超细晶粒Ti（C，N）基金属陶瓷刀具与切削性能研究

摘要

随着高速精密切削和数控技术的发展，对刀具切削性能的要求也日益提高。金属陶瓷具有硬度高、耐磨性好、高温力学性能好等优良特性，但因其抗塑性变形能力差、抗崩刃性能差及韧性不好等限制了应用，长期以来对金属陶瓷刀具的增韧研究一直是材料学者努力的方向。本文在课题组前期研究的基础上，制各了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷刀具，对其切削性能进行了研究，运用有限元软件建立了有限元切削仿真模型，仿真了切削过程，更加真实地揭示了刀具和工件的切削状态，计算出了刀具磨损量、切削力及温度等分布规律。本文主要做了以下工作： 首先，介绍了金属切削加工在国民经济中的重要性及加工技术发展对切削刀具的要求，刀具材料及金属陶瓷的发展背景、目前面临的问题以及今后的发展趋势；Ti(C,N)基金属陶瓷的组织性能和发展过程及其在切削刀具领域的应用，纳米复合陶瓷的发展现状和趋势；概述了金属切削技术的复杂性和切削加工过程数值模拟技术的发展历史、现状和当前存在的问题。 其次，详细地叙述了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷的制备过程，力学性能的测试方法以及显微组织表征的方法：重点讨论了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷成分、显微组织和宏观力学性能之间的关系；研究了原始粉末粒度，不同粒度组合，TiC/TiN添加量，Mo、Co添加量对材料组织以及力学性能的影响。研究发现：1)晶粒细化使材料的硬度上升，但抗弯强度和断裂韧性有所下降。2)原料粉末中过多的氧杂质或者过量TiN的分解都会导致组织缺碳，在这些缺碳的组织中，发现了一种化学式为(Ni<,2>Mo<,2.5>W<,1.3>)Cx的特殊化合物。该物相的出现有利于提高材料的硬度，但是降低了材料的强度和韧性。3)在以亚微米Ti(C，N)为硬质相为原料的试样中出现了一种新型的白芯/灰壳结构。本文认为由于原始粉末粒径微小，促进了扩散反应，因而导致了这种芯/壳结构的生成，初步研究表明这种结构对提高材料的强韧性有利。4)Mo添加量的多少显著影响材料的组织形貌，Co比Ni对Ti(C,N)的润湿性更好，以Ni+Co合金作为粘结相的材料其陶瓷相与粘结相之间的界面强度得到了增强。5)由TiC粗粉所制得的材料组织具有较多的“黑芯-灰壳”结构，有的颗粒全部呈灰色；而由TiC细粉所制得的材料组织，则呈现较多“黑芯-灰壳-白壳”Ti(C,N)基金属陶瓷的典型三层结构或白色内壳层；“黑芯—灰壳”结构中黑色芯部(core)主要为TiC或Ti(C,N)，灰色的壳层为(Ti,W,Mo)(C,N)，“自芯—灰壳”结构中白色芯部(core)为(W,Mo,Ti)(C,N)固溶体。 此外，研究了两组刀具对45号钢切削性能的影响，考察了不同切削速度和进给量对刀具耐用度以及磨损/失效方式的影响。研究表明高速切削时刀具的磨损形式以氧化磨损和扩散磨损为主。 基于刚粘塑性有限元法理论建立了金属切削过程的二维和三维热力耦合有限元模型，对建模过程中的一些关键问题如摩擦模型、切屑与工件的分离和断裂准则、磨损模型以及新刀具的复合材料模型等进行了分析和处理，提出了较为有效的方法；所建立的模型的模拟结果与实验结果吻合；结合切削理论和模拟计算得到切削过程中的应力应变分布、温度分布切削力的变化及大小，对前述物理实验中的现象进行分析，更加合理地解释了物理实验的现象，使人们更加清晰地理解切削的内部现象，更好地研究切削机理，为新材料刀具的研发提供依据；基于三维切削模拟，得到了刀具磨损量的适时变化和总磨损值的变化趋势，在此基础上，成功地对不同刀具前角进行了仿真，由此得出不同切削前角刀具的磨损、温度及等效应力的变化曲线。上述的研究表明，如果精选成分并对刀具的几何外形和切削参数进行优化，超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷将是非常有希望的刀具材料：三维数值模拟技术为研究刀具磨损、优化刀具的几何参数和匹配切削对象提供了依据，为新刀具的开发降低了成本，提高了效率。 最后，对全文进行总结并对未来工作提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2切削加工及其研究进展

1.2.1切削加工

1.2.2切削加工刀具材料的研究进展

1.3 Ti(C，N)基金属陶瓷

1.3.1 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展背景

1.3.2金属陶瓷的显微组织及合金成分对材料性能的影响

1.3.3 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展趋势

1.3.4纳米技术及纳米陶瓷/复合陶瓷材料

1.4切削过程有限元模拟技术

1.4.1切削过程有限元模拟技术的发展状况

1.4.2切削过程有限元模拟的发展方向

1.5问题的提出

1.6研究意义与目的

1.7本章小结

第二章Ti(C，N)基金属陶瓷材料制备

2.1引言

2.2实验方案与成分设计

2.2.1实验方案

2.2.2成分设计

2.3 Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备

2.3.1原料粉末检测

2.3.2混料

2.3.3 成形

2.3.4烧结

2.3.5试样后处理

2.4试样性能测试

2.4.1烧结体密度测试

2.4.2抗弯强度测试

2.4.3断裂韧性测试

2.4.4硬度的测试

2.5试样的相分析以及显微组织表征的方法

2.5.1 XRD物相分析以及点阵常数的测定

2.5.2 SEM观察和EDX能谱分析

2.5.3 TEM观察

2.6本章小结

第三章超细晶粒Ti(C，N)基金属陶瓷组织及力学性能

3.1引言

3.2原始粉末粒径对Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织及相组成的影响

3.3原始粉末粒径对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响

3.4 TiC/TiN添加对Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织及相组成的影响

3.5 TiC/TiN添加对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响

3.5.1 TiC/TiN添加对硬度的影响

3.5.2 TiC/TiN添加对抗弯强度的影响

3.5.3 TiC/TiN添加对断裂韧性的影响

3.6 Mo/Co添加量对Ti(C，N)基金属陶瓷组织影响

3.7 Mo/Co添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响

3.8本章小节

第四章不同粒度组合对Ti(C，N)基金属陶瓷组织和性能的影响研究

4.1引言

4.2不同粒度组合对Ti(C，N)基金属陶瓷组织影响

4.2.1 XRD物相分析

4.2.2显微组织

4.2.3 EDS能谱分析

4.2.4不同粒度组合对Ti(C，N)基金属陶瓷组织影响

4.3不同粒度组合对材料性能的影响

4.3.1 TiC/TiN粒度对材料的性能的影响

4.3.2 TiC/TiN粒度对材料裂纹扩展的影响

4.4机理分析

4.4.1粒度对抗弯强度的影响

4.4.2粒度对断裂韧性的影响

4.4.3晶粒粒度对硬度的影响

4.5本章小结

第五章超细晶粒Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削性能

5.1引言

5.2超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的切削实验

5.2.1实验材料

5.2.2实验条件

5.2.3实验方法

5.2.4实验结果分析

5.3不同晶粒组合Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削实验

5.3.1实验材料

5.3.2实验条件与方法

5.3.3实验结果分析

5.4本章小结

第六章Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削过程有限元模拟

6.1引言

6.2有限元力学基础

6.2.1刚粘塑性材料流动基本方程

6.2.2粘塑性材料的本构关系

6.2.3刚粘塑性有限元的变分原理

6.3变形与传热过程的耦合分析

6.3.1切削加工传热问题的基本理论

6.3.2热力耦合分析的基本方程

6.4切削过程有限元模拟的关键问题

6.4.1金属切削中摩擦模型

6.4.2切屑与工件的分离和断裂

6.4.3刀具磨损模型

6.5材料模型的建立

6.5.1材料性能的影响因素

6.5.2工件材料模型

6.5.3刀具材料模型

6.5.4网格自适应技术与网格重划分

6.6 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削过程有限元模型建立

6.6.1二维金属切削有限元模型的建立

6.6.2三维金属切削有限元模型

6.6.3二维与三维切削模拟结果比较

6.6.4实验验证

6.7超细晶粒Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削模拟

6.7.1边界条件和初始化条件

6.7.2模拟结果分析

6.8不同粒度组合Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削模拟

6.8.1金属切削二维有限元模拟结果

6.8.2金属切削三维有限元模拟结果

6.9不同材料刀具磨损性能对比

6.10本章小结

第七章全文总结及工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文