纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具及切削性能研究

摘要

本文在微米级氧化铝基体中添加纳米氧化锆，利用氧化锆的相变增韧作用和纳米颗粒增韧作用来协同增韧基体材料。成功研制了纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料，系统研究了其烧结工艺、力学性能和微观结构之间的关系，分析了影响四方相氧化锆稳定性的各因素，研究了新型陶瓷刀具的切削性能。 研制成功了纳米ZrO<,2>增韧氧化铝基陶瓷刀具材料A15Zc和A20Z(c+m)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1550℃、保温30min和压力30MPa，A15Zc的抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为812.83MPa、5.5MPa·m<'1/2>和16.68GPa，而A20Z(c+m)材料的力学性能分别为869.48MPa、5.85MPa·m<'1/2>和16.09GPa。刀具的主要增韧机理是相变增韧、裂纹偏转、裂纹弯曲和纳米颗粒的桥连等。 研究了纳米TiC、微米TiC和微米TiN对纳米ZrO<,2>增韧氧化铝基陶瓷刀具材料微观结构和力学性能的影响。结果表明，刀具材料A5T<,n>20Z(Al<,2>O<,3>-3Y-ZrO<,2>-TiCn)在烧结温度为1650℃、烧结压力为30MPa和保温时间为30min时的力学性能最好，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为904.7MPa、4.16MPa·m<'1/2>和17.43GPa；含微米TiC陶瓷刀具材料Al<,2>O<,3>-3Y-ZrO2-TiC<,m>的断裂韧度略有下降；含微米TiN陶瓷刀具材料A5N<,m>20Z(Al<,2>O<,3>-3Y-ZrO<,2>-TiN<,m>)在烧结温度为1650℃、烧结压力为30MPa和保温时间为30min时的力学性能最好，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为845.14MPa、4.87MPa·m<'1/2>和16.40GPa。 研究了新型陶瓷刀具A15Zc和A20Z(c+m)切削淬硬40Cr、淬硬45＃、淬硬T10A和灰铸铁时的切削性能，并与已经商业化的陶瓷刀具SG4的切削性能进行了对比。结果表明，陶瓷刀具A15Zc和A20Z(c+m)在切削淬硬40Cr时，刀具后刀面磨损量随切削深度的增加而增大，而切削速度对刀具后刀面磨损量的影响较小；在较小的切削深度下切削时刀具具有良好的切削性能，A15Zc和A20Z(c+m)的抗磨损能力都好于SG4刀具；刀具的主要磨损形态为前后刀面磨损，主要磨损机理为前刀面的粘结磨损和后刀面的磨粒磨损。陶瓷刀具A15Zc和A20Z(c+m)在低速切削(99.5m/min)淬硬45＃钢时，其抗磨损能力与SG4的相似，在高速切削(268.5m/min)时，其抗磨损能力均好于SG4刀具；刀具的主要磨损形态为前后刀面磨损，主要磨损机理为前刀面的粘结磨损和后刀面的磨粒磨损。陶瓷刀具*本研究得到了山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2006BS05013)的资助A15Zc和A20Z(c+m)在切削淬硬T10A时，刀具SG4不能正常切削：低速切削(93．4m/min)时，刀具A15Zc的抗磨损能力好于A20Z(c+m)，刀具的主要磨损形态为前后刀面磨损，主要磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损；高速切削(262．8m/min)时，A15Zc的后刀面磨损量比低速切削时大，而A20Z(c+m)在切削1200mm后崩刃不能继续切削，刀具A15Zc的主要磨损形态是前后刀面磨损和边界磨损，主要磨损机理是前刀面的磨粒磨损和粘结磨损及后刀面的磨粒磨损。陶瓷刀具A15Zc和A20Z(c+m)在切削灰铸铁HT200时，刀具A15Zc的抗磨损能力好于A20Z(c+m)，且两种刀具在低速切削(115m/min)时的后刀面磨损量比高速切削(320m/min)时的大；低速切削时，刀具的主要磨损形态是前后刀面磨损和边界磨损，主要磨损机理是粘结磨损和磨粒磨损；高速切削时，刀具的主要磨损形态是后刀面磨损和边界磨损，主要磨损机理是疲劳磨损和磨粒磨损。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1陶瓷刀具材料的发展现状

1.2相变增韧陶瓷刀具材料的研究现状

1.2.1氧化锆相变增韧机制

1.2.2影响氧化锆相变的因素

1.2.3相变增韧陶瓷刀具材料的力学性能

1.3本课题的研究目的、意义和主要研究内容

1.3.1本课题的研究目的和意义

1.3.2本文的主要研究内容

第2章纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料体系的确定及研究方法

2.1纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料体系的确定

2.1.1纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的设计原则

2.1.2纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料体系的确定

2.2纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的研究方法

2.2.1实验研究的技术路线

2.2.2纳米复合粉体的制备及烧结工艺

2.2.3陶瓷刀具材料试样制备和力学性能测试

2.2.4微观结构和物相分析

2.3本章小结

第3章纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的制备和力学性能

3.1原材料

3.2纳米四方相氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的制备、微观结构和力学性能

3.2.1陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2的制备

3.2.2陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2的微观结构分析

3.2.3陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2的力学性能分析

3.3氧化锆晶型对陶瓷刀具材料Al2O3-ZrO2力学性能影响

3.3.1不同氧化锆晶型增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的制备

3.3.2不同氧化锆晶型增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的微观结构分析

3.3.3不同氧化锆晶型增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的力学性能分析

3.4本章小结

第4章硬质相对纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料力学性能的影响

4.1概述

4.2纳米氧化钛对纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料力学性能的影响

4.2.1陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCn的制备

4.2.2纳米碳化钛对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCn微观结构影响

4.2.3纳米碳化钛对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCn力学性能影响

4.3微米氧化钛和微米氮化钛对纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料力学性能的影响

4.3.1陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCm(TiNm)的制备

4.3.2微米碳化钛和微米氮化钛对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCm(TiNm)微观结构的影响

4.3.3微米碳化钛和微米氮化钛对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2-TiCm(TiNm)力学性能的影响

4.4本章小结

第5章纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具切削性能研究

5.1概述

5.2连续切削淬硬40Cr时的切削性能

5.2.1实验条件

5.2.2实验结果及分析

5.2.3刀具磨损形态及磨损机理分析

5.3连续切削淬硬45#钢时的切削性能

5.3.1实验条件

5.3.2实验结果及分析

5.3.3刀具磨损形态及磨损机理分析

5.4连续切削淬硬T10A时的切削性能

5.4.1实验条件

5.4.2实验结果及分析

5.4.3刀具磨损形态及磨损机理分析

5.5连续切削灰铸铁时的切削性能

5.5.1实验条件

5.5.2实验结果及分析

5.5.3刀具磨损形态及磨损机理分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢