Al2O3-TiC-TiN陶瓷刀具的研制及其切削性能研究

摘要

本文设计并研制了新型氧化铝基陶瓷刀具材料，研究了材料组分、烧结温度和保温时间对氧化铝基陶瓷刀具材料物相组成、微观组织和力学性能的影响，研究了新型氧化铝陶瓷刀具的切削性能。
　　 提出了氧化铝基新型陶瓷刀具材料的设计方案。选取微米Al2O3作为陶瓷刀具的基体材料，微米TiC、微米TiN和纳米TiN为添加相，MgO为烧结助剂，Ni和Mo为金属粘结剂，制备了四类氧化铝基陶瓷刀具材料，即Al2O3-TiNn陶瓷刀具材料(AN体系)、Al2O3-TiNn-TiNμ陶瓷刀具材料（ANU体系）、Al2O3-TiC-TiNμ陶瓷刀具材料(ACU体系)和Al2O3-TiC-TiNμ-TiNn陶瓷刀具材料(ACUN体系)。
　　 研究了陶瓷刀具材料物相组成及其对力学性能的影响。结果表明，在烧结过程中，金属粘结剂溶解陶瓷相元素并替代陶瓷相的原子。生成相C0.7N0.3Ti和立方Mg0.4Ni0.6O能提高材料的抗弯强度;三方Ti8C5、立方Al3Mg2和立方NiAl2O4能提高材料的硬度;osbomite-TiN、正方Mo2N、立方Al0.96Ni1.94和立方Al0.9Ni3.22能提高材料的断裂韧度;镁铝尖晶石、立方MoC、立方NiTi和正交MoNi能提高材料的抗弯强度和硬度，立方AlNi3能提高材料的抗弯强度和硬度，但会降低断裂韧度，正方AlNi3会降低材料的力学性能。
　　 研究了陶瓷刀具材料微观组织及其对力学性能的影响。结果表明，金属相对硬质相良好的润湿性、颗粒之间较强的结合力有利于提高陶瓷刀具材料的力学性能。金属相润湿硬质相产生的芯壳结构有利于改善材料的力学性能，尤其能明显提高陶瓷材料的断裂韧度。颗粒尺寸均匀、颗粒间结合力强、添加相对裂纹有钉扎作用的微观组织有利于提高材料的抗弯强度;硬质相颗粒尺寸大、粘结相颗粒尺寸小的微观组织有利于提高材料的硬度;粘结相润湿作用好、颗粒尺寸大、裂纹扩展路径曲折的微观组织有利于提高材料的断裂韧度。
　　 研究了TiN含量、烧结温度和保温时间对陶瓷刀具材料力学性能的影响。结果表明，烧结压力为32MPa时，ACU体系陶瓷刀具材料的最佳烧结工艺参数为1650℃和30min，在此工艺下AC2U陶瓷刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为853.1MPa、20.23GPa和6.75MPa·m1/2。ACUN体系陶瓷刀具材料的最佳烧结工艺参数为1600℃和50min，在此工艺下AC2U4N陶瓷刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为861.1MPa、20.83GPa和6.97MPa·m1/2。AN体系陶瓷刀具材料的最佳烧结工艺参数为1700℃和45min，在此工艺下Al2O3-10vol％TiNn陶瓷刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为896.8MPa、21.08GPa和7.90MPa·m1/2。ANU体系陶瓷刀具材料的最佳烧结工艺参数为1650℃和30min，在此工艺下ANU25陶瓷刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为444.2MPa、21.57GPa和8.81MPa·m1/2。
　　 通过复现实验成功研制了三种新型氧化铝基陶瓷刀具，即AC2U(Al2O3-20vol％TiC-10vol％TiNμ)、AC2UN2(Al2O3-20vol％TiC-3vol％TiNμ-7vol％TiNn)和AC2UN4(Al2O3-20vol％TiC-2vol％TiNμ-8vol％TiNn)。AC2U的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为876.5MPa、20.96GPa和6.75MPa·m1/2。AC2UN2的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为887.2MPa、20.21GPa和5.94MPa·m1/2。AC2UN4的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为904.2MPa、19.54GPa和5.85MPa·m1/2。性能良好且较稳定。
　　 研究了新型氧化铝基陶瓷刀具连续切削淬硬40Cr合金钢和淬硬T10A碳素工具钢时的切削性能。结果表明，在ap=0.1mm的条件下连续切削淬硬40Cr时，陶瓷刀具AC2U在低速和小进给量条件下的抗磨损能力较好，但切削后期易发生崩刃;陶瓷刀具AC2UN4在高速和大进给量条件下的抗磨损能力较好。在f=0.1mm/r和ap=0.1mm的条件下连续切削淬硬T10A时，陶瓷刀具AC2U和AC2UN2的抗磨损性能均优于LT55。