原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具及其磨损可靠性评价研究

摘要

针对目前TiB2基陶瓷刀具的断裂韧度低、高温力学性能研究少、传统制备工艺不完善等问题，本研究提出了原位生长TiB2棒晶增韧TiB2基陶瓷刀具材料反应热压烧结制备工艺技术，研制成功了具有良好室温和高温力学性能及切削性能的新型陶瓷刀具。对陶瓷刀具材料的物相组成、微观组织演变、室温力学性能、高温抗弯强度、棒晶生长机理与生长动力学规律、增韧补强机理、刀具切削性能与可靠性评价等进行了系统深入的研究。反应热压烧结工艺技术的提出和新型陶瓷刀具材料的研制丰富了陶瓷刀具材料的制备工艺，为高性能陶瓷刀具的设计制造理论、研发和应用研究奠定了重要基础。
　　提出了原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具材料反应热压烧结制备工艺技术，实现了TiB2棒晶原位生长与陶瓷刀具烧结的一体化制造技术。
　　研制成功了TS系列(TiB2-SiC)陶瓷刀具材料。其断裂韧度随SiC含量的增加而提高，但抗弯强度和硬度均降低。其中TS10(TiB2-10wt.％SiC)的室温力学性能最优，即抗弯强度为705MPa、断裂韧度为6.6MPa·m1/2、维氏硬度为22.5GPa和相对密度为98.7％。原位生长的TiB2棒晶为单晶，其直径为1～2μm，长径比为3～6，产量为12vol.％。TiB2棒晶的主要增韧补强机理是裂纹偏转、棒晶桥联、裂纹分叉和棒晶断裂。
　　研制成功了TSN系列(TiB2-SiC-Ni)陶瓷刀具材料。Ni的含量显著影响陶瓷刀具材料的室温力学性能。其中TSN5(TiB2-SiC-5wt.％Ni)的室温力学性能最优，即抗弯强度为1121MPa、断裂韧度为7.9MPa·m1/2、维氏硬度为21.3GPa和相对密度为98.6％。原位生长的TiB2棒晶为单晶，其直径为0.2～1.5μm，长径比为3～10，产量为18vol.％。TiB2棒晶的主要增韧补强机理是裂纹偏转、裂纹分叉、棒晶桥联和棒晶断裂。金属Ni的延性相增韧作用提高了陶瓷刀具材料的断裂韧度。
　　研制成功了TTS系列(TiB2-TiC-SiC)陶瓷刀具材料。原位生成的TiC有效抑制了TiB2晶粒的长大，材料具有均匀细小的微观组织。TiC可诱导TiB2晶粒异向生长成为棒晶，当TiC含量降低时，材料中的TiB2棒晶产量降低。其中TTS(TiB2-TiC-SiC)的室温力学性能最优，即抗弯强度为768MPa、断裂韧度为7.3MPa·m1/2、维氏硬度为21.8GPa和相对密度为99.1％。原位生长的TiB2棒晶为单晶，其直径为0.5～1μm，长径比为3～8，产量为20vol.％。TiB2棒晶的主要增韧补强机理是裂纹偏转、裂纹桥联、裂纹分叉、棒晶断裂和棒晶拔出。
　　研究了原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具材料的高温抗弯强度，揭示了陶瓷刀具的高温抗弯强度随温度变化的规律，提出了陶瓷刀具高温抗弯强度的增强与弱化机理。TS系列刀具的抗弯强度随温度的升高而逐渐降低，TS10具有最优的室温及高温抗弯强度;TSN系列刀具的抗弯强度随温度的升高而急剧降低，在800℃以上表现出塑性断裂行为;TTS刀具的抗弯强度随温度的升高先增大尔后降低。新型陶瓷刀具高温抗弯强度的主要增强机理是微裂纹愈合和残余拉应力降低，主要弱化机理是晶界软化、刀具氧化和弹性模量降低。原位生成的SiC提高了TiB2陶瓷的抗氧化性能;原位生成的TiC细化了晶粒，提高了材料的室温和高温抗弯强度;金属Ni提高了材料的室温力学性能，但是同时降低了材料的高温抗弯强度。原位生长TiB2棒晶有效抑制了高温下晶粒滑移和晶粒转动，提高了陶瓷刀具材料的高温抗弯强度。
　　建立了原位生长TiB2棒晶增韧补强陶瓷刀具微观组织演变的几何模型，构建了基于扩散控制的原位生长TiB2棒晶固-液-固(SLS)生长机理模型，创建了原位生长TiB2棒晶桥联和棒晶拔出的增韧补强机理模型。材料的微观组织演变分为原材料混合、瞬时液相、过渡塑性相、晶粒重排和棒晶生长等阶段。原位生长TiB2棒晶的生长受扩散控制，高温下熔融Ti为其生长提供了良好的液相环境。建立了原位生长TiB2棒晶生长动力学模型。在一定温度下，棒晶长度、直径和长径比随着生长时间的延长而增大;在一定生长时间内，棒晶长径比随着温度的升高而增大。研究了新型陶瓷刀具材料的增韧补强机理。建立了原位生长TiB2棒晶桥联和拔出的增韧补强机理模型。研究了棒晶内第二相颗粒、晶内型棒晶、晶内型纳米晶粒、晶间型微/纳米晶粒、位错、延性相和界面结合状态等的增韧补强机理。
　　研究了新型陶瓷刀具加工难加工材料时的切削性能，建立了评价新型陶瓷刀具磨损可靠性的刀具磨损寿命分布模型。研究了新型陶瓷刀具湿式连续切削Invar36合金时的切削性能，TS10的最优切削用量为v=140m/min、f=0.1mm/r和ap=0.4mm，刀具磨损寿命为26.2min;刀具的主要磨损机理是粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损和磨粒磨损;建立了评价刀具磨损可靠性的刀具磨损寿命对数正态分布函数和可靠度函数模型;刀具磨损寿命变异系数为0.085，刀具磨损可靠性较高。研究了新型陶瓷刀具湿式连续切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时的切削性能，TSN5的最优切削用量为v=100m/min、f=0.1mm/r和ap=0.35mm，刀具磨损寿命为24.4min;刀具的主要磨损机理是粘结磨损、扩散磨损和轻微的氧化磨损;建立了评价刀具磨损可靠性的刀具磨损寿命威布尔分布函数和可靠度函数模型，该分布的模数为1.633，刀具磨损可靠性较低。研究了新型陶瓷刀具湿式连续切削热作模具钢H13时的切削性能，TTS的最优切削用量为v=100m/min、f=0.1mm/r和ap=0.25mm，刀具磨损寿命为45.4min;刀具的主要磨损机理是粘结磨损、氧化磨损和磨粒磨损;建立了评价刀具磨损可靠性的刀具磨损寿命对数正态分布函数和可靠度函数模型，刀具磨损寿命变异系数为0.069，刀具磨损可靠性较高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 晶须／棒晶增韧陶瓷刀具材料研究现状

1．1．1 陶瓷刀具材料的增韧机理

1．1．2 晶须增韧陶瓷刀具材料

1．1．3 棒晶增韧陶瓷刀具材料

1．2 陶瓷刀具制备工艺的研究现状

1．2．1 无压烧结

1．2．2 气压烧结

1．2．3 热压烧结

1．2．4 等静压烧结

1．2．5 其它制备工艺

1．3 TiB2基陶瓷刀具材料的研究现状

1．3．1 TiB2陶瓷材料及其特点

1．3．2 TiB2基陶瓷材料的制备

1．3．3 TiB2基陶瓷刀具材料的应用

1．3．4 TiB2基陶瓷刀具材料研究中存在的问题

1．4 本文研究的目的、意义和主要研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究的主要内容

第2章 原位生长棒晶增韧陶瓷刀具制备工艺和材料体系的设计

2．1 原位生长棒晶增韧陶瓷刀具制备工艺的设计

2．1．1 原位生长棒晶增韧陶瓷刀具制备工艺的设计原则

2．1．2 原位反应合成法制备陶瓷基复合材料

2．2 原位生长棒晶增韧陶瓷刀具材料体系的设计

2．2．1 材料体系的设计准则

2．2．2 反应体系和陶瓷刀具原材料的选择

2．2．3 反应体系的可行性分析

2．3 反应热压烧结工艺路线的设计

2．3．1 反应模式的选择

2．3．2 点火方式和点火温度

2．3．3 烧结工艺参数

2．4 本章小结

第3章 TiB2棒晶增韧陶瓷刀具材料的制备和工艺优化

3．1 原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具材料的制备

3．1．1 原材料和前驱体粉末制备工艺

3．1．2 反应热压烧结工艺路线

3．2 力学性能测试和微观组织表征

3．2．1 力学性能的测试

3．2．2 微观组织的表征

3．3 反应热压烧结法制备TS系列(TiB2-SiC)陶瓷刀具和工艺优化

3．3．1 材料组分和配比

3．3．2 SiC含量对TS系列陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．3．3 保温时间对TS系列陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．3．4 烧结温度对陶瓷刀具材料TS10力学性能和微观组织的影响

3．4 反应热压烧结法制备TSN系列(TiB2-SiC-Ni)陶瓷刀具和工艺优化

3．4．1 材料组分和配比

3．4．2 Ni含量对TSN系列陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．4．3 保温时间对陶瓷刀具材料TSN5力学性能和微观组织的影响

3．4．4 烧结温度对陶瓷刀具材料TSN5力学性能和微观组织的影响

3．5 反应热压烧结法制备TTS系列(TiB2-TiC-SiC)陶瓷刀具和工艺优化

3．5．1 材料组分和配比

3．5．2 TiC含量对TTS系列陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

3．5．3 保温时间对陶瓷刀具材料TTS力学性能和微观组织的影响

3．5．4 烧结温度对陶瓷刀具材料TTS力学性能和微观组织的影响

3．6 本章小结

第4章 原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具的高温抗弯强度研究

4．1 陶瓷刀具材料的高温抗弯强度研究方案

4．1．1 概述

4．1．2 实验方案

4．2 TS系列新型陶瓷刀具材料的高温抗弯强度

4．2．1 SiC含量对TS系列陶瓷刀具材料高温抗弯强度的影响

4．2．2 TS系列陶瓷刀具材料高温抗弯强度降低的机理

4．3 TSN系列新型陶瓷刀具材料的高温抗弯强度

4．3．1 金属Ni含量对陶瓷刀具材料高温抗弯强度的影响

4．3．2 新型陶瓷刀具材料TSN5高温抗弯强度降低的机理

4．4 TTS系列新型陶瓷刀具材料的高温抗弯强度

4．4．1 TiC含量对TTS系列陶瓷刀具材料高温抗弯强度的影响

4．4．2 新型陶瓷刀具材料TTS高温抗弯强度的增强与弱化机理

4．5 本章小结

第5章 TiB2棒晶生长机理和陶瓷刀具材料的增韧补强机理研究

5．1 原位生长TiB2棒晶增韧陶瓷刀具材料微观组织演变模型

5．1．1 反应路径分析

5．1．2 新型陶瓷刀具材料微观组织演变几何模型

5．2 原位生长TiB2棒晶的生长机理研究

5．2．1 TiB2棒晶的成核和生长

5．2．2 基于扩散控制的原位生长TiB2棒晶的固-液-固生长机理模型

5．2．3 原位生长TiB2棒晶的生长动力学

5．3 新型陶瓷刀具材料的增韧补强机理研究

5．3．1 原位生长TiB2棒晶的桥联和拔出增韧补强机理

5．3．2 棒晶内第二相颗粒的增韧补强机理

5．3．3 晶内型棒晶和晶内型纳米晶粒的增韧补强机理

5．3．4 位错增韧补强机理

5．3．5 其它形式的增韧补强机理

5．4 本章小结

第6章 新型陶瓷刀具的切削性能和磨损可靠性评价研究

6．1 新型陶瓷刀具连续切削Invar36合金时的切削性能研究

6．1．1 Invar36合金的特点

6．1．2 实验条件

6．1．3 实验方案

6．1．4 实验结果和分析

6．1．5 刀具磨损机理

6．1．6 陶瓷刀具TS10连续切削Invar36合金时刀具磨损可靠性评价研究

6．2 新型陶瓷刀具连续切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的切削性能研究

6．2．1 奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的特点

6．2．2 实验条件

6．2．3 实验方案

6．2．4 实验结果和分析

6．2．5 刀具磨损机理

6．2．6 陶瓷刀具TSN5连续切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时刀具磨损可靠性评价研究

6．3 新型陶瓷刀具连续切削热作模具钢H13时的切削性能研究

6．3．1 热作模具钢H13的化学成分和力学性能

6．3．2 实验条件

6．3．3 实验方案

6．3．4 实验结果和分析

6．3．5 刀具磨损机理

6．3．6 陶瓷刀具TTS连续切削热作模具钢H13时刀具磨损可靠性评价研究

6．4 本章小结

结论

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和获得的奖励

致谢