氮化硼復(fù)合Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

1、Ti(C，N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度雖高于大多數(shù)非金屬陶瓷，但其仍屬于脆性材料。氮化硼納米管(BNNTs)是一種強(qiáng)度、韌性高的納米材料，是理想的陶瓷增強(qiáng)體。立方氮化硼(c-BN)是目前已知的硬度僅次于金剛石的材料，但其熱穩(wěn)定性比金剛石高，而且對鐵族元素具有化學(xué)惰性，適于加工硬度高且韌性強(qiáng)的材料。本文添加BNNTs、c-BN作為增強(qiáng)相，采用真空熱壓燒結(jié)工藝，以Mo、Ni為粘結(jié)相，研究了BNNTs含量、c-BN含量和燒結(jié)工藝對Ti(

2、C,N)/BNNTs納米管復(fù)合和Ti(C，N)/BN顆粒復(fù)合金屬陶瓷刀具材料力學(xué)性能和微觀組織的影響;分析了復(fù)合陶瓷刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理;研究了TMNC1.0和TMN兩種金屬基陶瓷刀具連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的切削性能。
　　研究了燒結(jié)工藝、粘結(jié)相含量和原始粉末粒度對Ti(C，N)基金屬陶瓷力學(xué)性能和微觀組織的影響。結(jié)果表明，在兩段保溫?zé)Y(jié)工藝下經(jīng)1500℃燒結(jié)時，Ti(C，N)基金屬陶瓷的力學(xué)性能最好。燒結(jié)溫

3、度過低時，液相燒結(jié)過程進(jìn)行不充分，金屬陶瓷材料致密度差，燒結(jié)溫度過高或保溫時間過長，會導(dǎo)致金屬陶瓷材料的晶粒異常長大，不利于陶瓷材料力學(xué)性能的提高。原始粉末粒度較細(xì)時，金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和維氏硬度較高，但斷裂韌度略低，綜合考慮，原始粉末粒度較細(xì)的材料綜合力學(xué)性能較好。粘結(jié)相Mo、Ni含量按Mo-Ni二元合金相圖共晶組分設(shè)計時，陶瓷材料的力學(xué)性能較好。
　　采用前期優(yōu)化的燒結(jié)工藝、原始粉末粒度和粘結(jié)相Mo、Ni含量，將BNNTs作為

4、增強(qiáng)相添加到Ti(C，N)基金屬陶瓷中，通過真空熱壓燒結(jié)制備了Ti(C，N)/BNNTs陶瓷刀具復(fù)合材料。實驗優(yōu)化了BNNTs含量、燒結(jié)溫度和保溫時間，并研究了其對復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀組織的影響。在燒結(jié)溫度為1500℃、保溫時間為30min和燒結(jié)壓力為32MPa的燒結(jié)工藝下，復(fù)合陶瓷材料TMNB0.5的綜合力學(xué)性能最好，其抗彎強(qiáng)度、維氏硬度和斷裂韌度分別為1785MPa、18.49GPa和5.69MPa.m1/2，其增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理為裂紋

5、偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、晶粒橋聯(lián)、斷裂方式改變和殘余應(yīng)力增韌等。
　　對比研究了h-BN和c-BN顆粒對Ti(C,N)基金屬陶瓷力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，加入h-BN顆粒后，復(fù)合材料的力學(xué)性能均急劇下降，表明h-BN顆粒不適合用作陶瓷刀具材料的添加相。實驗研究了c-BN含量、燒結(jié)溫度和保溫時間對復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀組織的影響，結(jié)果表明，在燒結(jié)溫度為1550℃、保溫時間為30min和燒結(jié)壓力為32MPa的優(yōu)化工藝下，陶瓷刀具材料TMNC1

6、.0的綜合力學(xué)性能較好，其抗彎強(qiáng)度、維氏硬度和斷裂韌度分別為1490MPa、18.39GPa和5.15MPa.m1/2。
　　研究了新型Ti(C，N)基復(fù)合陶瓷刀具TMNC1.0連續(xù)切削加工奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的切削性能，并與研制的TMN刀具和商用陶瓷刀具LT55進(jìn)行了對比。通過正交實驗優(yōu)化了TMNC1.0復(fù)合陶瓷刀具在濕切削狀態(tài)下切削奧氏體不銹鋼時的切削參數(shù)，分別為切削速度160m/min、切削深度0.2mm和進(jìn)給

7、量0.15mm/r。在此切削參數(shù)下，研究了LT55、TMN和TMNC1.0分別在干切削和濕切削兩種狀態(tài)下的切削性能，并分析了其磨損機(jī)理。在干切削狀態(tài)下，TMNC1.0刀具的切削性能較好，其次是TMN，LT55的切削性能最差。TMN和TMNC1.0的主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損和磨粒磨損，LT55則以粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損為主。在濕切削狀態(tài)下，TMN刀具的切削性能顯著好于TMNC1.0，LT55的切削性能最差。TMN和