高性能Ti（C，N）基金属陶瓷材料及其刀具切削性能研究

摘要

本文应用粉末冶金、材料科学和固体经验电子理论(EET理论)研究了Ni对Ti(C，N)基金属陶瓷中不同碳化物的润湿性、润湿性与陶瓷相价电子结构的关系以及细晶粒的Ti(C，N)基金属陶瓷材料和切削刀具的性能。 首先，介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展过程、组织性能、研究现状、存在的问题及其在切削刀具领域的应用。重点概述了加入品粒长大抑制剂对金属陶瓷组织和性能的影响、纳米增强和超细晶粒Ti(C，N)基金属陶瓷的研究现状，指出了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展趋势；同时也概述了EET理论在金属陶瓷领域的应用；指出了本文研究的目的与意义。简要讨论了润湿性测试用陶瓷基板的制备工艺，发现采用热压烧结(HP)工艺(Ar保护、压力为30MPa、在1800℃下保温1h)可以制备出致密度达97％以上的陶瓷基板。详细研究了金属陶瓷中不同碳化物对Ni的润湿性，指出在Ti(C，N)固溶体中添加Mo2C、TaC、WC、VC和NbC等碳化物都能降低金属Ni/(Ti，Me)(C，N)体系的接触角(θ)，添加一元碳化物对改善润湿性能力大小依次为：Mo2C＞TaC＞WC＞VC＞NbC。添加多元碳化物能够使Ni对Ti(C，N)固溶体的接触角持续降低。研究发现，Ni/(Ti,Me)(C,N)体系的润湿机理是存在元素扩散与金属/陶瓷互溶的反应性润湿。而在研究润湿性与陶瓷相价电子结构的关系时发现，多元陶瓷相的价电子结构参数(nA)随碳化物添加量的增加而增加，碳化物对nA影响大小依次为VC＞Mo2C＞NbC＞WC＞TaC；建立了陶瓷相最强键上共价电子数(nA)、润湿性(接触角θ)以及陶瓷相成份(x)之间的关系；发现了添加Mo2C可使陶瓷相与金属相的界面电子密度增大，润湿性得到改善，界面得到强化，金属陶瓷的强韧性也得以提高。 其次，研究了纳米TiN改性TiC基金属陶瓷的组织与性能。发现添加纳米TiN或复合添加纳米—微米TiN可以增强TiC基金属陶瓷材料；随纳米TiN的添加量的增加，金属陶瓷材料的组织都得到了细化，材料力学性能得到提高；当添加6～8wt％的纳米TiN时可以获得最优的力学性能；组织细化和力学性能提高的原因与在基体(TiC)晶界处分布的纳米TiN颗粒可以有效钉扎TiC晶粒的运动有关。而Mo含量对5Co-5Ni和10Co-10Ni纳米改性金属陶瓷的组织的影响不尽相同。研究发现，随Mo添加量的增大，材料的断裂韧性和抗弯强度下降；当Mo添加量为4wt％时，材料的断裂韧性和抗弯强度都达到最大值。纳米TiN增强金属陶瓷的机制有细晶强化、弥散强化和固溶强化。 本文还研究了纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能和磨损机理。结果表明，在切削正火态45＃钢、灰铸铁、淬硬钢和不锈钢时，与YT15硬质合金刀具和YG8刀具相比，纳米改性金属陶瓷刀具寿命明显较高。而与未进行纳米改性的金属陶瓷刀具相比，纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能与耐磨性有了较大的提高。纳米改性金属陶瓷刀具在vc=200m/min～400m/min下切削正火态45＃钢时，刀具主要的磨损机制为：磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损；刀具在较高速度下切削灰铸铁时磨损机理为粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。刀具在切削淬火态45＃钢时主要以崩刃的形式失效。 最后，文章研究了纳米改性金属陶瓷的热冲击性能。结果发现，随着热冲击循环次数的增加，试样表面的孔洞数量、孔洞尺寸以及裂纹尺寸都明显增加。与未进行纳米改性的金属陶瓷相比，纳米改性()金属陶瓷抗热冲击性能明显较好。

目录

文摘

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致谢

第一章前言

1.1 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展概况

1.2金属陶瓷的显微组织及制备方法

1.2.1金属陶瓷的显微组织特征

1.2.2金属陶瓷的制备方法

1.3成分及添加剂对金属陶瓷的组织和性能的影响

1.3.1化学成分对金属陶瓷的组织和性能的影响

1.3.2加入晶粒长大抑制剂对金属陶瓷组织和性能的影响

1.4 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的新发展

1.4.1 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削加工特性

1.4.2 Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的新进展

1.5其它刀具材料的新发展

1.6纳米改性以及超细晶粒金属陶瓷研究进展

1.6.1纳米增强复合材料机理

1.6.2超细晶粒金属陶瓷的制备技术

1.6.3 Ti(C，N)基金属陶瓷材料的发展趋势

1.7金属陶瓷中润湿性的研究

1.7.1润湿现象与表征

1.7.2润湿性分类

1.7.3润湿性机理以及实验方法

1.8经验电子理论(EET理论)及其应用

1.8.1 EET理论概述

1.8.2 EET理论在金属陶瓷研究中的应用

1.9本文研究的目的与意义

第二章润湿性测试用陶瓷基板的制备

2.1前言

2.2陶瓷基板的制备

2.2.1真空烧结+热等静压烧结(HIP)

2.2.2热压烧结(HP)

2.3性能测试与表征

2.4性能测试结果与讨论

2.4.1致密度测试分析

2.4.2陶瓷基板的相分析(XRD)

2.5本章小结

第三章(Ti，Me)(C，N)/Ni体系润湿性研究

3.1引言

3.2润湿性测试方法

3.3润湿性实验结果与讨论

3.3.1实验工艺条件对接触角的影响

3.3.2添加碳化物对接触角的影响

3.3.3添加二元碳化物对接触角的影响

3.3.4三元添加碳化物对接触角的影响

3.3.5四元添加碳化物对接触角的影响

3.3.6添加五元碳化物对接触角的影响

3.4 Ti(C,N)/Ni界面结合强度研究

3.4.1实验方法

3.4.2性能测试和试样表征

3.4.3结果与讨论

3.5本章小结

第四章Ti(C，N)基多元陶瓷相的价电子结构与润湿性的关系

4.1引言

4.2平均原子模型

4.3键距差方法(BLD法)

4.4六元陶瓷相的价电子结构计算步骤

4.5陶瓷相价电子结构与润湿性之间的关系

4.5.1陶瓷相价电子结构计算结果

4.5.2陶瓷相的价电子结构与润湿性的关系

4.5.3润湿性与化学键结合的关系

4.6(Ti，Me)(C，N)/Ni界面价电子结构计算

4.6.1五元陶瓷相价电子结构计算结果

4.6.2陶瓷相(1 1 1)面价电子结构

4.6.3陶瓷相(0 0 1)面价电子结构

4.6.4 Ni的价电子结构计算结果

4.6.5金属Ni(1 1 1)面价电子结构

4.6.6相界面价电子结构

4.6.7多元陶瓷相的种类和成分对[0 0 1]Ni//[0 0 1]nr界面价电子结构的影响

4.6.8多元陶瓷相的种类和成分对润湿性的影响

4.7本章小结

第五章纳米TiN改性TiC基金属陶瓷材料的组织与力学性能

5.1引言

5.2纳米TiN粉分散

5.3纳米TiN改性金属陶瓷材料的制备

5.4纳米TiN改性TiC基金属陶瓷材料的显微组织

5.4.1纳米TiN添加量对显微组织的影响

5.4.2 Mo添加量对金属陶瓷材料组织的影响

5.5纳米TiN改性TiC基金属陶瓷材料的力学性能

5.5.1 TiN纳米添加对金属陶瓷材料力学性能的影响

5.5.2纳米TiN-微米TiN复合添加对金属陶瓷材料力学性能的影响

5.5.3 Mo添加量对金属陶瓷材料力学性能的影响

5.6纳米TiN增强Ti(C，N)基金属陶瓷的机制

5.7本章小结

第六章纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能

6.1刀具的磨损形态和过程

6.2金属陶瓷刀具切削正火态中碳钢时的切削性能与耐磨特性

6.2.1实验方法

6.2.2纳米改性金属陶瓷刀具的磨损曲线

6.2.3金属陶瓷刀具与YT15硬质合金刀具的切削性能比较

6.2.4粘结相含量不同的纳米改性金属陶瓷刀具切削性能比较

6.2.5纳米改性金属陶瓷刀具的磨损机理

6.3金属陶瓷刀具切削灰铸铁时的切削性能与耐磨特性

6.3.1实验方法和条件

6.3.2失效形式与磨损曲线

6.3.3纳米改性金属陶瓷刀具与对比刀具的切削性能比较

6.3.4纳米改性金属陶瓷刀具切削灰铸铁时的参数优化

6.3.5纳米改性金属陶瓷刀具切削磨损特点及机理分析

6.4纳米改性金属陶瓷刀具切削淬火态中碳钢时的切削性能

6.4.1淬火钢的切削加工特点

6.4.2实验方法

6.4.3纳米改性金属陶瓷刀具与对比刀具的切削性能

6.4.4切削用量对纳米改性金属陶瓷刀具切削性能的影响

6.4.5纳米改性金属陶瓷刀具切削参数优化及Tailor公式

6.4.6纳米改性金属陶瓷刀具的磨损形貌

6.5纳米改性金属陶瓷刀具切削冷硬铸铁和不锈钢时的切削性能

6.5.1金属陶瓷刀具与YG8刀具切削冷硬铸铁时的切削性能

6.5.2加工不锈钢时的切削性能

6.6本章小结

第七章纳米改性金属陶瓷刀具的抗热冲击性能

7.1前言

7.2实验方法

7.3热冲击实验结果及讨论

7.3.1热冲击循环过程中试样表面的孔洞变化情况

7.3.2压痕附近热冲击疲劳裂纹的形态

7.3.3热冲击过程中孔洞及微裂纹形成机理

7.3.4热冲击疲劳裂纹扩展机理

7.4本章小结

第八章全文主要结论

攻读博士学位期间发表的论文

参考文献