原位生長晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的SiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具在高速切削時，其中的SiC晶須易與淬硬鋼產生化學反應，而且SiC與氧化鋁間的熱膨脹失配較嚴重；同時在制備晶須增韌陶瓷刀具時，存在晶須分散困難、制備成本高和危害人體健康等問題，因此本文采用原位合成復相粉末，研制成功了原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料，系統(tǒng)研究了碳熱還原法中TiC晶須的生長機理、原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料復相粉末制備工藝及機理、熱壓燒結工藝、力學性能、顯微結構、增韌機理

2、、切削性能及刀具磨損機理。 研究了碳熱還原法中TiC晶須的生長機理，提出了熔滴表面輸運機制和SLLS晶須生長機理，研究了SLLS晶須生長機理中的晶須生長方式和影響晶須產量與長徑比的主要因素。結果表明，在碳熱還原法生長TiC晶須的過程中，Ni熔滴是引導晶須生長的觸媒相，NaCl熔滴是傳質相，NaCl熔滴通過對反應物顆粒和Ni熔滴的粘附及NaCl熔滴自身的蒸發(fā)，不斷向Ni熔滴輸運反應物顆粒，維持晶須的連續(xù)生長。在SLLS晶須生長機理

3、中，存在著反應生長、熟化生長和連接生長三種晶須生長方式。采用攪拌混料方式、添加足以粘附所有原材料顆粒的傳質相、提高觸媒相的含量、提高升溫速度以及根據傳質相的蒸發(fā)速度和觸媒相對原材料顆粒的溶解速度控制生長容器內外的氣氛交換速度等，都能夠提高晶須產量。調節(jié)觸媒相與傳質相在含量上的配比則可以改變晶須的長徑比。SLLS機理采用觸媒液滴引導從固相原材料中生長晶須，因此不僅具有VLS機理適合大部分晶須生長并對晶須生長狀態(tài)具有較好可控性的優(yōu)點，而且具

4、有SLS機理適合于規(guī)模化生產的優(yōu)點，是繼VLS機理后又一種重要的晶須生長機理。 研究了原位生長TiC晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料復相粉末的制備工藝和機理。結果表明，碳熱還原法是制備復相粉末的理想工藝，*本研究得到了山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金的資助(2006BS0501 3)氧化鋁基體與TiC晶須前驅體粉料之間具有良好的化學相容性。濕磨混料可使晶須在基體粉末中分散生長，最佳生長溫度是1480℃。當碳含量為標準化學計量比的97

5、﹪左右時，刀具材料具有較好的綜合力學性能。采用高溫區(qū)保溫的晶須生長工藝有利于提高化合碳含量，降低游離碳含量，提高刀具材料的力學性能，因此最佳的晶須生長工藝是二步保溫法，即在1480℃左右保溫60min，然后繼續(xù)在1700℃左右保溫 30min。 Ni 和 NaCl 的最佳含量 (摩爾比) 為TiO<,2>∶Ni∶NaCl=1∶0.05∶0.5。振實裝料和氧化鋁相變可以抑制基體晶粒長大和團聚，改善刀具材料的力學性能。研制成功了原位生長Ti

6、C晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具材料ATW30。在理想的燒結工藝下，ATW30的抗彎強度可達800MPa，斷裂韌度可達7.63MPa·m<'1/2>，硬度可達19.5GPa。提出將陶瓷刀具材料中晶須與基體間的界面結合強度劃分為熱力學結合強度和機械結合強度兩類，由于在足夠高的燒結溫度下才能形成晶須與基體間較高的界面熱力學結合強度，因此在以熱力學結合強度為主的晶須增韌陶瓷刀具材料ATW30中，只有達到一定的燒結溫度，才能夠保證刀具材料具有較高的斷裂

7、韌度。在原位生長晶須增韌陶瓷刀具材料中發(fā)現(xiàn)了大量晶內型晶須，并在包裹晶內型晶須周圍的基體晶粒中發(fā)現(xiàn)了位錯群。大量晶內型晶須及位錯群有利于提高刀具材料的致密度和力學性能。 建立了反映了斷裂韌度和裂紋擴展面積實效比、彈性模量及斷裂表面能之間關系的裂紋擴展面積實效比增韌模型。結果表明，影響刀具材料ATW30彈性模量和斷裂表面能的主要因素是材料組分。晶須-基體界面的剝離和沿晶斷裂均能提高刀具材料ATW30的裂紋擴展面積實效比和斷裂韌度。

8、采用實效比增韌模型預測了陶瓷刀具材料ATW30的斷裂韌度，其預測值(8.85MPa·m<'1/2>)與實測值(7.63MPa·m<'1/2>)基本吻合，證明了該模型的正確性。裂紋擴展面積實效比增韌模型不涉及刀具材料的具體增韌機理，具有更廣泛的普適性，對研制新型陶瓷刀具材料具有重要的理論指導意義。 研究了陶瓷刀具材料ATW30切削淬硬40Cr、45<'＃>鋼和T10A時的切削性能和刀具磨損機理，并與陶瓷刀具SG4進行了對比。結果表