Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究.pdf

1、鎳基合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天及核工業(yè)等領(lǐng)域，但高速切削鎳基合金時(shí)具有切削力大、切削溫度高、刀具壽命低等特點(diǎn)，高性能刀具是鎳基合金高效高質(zhì)量加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文借鑒梯度功能材料(FGM)和納米復(fù)合材料的研究方法，將梯度功能復(fù)合的熱應(yīng)力緩解及表面壓應(yīng)力特性和納米復(fù)合的強(qiáng)韌化機(jī)制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，建立了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的宏微觀結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)研究了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的制備工藝、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)、抗摩擦磨損性能

2、、抗熱沖擊及熱疲勞性能等，并對(duì)刀具的高速切削性能及其失效機(jī)理進(jìn)行了分析與研究。
　　 建立了高速切削過(guò)程的非均勻熱—力—化學(xué)多場(chǎng)耦合模型，明確梯度納米復(fù)合刀具組分及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求。提出了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)基本原則，對(duì)刀具材料“宏觀”性能進(jìn)行分解，以適應(yīng)和抵抗非均勻多場(chǎng)作用，再進(jìn)行各局部“微觀”結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì)，建立了適于高速切削的梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的宏微觀結(jié)構(gòu)模型。
　　 采用粉末鋪填—熱壓燒結(jié)工藝

3、，制備了Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料。以刀具材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)為目標(biāo)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù):GSS1力學(xué)性能在層厚比e=0.3、燒結(jié)溫度T=1700℃、保溫時(shí)間t=60min、壓力P=35MPa時(shí)取得最優(yōu)值，其最優(yōu)的綜合力學(xué)性能為:抗彎強(qiáng)度σf=980MPa、斷裂韌度（表層）KIC=9.54MPa·m1/2、維氏硬度（表層）HV=16.91GPa;GSS2力學(xué)性能在e=0.3、T=1750℃、t=60min、

4、P=35MPa時(shí)取得最優(yōu)值，其最優(yōu)的綜合力學(xué)性能為:σf=810MPa、KIC=9.33MPa·m1/2、HV=16.98GPa。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、裂紋擴(kuò)展形式和斷裂機(jī)制。結(jié)果表明，材料斷口處有明顯的柱狀β-Sialon晶粒和β-Si3N4晶粒的斷裂、橋接及拔出等，材料的斷裂機(jī)制為穿晶斷裂和沿晶斷裂的混合型。不同尺寸的Si3N4晶粒形成雙峰結(jié)構(gòu)，使裂紋擴(kuò)展時(shí)易發(fā)生晶粒的

5、橋接和偏轉(zhuǎn)。TEM分析表明，材料的微觀結(jié)構(gòu)是晶內(nèi)/晶間混合型，存在孿晶、位錯(cuò)等特征。這些特征的存在使裂紋擴(kuò)展時(shí)需消耗更多的能量，從而促進(jìn)了材料強(qiáng)度和斷裂韌度的提高。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗摩擦磨損性能。結(jié)果表明，在相同條件下，梯度陶瓷材料的摩擦系數(shù)和磨損率低于均質(zhì)陶瓷材料的摩擦系數(shù)和磨損率。主要的滑動(dòng)磨損機(jī)理是剝落、粘結(jié)磨損及磨粒磨損。梯度材料表層存在殘余壓應(yīng)力，能夠抵抗部分摩擦過(guò)程中產(chǎn)

6、生拉應(yīng)力，從而減小了摩擦力，提高了材料的抗摩擦磨損性能。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗熱沖擊及熱疲勞性能。結(jié)果表明，梯度納米復(fù)合陶瓷材料的抗熱沖擊及熱疲勞性能均優(yōu)于對(duì)應(yīng)的均質(zhì)陶瓷材料。梯度納米復(fù)合陶瓷材料和均質(zhì)納米復(fù)合陶瓷材料都表現(xiàn)為原始短裂紋的擴(kuò)展特征，GSS1的臨界熱震溫差為600℃，而GSS2、ST10及SAAT10的臨界熱震溫差為400℃。
　　 研究了Sialon-Si3N4

7、梯度納米復(fù)合陶瓷刀具高速切削Inconel718時(shí)的刀具壽命、刀具的磨損破損特征及其失效機(jī)理等。結(jié)果表明，高速車(chē)削Inconel718時(shí)，刀具耐磨性及壽命在vc=120m/min時(shí)較好，此時(shí)GSS1的切削性能優(yōu)于進(jìn)口刀具KY1540;梯度陶瓷刀具GSS1和GSS2的切削性能優(yōu)于均質(zhì)陶瓷刀具ST10和SAAT10的切削性能;刀具主要的失效機(jī)理有磨粒磨損、粘結(jié)磨損、溝槽磨損及崩刃等。高速銑削Inconel718時(shí)，最優(yōu)速度范圍vc=700～