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多元多尺度碳化钛基陶瓷刀具研制及切削性能研究

作　者: 洪明
导　师: 刘含莲
学　校: 山东大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 多元多尺度纳米复合陶瓷 TiC 增韧补强切削性能
分类号: TG711
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 94次
引　用: 2次
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内容摘要

本文针对目前陶瓷刀具综合力学性能较低的难题,基于多元多尺度的设计思想,根据陶瓷基复合材料和陶瓷金属复合材料的设计原则,选择微米Al₂O₃和纳米Al₂O₃颗粒为添加相,Ni、Co和Mo为金属粘结相,采用液相热压烧结工艺,研制成功了新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料,系统研究了其烧结工艺、力学性能和显微组织之间的关系,分析了材料增韧补强机理,研究了新型陶瓷刀具的切削性能。实验研究了在相同的烧结温度下,纳米Al₂O₃含量的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响;在相同的烧结温度下,微米Al₂O₃含量的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响;以及烧结温度的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响。研制成功了新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料TA10A5（微米Al₂O₃的含量为10vol%和纳米Al₂O₃的含量为5vol%）,其最佳烧结工艺条件为烧结温度1600℃、保温25min和压力25MPa,TA10A5的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为901MPa、8.46MPa·m^1/2和20.43GPa。对显微组织的研究表明,微米Al₂O₃和纳米Al₂O₃的加入明显起到了细化晶粒的作用,断口粗糙,晶粒拔出和穿晶断裂明显增多,致密度上升。金属相的塑性变形和裂纹桥连增韧对材料韧性的贡献比较大。研究了多元性和多尺度对新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响。金属相Ni、Co和Mo对基体具有良好的润湿性,可以增强界面结合强度,产生裂纹桥联、裂纹穿晶和裂纹偏转作用;多尺度的Al₂O₃颗粒能抑制基体颗粒的长大,对基体产生增强作用,同时产生裂纹偏转、裂纹钉扎和残余应力增韧机制,Al₂O₃颗粒还容易诱发位错,产生位错增韧补强作用。多尺度Al₂O₃颗粒产生残余应力场增韧和裂纹偏转增韧机理,晶内型纳米Al₂O₃颗粒在基体颗粒中形成亚晶界,同时金属相和晶界上纳米Al₂O₃颗粒对基体晶界的强化作用,容易诱发穿晶断裂。研究了新型陶瓷刀具TA10A5连续切削淬火40Cr、球墨铸铁、调质45#钢和淬火45#钢时的切削性能,并与已经商业化的陶瓷刀具LT55的切削性能进行了对比。结果表明:TA10A5刀具比较适合低速下连续切削淬火40Cr合金钢和高速切削45#钢,后刀面的磨损量比较小,加工表面质量也优于商业化的LT55刀具;TA10A5刀具不适合连续切削球墨铸铁,刀具的前、后刀面的磨损量都随时间的增加迅速增加,没有出现正常磨损阶段。TA10A5刀具在切削这四种材料时加工表面质量都较高,因此较适合用于对这四种材料的精加工。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
第1章绪论  15-28
  1.1 陶瓷刀具材料的研究现状  15-16
  1.2 金属陶瓷刀具的研究现状  16-19
    1.2.1 TiC基金属陶瓷刀具材料的发展  17
    1.2.2 TiC基金属陶瓷刀具材料的特点  17-18
    1.2.3 纳米改性对TiC基金属陶瓷的影响  18-19
  1.3 纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理  19-24
  1.4 多元多尺度纳米复合陶瓷的发展和强韧化机理  24-26
    1.4.1 多元多尺度纳米复合陶瓷材料的发展  24
    1.4.2 多元多尺度复合陶瓷的强韧化机理  24-26
  1.5 本课题研究的目的、意义及主要研究内容  26-28
    1.5.1 本课题研究的目的和意义  26-27
    1.5.2 本课题的主要研究内容  27-28
第2章多元多尺度TiC基纳米复合刀具的材料设计、制备及性能分析方法  28-36
  2.1 多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具的材料设计  28-31
    2.1.1 复合陶瓷刀具材料的设计方法  28-30
    2.1.2 各组份添加的作用  30-31
  2.2 多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具的制备工艺  31-33
    2.2.1 实验原料  31
    2.2.2 复合粉末制备  31-32
    2.2.3 复合粉末的烧结  32-33
  2.3 多元多尺度TiC基复合刀具材料的力学性能及显微组织分析方法  33-35
    2.3.1 抗弯强度  33
    2.3.2 断裂韧性  33-34
    2.3.3 维氏硬度  34
    2.3.4 组成及显微组织分析方法  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章多元多尺度TiC基纳米复合刀具材料的力学性能与显微组织  36-51
  3.1 微米Al_2O_3的含量对材料力学性能和显微组织的影响  37-43
    3.1.1 微米Al_2O_3的含量对材料力学性能的影响  37-39
    3.1.2 材料显微组织的确定  39-42
    3.1.3 微米Al_2O_3的含量对材料的显微组织的影响  42-43
  3.2 纳米Al_2O_3含量对材料力学性能和显微组织的影响  43-46
    3.2.1 纳米Al_2O_3的含量对材料力学性能的影响  43-45
    3.2.2 纳米Al_2O_3的含量对材料显微组织的影响  45-46
  3.3 不同烧结温度下材料的力学性能和显微组织  46-49
    3.3.1 不同烧结温度下材料的力学性能  46-47
    3.3.2 不同烧结温度下材料的显微组织  47-49
  3.4 本章小结  49-51
第4章多元多尺度TiC基纳米复合刀具材料的增韧补强机理研究  51-60
  4.1 TA10A5材料的TEM分析  51-53
  4.2 金属相增韧补强机理分析  53-56
  4.3 多尺度Al_2O_3对增韧补强的作用机理  56-57
  4.4 Al_2O_3和金属的协同增韧补强机理分析  57-59
  4.5 本章小结  59-60
第5章多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具切削性能研究  60-80
  5.1 陶瓷刀具切削性能研究概况  60-63
    5.1.1 陶瓷刀具的主要磨损形式和磨损机理  61-62
    5.1.2 本文切削实验内容  62-63
  5.2 连续切削淬火40Cr合金钢时的切削性能  63-66
    5.2.1 实验条件  63-64
    5.2.2 实验结果  64
    5.2.3 刀具磨损特性与磨损机理  64-66
  5.3 连续切削球墨铸铁时的切削性能  66-70
    5.3.1 实验条件  66-67
    5.3.2 实验结果  67-68
    5.3.3 刀具磨损特性与磨损机理  68-70
  5.4 连续切削调质45#钢的切削性能  70-74
    5.4.1 实验条件  70-71
    5.4.2 实验结果  71-72
    5.4.3 刀具磨损特性与磨损机理  72-74
  5.5 连续切削淬火45#钢的切削性能  74-78
    5.5.1 实验条件  74
    5.5.2 实验结果  74-75
    5.5.3 刀具磨损特性与磨损机理  75-78
  5.6 本章小结  78-80
结论与展望  80-84
参考文献  84-90
致谢  90-91
学位论文评阅及答辩情况表  91

多元多尺度碳化钛基陶瓷刀具研制及切削性能研究

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