AlO/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能

摘要

本文在微米级Al2O3基体中添加纳米TiC和微米WC作为增强相，通过调整复合陶瓷材料中基体和增强相的含量、优化烧结工艺参数，成功制备出性能良好的Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具材料，并对其力学性能、微观结构、压痕裂纹扩展形态进行了研究。将新研制的纳米复合陶瓷刀具材料制成刀片进行切削实验，研究了刀具的切削性能和失效机理。 通过合理选择分散剂及其用量、采用合适的分散工艺，较好的解决了纳米TiC颗粒团聚的问题。确定了纳米复合粉体的制备工艺，制备出了混合均匀、分散效果良好的纳米复合粉体。 当基体Al2O3的体积含量为59％、增强相TiC和WC的体积含量分别为24％和16％时，在烧结温度1700℃、烧结压力30MPa、保温时间10min的工艺条件下烧结，可获得综合力学性能良好的复合陶瓷刀具材料，抗弯强度为840MPa、硬度为20GPa、断裂韧度为5.32 MPa·m1/2。 微观结构观察发现，Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具材料为晶内型和晶间型的混合结构，Al2O3基体以部分粒径较小的纳米TiC颗粒为核生长形成晶内型结构，其余粒径较大的TiC颗粒和所有WC颗粒镶嵌在Al2O3基体晶粒之间形成晶间型结构。在Al2O3和TiC晶粒中观察到的位错以及在Al2O3晶粒中观察到的微裂纹说明，在复合陶瓷刀具材料内部存在较大的残余应力场，残余应力增韧是该复合陶瓷刀具材料的一种增韧机制。在Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具材料压痕裂纹扩展路径上观察到大量的裂纹偏转、桥联和裂纹分叉现象，上述裂纹扩展方式有助于提高材料的断裂韧性。 连续切削淬火45钢时，在不同速度下，LWT刀具的寿命都明显高于SG-4刀具。LWT刀具的磨损形态为前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损。磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损。 连续切削淬火T10A时，在较低的速度(v=100m/min)下，LWT刀具的寿命高于SG-4：速度较高(v=160m/min)时，LWT刀具的寿命不如SG-4。较低速度下，LWT刀具的磨损形态以前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损为主，并伴随有轻微的微崩刃；随着切削速度的提高，崩刃、碎断等破损成为刀具的主要失效形式。机械疲劳和热疲劳是造成刀具破损的原因。 断续切削淬火45钢时，在较低的切削速度下，LWT刀具的抗冲击能力低于SG-4；当切削速度提高时，LWT刀具的抗冲击能力优于SG-4刀具。两种刀具的破损形态都是前刀面的剥落和切削刃上的碎断。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1陶瓷刀具材料的研究现状

1.2陶瓷刀具材料的增韧补强机理

1.2.1颗粒弥散增韧

1.2.2相变增韧

1.2.3晶须增韧

1.2.4各种增韧机理的协同作用

1.2.5纳米增韧

1.3存在的问题

1.4本课题研究的目的、意义及主要内容

1.4.1本课题研究的目的和意义

1.4.2本课题研究的主要内容

第2章Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的设计及研究方法

2.1 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料体系的确定

2.1.1陶瓷刀具材料的设计原则

2.1.2 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料配方的确定

2.2 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的研究方法

2.2.1技术路线

2.2.2Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料粉体的制备

2.2.3 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的烧结工艺

2.2.4 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料试样的制备和力学性能测试方法

2.2.5 Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料微观结构观察与分析方法

2.3本章小结

第3章Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能及微观结构

3.1原材料的处理

3.2 Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备

3.3 Al2O3含量对复合陶瓷材料力学性能和微观结构的影响

3.3.1力学性能测试

3.3.2微观结构分析

3.4增强相配比对复合陶瓷材料力学性能和微观结构的影响

3.4.1力学性能测试

3.4.2微观结构分析

3.5烧结温度对材料性能的影响

3.5.1力学性能测试

3.5.2微观结构分析

3.6保温时间对材料性能的影响

3.6.1力学性能测试

3.6.2微观结构分析

3.7纳米复合陶瓷材料的压痕裂纹扩展路径分析

3.8纳米复合陶瓷材料TEM观察与分析

3.9本章小结

第4章Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具切削性能研究

4.1连续车削淬火45钢(HRC40～44)

4.1.1实验条件

4.1.2实验结果

4.1.3刀具磨损形态及磨损机理分析

4.2连续车削淬火碳素工具钢TlOA(HRC60～64)

4.2.1实验条件

4.2.2实验结果

4.2.3刀具磨损形态及磨损机理分析

4.2.4工件材料硬度对LWT刀具切削性能的影响

4.3断续车削淬火45钢(HRC44～48)

4.3.1实验条件

4.3.2实验结果

4.3.3刀具磨/破损形态及磨/破损机理分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢