Si3N4/(W,Ti)C/Co梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究

摘要

陶瓷刀具材料具有高的硬度、耐热性、耐磨性和良好的化学稳定性，具有广阔的应用前景。梯度纳米复合是提高陶瓷刀具材料强度和韧性的又一有效手段。本文面向铁基高温合金GH2132的加工，通过物化相容性分析确定了梯度纳米复合陶瓷刀具的材料体系，应用性能预报结果优化了梯度结构，并最终研发成功两种具有优异性能的梯度纳米复合陶瓷刀具材料。
　　通过物理化学相容性分析，确定了梯度纳米复合陶瓷刀具的材料体系:基体相为Si3N4，增强相为(W, Ti)C、Co，烧结助剂采用Y2O3+Al2O3体系。应用层数和层厚比的概念建立了梯度结构。基于三点弯曲试验、单向拉伸试验的有限元模拟，分别预报了梯度纳米复合陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度以及抗机械冲击性能，并研究了层数和层厚比对梯度材料性能的影响。结果表明，增加层数、减小层厚比有利于提高梯度陶瓷刀具材料的性能。
　　根据设计结果，采用分层粉末铺填和热压烧结技术成功制备了Si3N4/(W,Ti)C类和Si3N4/(W,Ti)C/Co类两种梯度纳米复合刀具材料GSWT52和GSWT52G。通过组分优化，确定了梯度刀具材料每一层组分中增强相的最大添加量，即(W，Ti)C的添加量不超过25vol.％，Co的添加量不超过3vol.％;确定最优纳米Si3N4添加量为微米Si3N4粉末比重的1/3。通过梯度结构的优化，发现5层梯度结构，层厚比为0.2时，材料的综合力学性能最佳。
　　通过烧结工艺优化发现，烧结压力固定为30MPa，当烧结温度为1700℃，保温时间为45min，GSWT52和GSWT52G的综合力学性能同时达到最优。在此烧结工艺下，GSWT52的抗弯强度、表层硬度和断裂韧度可以分别达到1080MPa，17.64GPa和10.9MPa·m1/2;而GSWT52G的三个力学性能可以分别达到992MPa，17.83GPa和10.5MPa·m1/2，都满足了陶瓷刀具材料的性能要求。新型梯度纳米复合陶瓷刀具材料的强韧化机理包括以下几个方面:a.基体柱状β-Si3N4的自增韧强化作用;b.纳米颗粒的“钉扎”强化作用;c.增强相引入了更多的穿晶断裂;d.梯度结构引入的表层残余压应力。
　　研究了梯度纳米复合陶瓷刀具材料的高温力学性能。抗弯强度随测试温度的升高，呈现出先缓慢减小，当温度超过一定值后又急剧减小的趋势，且这一转折温度为1000℃;断裂韧度呈现出先升高又急剧降低的趋势，转折温度同为1000℃。分析发现，玻璃相软化带来的晶界滑移、材料组分的氧化以及表面微裂纹的扩展是抗弯强度下降的主要原因;而微裂纹增韧效应以及材料断裂前的塑性形变导致了断裂韧度在一定温度范围内（小于1000℃）的升高。两种梯度材料的高温力学性能要明显高于两种对比均质材料。
　　应用强度-衰减法研究了新型梯度纳米复合陶瓷刀具材料的抗热冲击性能，GSWT52和GSWT52G的临界热震温差分别为600℃和700℃，均高于其对比均质陶瓷刀具材料。热冲击作用下，微裂纹的生成与扩展是材料抗弯强度急剧下降的原因。应用压痕-淬火法研究了新型梯度纳米复合陶瓷刀具材料的抗热疲劳性能，在相同的冲击次数下，梯度材料的裂纹扩展长度明显短于均质陶瓷刀具材料，梯度材料表层形成的残余压应力有利于提高其热疲劳性能。
　　最后研究了新型梯度纳米复合陶瓷刀具连续车削和断续车削铁基合金GH2132的切削性能。连续车削时，随着切削速度的升高，刀具寿命呈现出先增大后减小的趋势。最优切削速度范围介于100～150m/min，此时梯度刀具寿命明显优于对比均质陶瓷刀具，比对比商用刀具提高了一倍左右。切削速度较低时，梯度刀具的失效形态是后刀面磨损;当速度较高时，刀具失效形态是沟槽磨损，且梯度刀具的抗沟槽磨损能力要优于均质陶瓷刀具。刀具的主要失效机理有粘结磨损、磨粒磨损以及氧化磨损。断续车削试验表明，刀具切出时会承受更大的机械冲击作用，刀具的失效主要是因为破损以及粘结磨损。梯度陶瓷刀具的抗机械冲击性能要优于均质陶瓷刀具。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本论文的研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 陶瓷刀具材料的研究现状

1．2．2 梯度复合刀具材料的研究现状

1．2．3 刀具材料的设计研究现状

1．2．4 铁基合金的切削加工现状

1．3 论文研究目的和意义

1．4 论文结构与主要内容

第2章 梯度纳米复合陶瓷刀具材料的设计

2．1 材料体系的确定及物化相容性分析

2．1．1 组份设计

2．1．2 物理相容性分析

2．1．3 化学相容性分析

2．2 组分与梯度结构设计

2．2．1 组分配比

2．2．2 梯度结构设计

2．3 基于静态与动态性能预报的梯度结构优化

2．3．1 物性值的确定

2．3．2 残余应力的仿真计算

2．3．3 抗弯强度的预报

2．3．4 断裂韧度的预报

2．3．5 抗机械冲击性能仿真

2．4 本章小结

第3章 梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能与强韧化机理研究

3．1 复合粉体的制备

3．1．1 原材料概述

3．1．2 复合粉体的制备流程

3．2 刀具材料的烧结与制备

3．2．1 烧结工艺的制定

3．2．2 试样与刀片的制备流程

3．3 力学性能、微观结构测试方法

3．4 组分优化

3．4．1 纳米相含量的优化

3．4．2 增强相含量的优化

3．4．3 烧结助剂的优化

3．5 梯度结构优化

3．5．1 层厚比的优化

3．5．2 层数的优化

3．5．3 仿真结果验证

3．6 烧结工艺优化

3．6．1 烧结温度的优化

3．6．2 保温时间的优化

3．7 梯度纳米复合陶瓷刀具材料的强韧化机理

3．7．1 基体β-Si3N4自增韧强化机理

3．7．2 纳米相的强韧化机理

3．7．3 增强相的强韧化机理

3．7．4 梯度结构的强韧机理

3．8 本章小结

第4章 梯度纳米复合陶瓷刀具材料的高温力学性能研究

4．1 材料高温性能测试方法

4．1．1 高温抗弯强度

4．1．2 高温断裂韧度

4．2 高温抗弯强度

4．2．1 试验结果

4．2．2 性能衰减机理分析

4．3 高温断裂韧度

4．3．1 试验结果

4．3．2 性能变化机理分析

4．4 本章小结

第5章 梯度纳米复合陶瓷刀具材料抗热冲击及热疲劳性能研究

5．1 材料抗热冲击及热疲劳性能测试方法

5．1．1 强度-衰减法

5．1．2 压痕-淬火法

5．2 抗热冲击性能

5．2．1 试验结果

5．2．2 强度衰减机理分析

5．3 抗热疲劳性能

5．3．1 均质与梯度刀具材料抗热疲劳性能对比

5．3．2 梯度结构对刀具材料抗热疲劳性能的影响

5．4 本章小结

第6章 梯度纳米复合陶瓷刀具材料的切削性能研究

6．1 连续车削铁基合金

6．1．1 试验条件

6．1．2 切屑形态

6．1．3 切削力与切削温度

6．1．4 刀具寿命与刀具失效演变

6．1．5 刀具磨损特征与失效机理

6．1．6 加工表面粗糙度

6．2 断续车削铁基合金

6．2．1 试验条件

6．2．2 切削力

6．2．3 刀具寿命

6．2．4 刀具破损特征与失效机理

6．3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文、参与项目及获得的奖励

致谢

附录：已发表的英文论文