裂纹自愈合陶瓷刀具的研制

摘要

裂纹自愈合陶瓷刀具材料能够有效地利用切削热，产生液相，填充裂纹，实现裂纹自愈合，提高陶瓷刀具的力学性能。本研究成功研制了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15，设计了裂纹自愈合陶瓷刀具材料组分;优化了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的烧结工艺参数;研究了愈合温度、愈合时间和预制裂纹长度对裂纹自愈合后陶瓷刀具材料抗弯强度的影响;实验研究了裂纹自愈合陶瓷刀具材料ATTM15加工321奥氏体不锈钢的切削性能。
　　设计了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的组分，即以Al2O3为基体，以TiB2/TiSi2为添加相。TiSi2的氧化产物对TiB2相具有保护作用，对裂纹具有填充作用。分析了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的化学相容性和物理相容性，Al2O3和TiB2的弹性模量和热膨胀系数具有较好的匹配性。
　　研究了TiSi2含量、烧结温度和保温时间对陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响;对愈合陶瓷刀具材料的物相进行了分析，优化了烧结温度和保温时间，即烧结温度为1600℃，保温时间为30min，烧结压力为32MPa。结果表明，TiSi2的加入有助于提高裂纹自愈合陶瓷刀具材料的断裂韧度，TiSi2的最佳含量为15wt％，断裂方式为沿晶断裂和穿晶断裂。抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度随着烧结温度的升高均呈现先增加后减小的变化趋势。保温时间对裂纹自愈合陶瓷刀具材料抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度的影响规律基本相同，均呈现先增加后降低的变化趋势。在优化的烧结参数下，陶瓷刀具材料获得了较优的力学性能，即抗弯强度为711.98±41.48MPa，维氏硬度为16.89±0.27GPa，断裂韧度为4.82±0.10MPa·m1/2。
　　采用压痕法在裂纹自愈合陶瓷刀具材料的表面预制裂纹，研究了愈合温度、愈合时间和预制裂纹长度对陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2力学性能恢复和裂纹自愈合行为的影响，揭示了陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2的裂纹自愈合机理。结果表明，随着愈合温度的升高，裂纹自愈合后陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2的抗弯强度呈现先增加后降低的变化趋势;当愈合温度为800℃时，裂纹自愈合后陶瓷刀具材料的抗弯强度恢复到原始强度的92.66％。随着愈合时间的延长，裂纹自愈合后陶瓷刀具材料的抗弯强度随着愈合时间的延长而增加。当愈合时间为90min时，陶瓷刀具材料的抗弯强度完全恢复到原始强度，甚至超过了原始抗弯强度，强度恢复率达到了107.25％。预制裂纹长度为150μm和300μm的陶瓷刀具材料的抗弯强度实现了完全恢复，而预制裂纹长度为500μm的陶瓷刀具材料的抗弯强度没有完全恢复。裂纹自愈合陶瓷刀具材料能够实现抗弯强度完全恢复的愈合温度是800℃、愈合时间是90min、预制裂纹长度小于300μm。陶瓷刀具材料裂纹自愈合机理是陶瓷刀具材料中的TiSi2发生氧化反应生成了SiO2和TiO2，并以液态形式流入、填充裂纹，实现了裂纹的自愈合。该裂纹自愈合机理的优点是，反应产物均可作为填充相，且在裂纹愈合过程中不会产生气体，有利于提高陶瓷刀具材料的力学性能和表面质量。
　　研究了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15干式切削321奥氏体不锈钢材料的切削性能，初步分析了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15的磨损机理。结果表明，最优切削速度为60m/min，进给量为0.3mm/r，切削深度为0.25mm。切削速度是影响裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15抗磨损性能的主要因素，切削深度和进给量对其影响较小。裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15的主要磨损形式是边界磨损、前刀面磨损和后刀面磨损，主要磨损机理是氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损，氧化磨损有利于刀具裂纹自愈合。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 陶瓷刀具的研究现状

1．2 陶瓷材料裂纹愈合的研究现状

1．2．1 陶瓷的裂纹成因

1．2．2 裂纹自愈合陶瓷材料的研究现状

1．3 存在的问题

1．4 研究目的和意义

1．5 研究内容

第2章 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的设计

2．1 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的设计思路

2．2 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的各组分确定

2．3 化学相容性分析

2．4 物理相容性分析

2．5 本章小结

第3章 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的制备及工艺优化

3．1 陶瓷复合粉体和自愈合陶瓷刀具材料的制备

3．1．1 陶瓷粉体原材料

3．1．2 陶瓷复合粉体制备工艺路线

3．1．3 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的制备

3．2 裂纹自愈合陶瓷刀具材料力学性能的测试

3．2．1 抗弯强度

3．2．2 维氏硬度

3．2．3 断裂韧度

3．3 裂纹自愈合陶瓷刀具材料微观组织观察

3．4 组分配比对裂纹自愈合陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．4．1 裂纹自愈合陶瓷刀具材料制备方案的设计

3．4．2 TiSi2含量对裂纹自愈合陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．5 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的烧结工艺优化

3．5．1 烧结温度的优化

3．5．2 保温时间的优化

3．6 本章小结

第4章 裂纹自愈合陶瓷刀具材料的裂纹自愈合机理研究

4．1 预制裂纹

4．2 愈合条件对裂纹自愈合后的陶瓷刀具材料抗弯强度的影响

4．3 裂纹自愈合机理分析

4．4 陶瓷刀具材料裂纹自愈合行为分析

4．4．1 愈合温度对陶瓷刀具材料裂纹自愈合行为的影响

4．4．2 愈合时间对陶瓷刀具材料裂纹自愈合行为的影响

4．4．3 预制裂纹长度对陶瓷刀具材料裂纹自愈合行为的影响

4．5 本章小结

第5章 裂纹自愈合陶瓷刀具的切削性能研究

5．1 实验方案

5．2 切削用量的优化

5．2．1 切削速度的优化

5．2．2 进给量的优化

5．2．3 切削深度的优化

5．3 刀具磨损机理分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和获得的奖励

致谢