原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究

摘要

传统的SiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具在高速切削时，其中的SiC晶须易与淬硬钢产生化学反应，而且SiC与氧化铝间的热膨胀失配较严重；同时在制备晶须增韧陶瓷刀具时，存在晶须分散困难、制备成本高和危害人体健康等问题，因此本文采用原位合成复相粉末，研制成功了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料，系统研究了碳热还原法中TiC晶须的生长机理、原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料复相粉末制备工艺及机理、热压烧结工艺、力学性能、显微结构、增韧机理、切削性能及刀具磨损机理。 研究了碳热还原法中TiC晶须的生长机理，提出了熔滴表面输运机制和SLLS晶须生长机理，研究了SLLS晶须生长机理中的晶须生长方式和影响晶须产量与长径比的主要因素。结果表明，在碳热还原法生长TiC晶须的过程中，Ni熔滴是引导晶须生长的触媒相，NaCl熔滴是传质相，NaCl熔滴通过对反应物颗粒和Ni熔滴的粘附及NaCl熔滴自身的蒸发，不断向Ni熔滴输运反应物颗粒，维持晶须的连续生长。在SLLS晶须生长机理中，存在着反应生长、熟化生长和连接生长三种晶须生长方式。采用搅拌混料方式、添加足以粘附所有原材料颗粒的传质相、提高触媒相的含量、提高升温速度以及根据传质相的蒸发速度和触媒相对原材料颗粒的溶解速度控制生长容器内外的气氛交换速度等，都能够提高晶须产量。调节触媒相与传质相在含量上的配比则可以改变晶须的长径比。SLLS机理采用触媒液滴引导从固相原材料中生长晶须，因此不仅具有VLS机理适合大部分晶须生长并对晶须生长状态具有较好可控性的优点，而且具有SLS机理适合于规模化生产的优点，是继VLS机理后又一种重要的晶须生长机理。 研究了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料复相粉末的制备工艺和机理。结果表明，碳热还原法是制备复相粉末的理想工艺，*本研究得到了山东省优秀中青年科学家科研奖励基金的资助(2006BS0501 3)氧化铝基体与TiC晶须前驱体粉料之间具有良好的化学相容性。湿磨混料可使晶须在基体粉末中分散生长，最佳生长温度是1480℃。当碳含量为标准化学计量比的97﹪左右时，刀具材料具有较好的综合力学性能。采用高温区保温的晶须生长工艺有利于提高化合碳含量，降低游离碳含量，提高刀具材料的力学性能，因此最佳的晶须生长工艺是二步保温法，即在1480℃左右保温60min，然后继续在1700℃左右保温 30min。 Ni 和 NaCl 的最佳含量 (摩尔比) 为TiO<,2>∶Ni∶NaCl=1∶0.05∶0.5。振实装料和氧化铝相变可以抑制基体晶粒长大和团聚，改善刀具材料的力学性能。研制成功了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料ATW30。在理想的烧结工艺下，ATW30的抗弯强度可达800MPa，断裂韧度可达7.63MPa·m<'1/2>，硬度可达19.5GPa。提出将陶瓷刀具材料中晶须与基体间的界面结合强度划分为热力学结合强度和机械结合强度两类，由于在足够高的烧结温度下才能形成晶须与基体间较高的界面热力学结合强度，因此在以热力学结合强度为主的晶须增韧陶瓷刀具材料ATW30中，只有达到一定的烧结温度，才能够保证刀具材料具有较高的断裂韧度。在原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料中发现了大量晶内型晶须，并在包裹晶内型晶须周围的基体晶粒中发现了位错群。大量晶内型晶须及位错群有利于提高刀具材料的致密度和力学性能。 建立了反映了断裂韧度和裂纹扩展面积实效比、弹性模量及断裂表面能之间关系的裂纹扩展面积实效比增韧模型。结果表明，影响刀具材料ATW30弹性模量和断裂表面能的主要因素是材料组分。晶须-基体界面的剥离和沿晶断裂均能提高刀具材料ATW30的裂纹扩展面积实效比和断裂韧度。采用实效比增韧模型预测了陶瓷刀具材料ATW30的断裂韧度，其预测值(8.85MPa·m<'1/2>)与实测值(7.63MPa·m<'1/2>)基本吻合，证明了该模型的正确性。裂纹扩展面积实效比增韧模型不涉及刀具材料的具体增韧机理，具有更广泛的普适性，对研制新型陶瓷刀具材料具有重要的理论指导意义。 研究了陶瓷刀具材料ATW30切削淬硬40Cr、45<'＃>钢和T10A时的切削性能和刀具磨损机理，并与陶瓷刀具SG4进行了对比。结果表明，ATW30的抗磨损能力明显优于SG4。ATW30在低速切削淬硬40Cr时的抗磨损能力优于高速切削，其中低速切削时的主要磨损机理是磨粒磨损，高速切削时的主要磨损机理是磨粒磨损和粘结磨损。ATw30在高速切削淬硬45＃钢和T10A时的抗磨损能力优于低速切削，主要磨损机理是磨粒磨损，这表明ATW30与45＃钢及T10A的亲和力较小，具有良好的化学稳定性。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1陶瓷刀具材料增韧方式及机理的研究现状

1.2晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料的研究现状

1.3高弹性模量陶瓷晶须的研究现状

1.3.1陶瓷晶须的发展与应用

1.3.2晶须生长工艺与机理的研究现状

1.3.3 TiC晶须的生长工艺与机理

1.4原位生长晶须工艺的研究现状

1.4.1原位生长晶须工艺的研究及应用现状

1.4.2原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料的制备方法

1.4.3原位生长晶须工艺需要解决的问题

1.5本课题研究的目的、意义及主要研究内容

1.5.1本课题研究的目的和意义

1.5.2本课题研究的主要内容

第2章碳热还原法中碳化钛晶须的生长机理研究

2.1 TiC的晶体结构与VLS晶须生长机理

2.2碳热还原法生长TiC晶须的VLS机理及存在的问题

2.3 NaCl在TiC晶须生长过程中的作用机理研究

2.4 TiC晶须的SLLS生长机理研究

2.5 SLLS生长机理中晶须的反应生长、熟化生长与连接生长

2.6 SLLS生长中影响晶须产量和长径比的因素

2.6.1影响晶须产量的因素

2.6.2影响晶须长径比的因素

2.7本章小结

第3章原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料复相粉末的制备工艺及机理

3.1 TiC晶须生长工艺的选择

3.2晶须生长过程中的化学相容性研究

3.3原材料及复相粉末配比的选择

3.4反应容器、升温速度及保护气氛

3.5 TiC晶须在氧化铝基体粉末中的生长状态

3.6碳含量与生长工艺对刀具材料力学性能的影响及机理

3.6.1碳含量的选择

3.6.2晶须生长工艺的选择

3.6.3碳含量对刀具材料力学性能的影响及机理

3.6.4晶须生长工艺对刀具材料力学性能的影响及机理

3.7 Ni和NaCl含量对刀具材料力学性能的影响及机理

3.8抑制粉末合成过程中基体晶粒长大和团聚的措施

3.9本章小结

第4章原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料的制备及力学性能研究

4.1性能测试

4.1.1抗弯强度

4.1.2硬度

4.1.3断裂韧度

4.2陶瓷刀具材料复相粉末的制备及微观形貌

4.2.1复相粉末制备

4.2.2 ATW30复相粉末微观形貌分析

4.2.3 ATW40和ATW55复相粉末微观形貌分析

4.3陶瓷刀具材料ATW30的制备及力学性能研究

4.3.1 ATW30的烧结方法

4.3.2 ATW30的力学性能

4.3.3 ATW30的显微结构

4.4 ATW30的晶内型晶须与位错组态

4.5本章小结

第5章原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料ATW30的增韧机理研究

5.1裂纹扩展面积实效比增韧模型的建立

5.2陶瓷刀具材料ATW30的弹性模量与断裂表面能

5.2.1气孔率的影响

5.2.2断裂模式的影响

5.2.3材料组分的影响

5.2.4残余应力的影响

5.2.5延性相的影响

5.3陶瓷刀具材料ATW30的裂纹扩展面积实效比

5.3.1晶须对ATW30裂纹扩展面积实效比的贡献

5.3.2断裂模式对ATW30裂纹扩展面积实效比的贡献

5.4裂纹扩展面积实效比增韧模型的验证

5.4.1纯氧化铝的断裂韧度

5.4.2 ATW30弹性模量和断裂表面能的确定

5.4.3 ATW30裂纹扩展面积实效比的确定

5.4.4 ATW30的断裂韧度

5.5本章小结

第6章原位生长晶须增韧陶瓷刀具的切削性能研究

6.1 ATW30切削淬硬40Cr时的切削性能

6.1.1实验条件

6.1.2实验结果

6.1.3磨损机理分析

6.2 ATW30切削淬硬45#时的切削性能

6.2.1实验条件

6.2.2实验结果

6.2.3磨损机理分析

6.3 ATW30切削淬硬T10A时的切削性能

6.3.1实验条件

6.3.2实验结果

6.3.3磨损机理分析

6.4本章小结

结论与展望

论文创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文、专利及奖励

发表论文(1)

发表论文(2)

致谢