学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具及性能研究

作　者: 邹斌
导　师: 黄传真
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 氮化硅基纳米复合陶瓷刀具 协同增韧补强机理 自增韧补强机理 抗氧化性能 切削性能
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 568次
引　用: 10次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


本文针对目前陶瓷刀具断裂韧度和抗弯强度低的难题，利用氮化硅材料的自增韧补强机理和纳米材料增韧补强机理，成功地研制出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料，并对纳米复合粉体分散技术、刀具材料组分配比、烧结工艺、力学性能、微观结构、烧结机理、增韧补强机理、抗氧化机理和切削性能进行了系统深入的研究。新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的研制成功为高性能陶瓷刀具的进一步开发与应用奠定了基础。 提出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷粉体的均匀分散技术，制备出了无团聚体的Si3N4基纳米复合陶瓷粉体。根据α-Si3N4、纳米α-Si3N4W、纳米Ti（C7N3）和纳米TiN四种粉体的特性，以水作为分散介质，以PMAA-NH4作为分散剂，采用球磨、超声搅拌、调节悬浮液pH值和分散剂化学吸附等多种方法，优化出了四种单相粉体和复合粉体的最佳分散pH值和PMAA-NH4添加量，制备出均匀稳定地单相粉体和复合粉体悬浮液。 研制成功了纳米TiN复合氮化硅基陶瓷刀具材料GT1（Si3N4／TiN），其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为1079.8MPa、9.1MPa·m1／2和15.47GPa。结果表明，纳米TiN可提高GT1复合粉体的烧结活性，降低烧结温度，提高力学性能。均匀的Si3N4长柱状晶粒有利于提高材料抗弯强度和断裂韧度。GT1材料中存在大量的内晶型纳米TiN颗粒和少量的晶间型纳米TiN颗粒，内晶型结构主要为Ⅰ型（棱角形内晶TiN颗粒）和Ⅱ型（椭圆形内晶TiN颗粒）结构，且Ⅱ型内晶型第二相颗粒的周围存在烧结助剂形成的晶间第三相晕圈。刀具的主要增韧机理是晶粒桥联和裂纹偏转，纳米内晶型结构与基体晶粒的桥联自增韧机制存在协同效应。 研制成功了纳米TiN和纳米Si3N4W复合氮化硅基陶瓷刀具材料GGW20T5(Si3N4／Si3N4W／TiN)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为978.68MPa、9.6MPa·m1／2和18.00GPa。结果表明，纳米α-Si3N4W可提高刀具材料致密度和力学性能。该材料内晶型结构主要是Ⅰ型。大量Al、Ce和Y元素富集于晶间相中，形成SiAlON固溶体，提高刀具的力学性能。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹扭转和扭结、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。 研制成功了纳米Ti（C7N3）和纳米Si3N4W复合氮化硅基陶瓷刀具材料GGW20TC25(Si3N4／Si3N4W／Ti（C7N3）)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1750℃、保温60min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为890.89MPa、9.51MPa·m1／2和18.08GPa。结果表明，该材料内晶型结构主要是Ⅰ型。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-14
第1章 绪论  14-24
  1.1 纳米复合陶瓷材料的研究现状  14-19
    1.1.1 纳米复合陶瓷材料的定义  14
    1.1.2 纳米复合陶瓷材料的显微结构  14-15
    1.1.3 纳米复合陶瓷材料的力学性能  15-16
    1.1.4 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理  16-17
    1.1.5 纳米复合陶瓷材料的制备方法  17-19
  1.2 国内外陶瓷刀具材料的研究现状  19-20
    1.2.1 国内外微米复合陶瓷刀具材料的研究现状  20
    1.2.2 国内外纳米复合陶瓷刀具材料的研究现状  20
  1.3 纳米复合陶瓷刀具材料研究中存在的问题  20-22
  1.4 本课题研究的目的、意义及主要研究内容  22-24
    1.4.1 本课题研究的目的和意义  22
    1.4.2 本论文的主要研究内容  22-24
第2章 纳米粉体的分散与纳米复相粉体的制备  24-37
  2.1 单相纳米粉体的分散  24-31
    2.1.1 纳米粉体团聚体形成的原因  24
    2.1.2 单相纳米粉体分散方法和作用机理  24-26
    2.1.3 实验原料和实验仪器  26-27
    2.1.4 单相纳米粉体的分散试验与结果讨论  27-31
  2.2 多相纳米复合粉体的分散、混合与制备  31-36
    2.2.1 多相纳米复合粉体均匀分散的原则  31-32
    2.2.2 多相纳米复合粉体均匀分散作用机理分析  32-35
    2.2.3 多相氮化硅基纳米复合陶瓷粉体的均匀分散和混合工艺过程  35-36
  2.3 本章小结  36-37
第3章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能和显微结构研究  37-66
  3.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的设计方法与制备工艺  37-39
    3.1.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料制备工艺的确定  37-39
    3.1.2 烧结助剂的选择  39
  3.2 材料力学性能测试方法和显微结构分析方法  39-41
    3.2.1 抗弯强度  39-40
    3.2.2 断裂韧性  40
    3.2.3 硬度  40
    3.2.4 显微结构的分析方法  40-41
  3.3 GT(Si_3N_4／TiN)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析  41-50
    3.3.1 GT系列纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能研究  41-43
    3.3.2 GT系列纳米复合陶瓷刀具材料的显微结构分析  43-50
  3.4 GG_WT(Si_3N_4／Si_3N_(4W)TiN)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析  50-57
    3.4.1 GG_WT系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究  50-52
    3.4.2 GG_WT系列纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析  52-57
  3.5 GG_WTC(Si_3N_4／Si_3N_(4W)／Ti(C_7N_3))系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析  57-64
    3.5.1 GG_WTC纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究  57-59
    3.5.2 GG_WTC纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析  59-64
  3.6 本章小结  64-66
第4章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料烧结机理研究  66-79
  4.1 纳米相颗粒对复合粉体烧结坯体空隙率的影响  66-69
  4.2 氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料烧结过程和机理分析  69-77
    4.2.1 α-Si_3N_4相变之前  69-70
    4.2.2 α-Si_3N_4相变阶段  70-72
    4.2.3 β-Si_3N_4晶粒长大阶段  72-77
  4.3 本章小结  77-79
第5章 新型自增韧氮化硅基纳米陶瓷刀具材料增韧补强机理研究  79-120
  5.1 基体β-Si_3N_4晶粒桥联和拔出自增韧补强机理  79-86
  5.2 晶间型和内晶型第二相颗粒产生残余应力的协同增韧补强机理  86-92
  5.3 内晶型第二相颗粒残余应力场的增韧补强机理  92-97
  5.4 内晶型第二相颗粒桥联和拔出增韧补强机理  97-103
  5.5 晶间型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强效应  103-109
  5.6 内晶型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强效应  109-111
  5.7 其它形式的增韧补强机理  111-114
    5.7.1 基体晶粒裂纹偏转自增韧补强机理  111-112
    5.7.2 晶间相引发的自增韧补强机理  112
    5.7.3 第二相颗粒引起的偏转增韧补强机理  112-113
    5.7.4 微裂纹增韧补强机理  113-114
  5.8 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同增韧补强机理分析  114-118
    5.8.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同增韧机理分析  114-116
    5.8.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同补强机理分析  116-118
  5.9 本章小结  118-120
第6章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷材料抗高温氧化性能及机理研究  120-139
  6.1 氧化试验  120
  6.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料抗氧化行为及性能研究  120-134
    6.2.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的抗氧化行为  120-123
    6.2.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料氧化后显微结构和组成相变化  123-133
    6.2.3 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料氧化后力学性能的变化  133-134
  6.3 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料抗氧化机理研究  134-137
    6.3.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料低温抗氧化机理模型  134-135
    6.3.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料高温抗氧化机理模型  135-137
  6.4 本章小结  137-139
第7章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的切削性能研究  139-155
  7.1 概述  139
  7.2 连续切削铸铁时的切削性能  139-143
    7.2.1 实验条件  139-140
    7.2.2 实验结果与讨论  140-142
    7.2.3 磨损形态与机理分析  142-143
  7.3 连续切削45#钢时的切削性能  143-148
    7.3.1 实验条件  143-144
    7.3.2 实验结果与讨论  144-145
    7.3.3 磨损形态与机理分析  145-148
  7.4 连续切削淬硬40Cr合金钢时的切削性能  148-154
    7.4.1 实验条件  148-149
    7.4.2 实验结果与讨论  149-150
    7.4.3 磨损形态与机理分析  150-154
  7.5 本章小结  154-155
结论  155-159
论文创新点摘要  159-160
参考文献  160-170
攻读博士学位期间发表的学术论文及奖励  170-171
致谢  171

相似论文

  1. 多组元梯度成分硬质复合膜刀具研究,TG71
  2. 抗氧化剂对黄羽肉鸡抗氧化力和免疫力及相关基因表达的影响,S831.5
  3. 易切削硅黄铜性能研究,TG146.11
  4. 高纯净GCr15轴承钢组织演变与控制工艺的研究,TG142.11
  5. 基于模糊物元的高速铣刀切削性能评价,TG714
  6. 烧结温度与升温速率对牙科可切削硅藻土全瓷材料性能影响的实验研究,R783.1
  7. Si-Al-C-N陶瓷先驱体研究,TQ174.1
  8. 陶瓷刀具干切削奥氏体不锈钢时的切削性能研究,TG501
  9. 冷硬铸铁及CFRP切削过程的离散元模拟,TG501
  10. 低温制备多孔氮化硼纳米材料及其性能研究,TB383.1
  11. 机械力助燃烧制备SiC/MoSi_2复合材料及其性能研究,TB332
  12. 国产RF型氧化锆陶瓷与国外同类产品相关性能的对比研究,TQ174.1
  13. 饲粮不同维生素预混料和能量水平对二郎山山地鸡生产性能和肉品质的影响,S831.5
  14. 红芪提取物对肉鸡生长、抗氧化性能和免疫功能的影响,S831.5
  15. Ti-22.5Al-xNb合金组织与性能研究,TG146.23
  16. 刀具涂层及其性能评价,TG174
  17. 构树叶对营养性肥胖小鼠脂肪代谢的影响,S865.13
  18. 盾构掘进机刀具切削实验系统及切削力影响规律研究,U455.3
  19. TA15合金微弧氧化涂层的组织结构与摩擦学性能,TG174.4
  20. GDL-4工具钢加工性能的初步研究,TG142.45
  21. 石蜡切削机理及性能改善研究,TG501

中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
© 2012 www.xueweilunwen.com