晶须增韧TiB2基陶瓷刀具的制备工艺与力学性能研究

摘要

陶瓷刀具极大的提高了切削效率，甚至在国际上被认定为能提高机械加工生产率的最佳刀具。TiB2具有高熔点、高的导电性、高弹性模量等优点，以TiB2为基体做成的刀具得到了国内外学者的高度关注，然而它也有自身的弱点，脆性低。本文针对TiB2基陶瓷刀具的弱点及晶须增韧的基本思想，根据晶须基体的匹配原则，选择合适晶须来提高TiB2刀具的综合性能。课题的主要内容有：碳热还原法合成TiC晶须并对其生长机理进行分析、晶须的分散处理、烧结力学性能结合及微观结构进行优化分析。 研究了TiC晶须生长的VLS（气液固）、VS（气固）生长机理，并对SLLS（固液液固）机理进行深入考察。SLLS机理具体解释了NaCl把原材料传递给Ni，实现了S-L的转变，系统不断进行，促使晶须实现了成核长大过程。SLLS机理同VLS机理一样需要Ni融滴引导晶须生长，从而确定晶须顶端存在的Ni融滴不能作为判定VLS机理的唯一标准。 基于合成后的TiC晶须易团聚的特点，研究了颗粒分散的基本原则并对润湿角，分散剂、分散介质进行掌握。分析对比颗粒分散的方法，选择以化学分散法为主、机械分散法为辅进行晶须分散。实验选定硅酸钠和聚乙二醇6000作为分散剂，与之对应的分散介质为蒸馏水和无水乙醇，结合硅酸钠分散过程中可能残留及聚乙二醇6000易挥发的优点，最终选用聚乙二醇6000做TiC晶须的分散剂。 对TiC晶须增韧TiB2陶瓷刀具材料的复合粉末在1650~1750℃烧结温度范围内进行优化，制备出了TiCw/TiC颗粒增韧TiB2基陶瓷刀具材料。研究了TiC晶须含量和烧结工艺对复合陶瓷刀具力学性能和微观结构的影响。对力学性能研究表明，随着TiC晶须/颗粒含量增加，材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度逐渐提高，当TiC晶须/颗粒复合粉末含量为30vol%时综合力学性能最好，当TiC晶须/颗粒复合粉末含量大于30vol%时，各相力学性能会有所降低。研究了含有30%TiC晶须/颗粒的TiB2陶瓷刀具材料的烧结工艺和微观结构，结果表明：烧结温度和保温时间分别为1700℃和30min时，复合陶瓷刀具材料的晶粒相对较小，抗弯强度和断裂韧性较好。

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