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陶瓷刀具与不锈钢的扩散特性研究

作　者: 祝贺
导　师: 邓建新
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械工程
关键词: 陶瓷刀具 301不锈钢元素扩散显微硬度
分类号: TG711
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当陶瓷切削难加工材料时,尤其是干切削,由于陶瓷刀具自身导热性差,热量容易在刀具刃口附近积聚,这种热能积聚为元素扩散提供了扩散激活能,使得陶瓷刀具与难加工材料或者切屑之间发生元素扩散成为可能,陶瓷刀具也会因为扩散磨损而降低其切削性能。本文通过试验与理论相结合的方法,研究了陶瓷刀具材料与难加工材料301不锈钢之间的元素扩散情况,分析了其元素扩散规律和元素扩散流失对刀具性能的影响,为提高陶瓷刀具使用寿命和设计新型陶瓷刀具提供理论依据。通过对菲克扩散定律的分析,得到了适合陶瓷刀具与301不锈钢之间的元素扩散浓度表达式。根据元素扩散的浓度表达式,进一步通过计算,模拟了陶瓷刀具材料与301不锈钢扩散副中Ti元素和Fe元素的扩散规律,从而为合理解释和分析扩散试验的结果提供了理论依据。同时,对元素扩散的微观机理进行了探讨。选用Al₂O₃/TiC和Si₃N₄/TiC两种以TiC为增韧方式的陶瓷刀具材料与301不锈钢进行元素扩散试验。通过试验,全面分析了在相同扩散条件下两种陶瓷刀具材料中的Ti元素与301不锈钢中Fe元素的扩散,研究了温度和持续受热时间对元素扩散程度的影响。扩散结果分析得出:在相同温度和时间扩散条件下,Al₂O₃/TiC陶瓷刀具材料与301不锈钢之间的元素扩散程度比Si₃N₄/TiC陶瓷刀具材料要更严重。扩散温度相比扩散时间对扩散的影响更大,温度越高,陶瓷刀具材料与301不锈钢之间的元素扩散越剧烈;扩散温度越高,达到同样元素扩散程度所需的时间越短。为了减少刀具的扩散磨损,根据试验可以采取以下两个方面的措施:一是利用冷却系统,降低刀具切削温度;二是在不能降低温度前提下,避免长时间切削,即在元素加速扩散的起始时间前完成加工。对元素扩散后的陶瓷刀具材料与301不锈钢组成的扩散副结合面两侧进行了显微硬度测试,测试结果反映出:靠近扩散副界面处发生扩散的材料硬度相对于远离扩散副界面未发生元素扩散的材料硬度,有了明显变化。陶瓷刀具材料在靠近扩散界面处的硬度明显比未扩散前的硬度低,随着距离扩散结合面越来越远,陶瓷刀具材料的硬度逐渐恢复到正常水平。而301不锈钢由于元素扩散,在靠近扩散界面处的硬度有明显上升,在逐渐远离扩散界面一段距离后,301不锈钢的硬度也逐渐降低到正常硬度值。虽然元素扩散深度有限,但是元素扩散的流失对陶瓷刀具材料硬度的影响深度要远大于元素扩散深度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 陶瓷刀具的研究现状  9-13
    1.1.1 氧化铝系陶瓷刀具  9-10
    1.1.2 氮化硅系陶瓷刀具  10-11
    1.1.3 新型陶瓷刀具  11-13
  1.2 不锈钢的分类、性能和特性  13-15
    1.2.1 不锈钢的分类  13-14
    1.2.2 奥氏体不锈钢的切削加工特点  14-15
  1.3 扩散的研究现状  15-17
  1.4 课题研究的目的、意义及主要研究内容  17-19
    1.4.1 课题研究的目的及意义  17
    1.4.2 课题研究的主要内容  17-19
第2章陶瓷刀具材料与不锈钢的扩散理论分析和计算  19-29
  2.1 扩散理论简介  19-22
  2.2 陶瓷刀具与301 不锈钢的扩散理论计算  22-28
  2.3 本章小结  28-29
第3章陶瓷刀具材料与不锈钢扩散试验方案设计  29-35
  3.1 试验方案  29-32
  3.2 试验分析方法介绍  32-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章陶瓷刀具材料与不锈钢扩散试验结果与分析  35-59
  4.1 Al_20_3/TiC 陶瓷与301 不锈钢扩散试验结果与分析  35-47
    4.1.1 扩散结果和分析  35-45
    4.1.2 显微硬度结果与分析  45-47
  4.2 Si_3N_4/TiC 陶瓷与301 不锈钢扩散试验结果与分析  47-57
    4.2.1 扩散结果和分析  47-56
    4.2.2 显微硬度结果与分析  56-57
  4.3 本章小结  57-59
第5章结论与展望  59-61
  5.1 工作总结  59-60
  5.2 研究展望  60-61
参考文献  61-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间发表的论文  67

陶瓷刀具与不锈钢的扩散特性研究

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