧刀具磨损,影响刀具使用寿命。采用陶瓷增韧和裂纹修复等方法能够降低裂纹对陶瓷刀具性能的影响,提高陶瓷刀具使用寿命。本文选取陶瓷前驱体材料作为陶瓷修复剂,结合陶瓷增韧方法,制备了应用于陶瓷刀具的外源型前驱体陶瓷修复剂,并验证了该修复剂对陶瓷刀具的修复能力。选取聚甲基氢硅氧烷（PMHS）和四甲基四乙烯基环四硅氧烷（D4Vi）作为修复剂基体材料,研究了其交联固化参数及Ti B2填料含量对修复剂材料性能的影响。结果表明,当交联温度为300℃,保温时间为60 min时,前驱体陶瓷修复剂性能最优,其陶瓷产率为60.67 wt.%,密度为1.57 g/cm3,修复剂基体热解后的产物主要为Si C2O6、Si C、（Si O2）x（CH4）y等非晶体陶瓷,其物相分布均匀,气孔缺陷较少。在上述参数下,当Ti B2填料含量为20 wt.%时,陶瓷产率为71.6 wt.%,剪切强度为16.3 MPa。同时对交联过程进行了过渡态计算,Si-H键间、C=C键与Si-H键间和C=C键间反应的能垒分别为100.64 kcal/mol、91.08 kcal/mol和80.38 kcal/mol,反应顺序为C=C键间>C=C键与Si-H键>Si-H键间。采用放电等离子烧结（SPS）方法制备了Al2O3/Ti C和Al2O3/Ti C/Ni Mo陶瓷刀具材料,研究了烧结参数和Ni Mo金属含量对Al2O3/Ti C基陶瓷刀具材料的影响。结果表明,当Al2O3/Ti C陶瓷材料的烧结温度为1500℃,保温时间为6 min时,陶瓷材料具有最优力学性能,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为17.9 GPa、4.4 MPa·m1/2和657.69 MPa。当Ni Mo金属的添加含量为4 vol.%,Al2O3/Ti C/Ni Mo陶瓷刀具材料性能最优,其维氏硬度为17.15 GPa,断裂韧性为5.87 MPa·m1/2,抗弯强度为570.89 MPa,致密度为99.3%。SEM微观形貌表明最优烧结参数下颗粒均匀,空隙缺陷较少,断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂,同时EDS和XRD显示Mo元素在烧结过程中固溶到Ti C陶瓷中,能够起到细化晶粒和固溶强化的作用。分别通过热处理实验和切削实验研究了外源型前驱体陶瓷修复剂对Al2O3/Ti C/Ni Mo陶瓷刀具材料的修复能力。热处理实验过程中,通过在陶瓷材料表面预制裂纹,分别研究了陶瓷刀具材料在500～900℃下的裂纹修复性能。结果表明,修复效果随修复温度的升高而升高,当修复温度为900℃时,修复试样的抗弯强度为456.5 MPa,恢复到初始试样的79.9%。修复剂与陶瓷材料间结合紧密,裂纹宽度变小,原因是高温下两相原子间的相互扩散作用。在切削实验过程中,选择304不锈钢作为工件材料,通过正交实验确定了Al2O3/Ti C/Ni Mo陶瓷刀具的最优切削参数为切削速度vc=200 m/min,背吃刀量ap=0.1 mm,进给量f=0.1 mm/r,该条件下工件表面的粗糙度为0.845μm。观察其切削寿命发现,修复后刀具能够延长切削距离约400 m,陶瓷刀具的磨损方式主要为磨粒磨损和粘结磨损,在陶瓷刀具前后刀面的表征中可以明显的观察到修复现象。