新型WC基納米復(fù)合刀具材料及其切削性能研究.pdf

1、高速、高效切削加工技術(shù)是先進(jìn)實(shí)用的制造技術(shù)，已成為切削加工的主流，而高性能刀具材料對(duì)實(shí)現(xiàn)高效加工具有重要的影響。眾所周知，高效加工對(duì)刀具材料的要求比普通加工更加苛刻，要求刀具材料的性能更高、可靠性更好。雖然目前已有多種多樣的高效加工刀具材料，但刀具材料不可能是萬(wàn)能的，各有其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。目前，刀具材料有PCBN、PCD、陶瓷、金屬陶瓷、硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具等。但加工鑄鐵類(lèi)工件材料還缺乏一類(lèi)力學(xué)性能介于硬質(zhì)合金刀具材料和陶瓷刀具材料之

2、間的非TiC（N）基金屬陶瓷刀具材料。因此，本文探討研究開(kāi)發(fā)新一類(lèi)適于高效加工鑄鐵類(lèi)工件材料的高性能新型WC基納米復(fù)合刀具材料，以擴(kuò)大刀具材料的品種。 本文系統(tǒng)研究了納米復(fù)合刀具材料的設(shè)計(jì)、組分配比、制備工藝及其優(yōu)化、力學(xué)性能與顯微組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、刀具材料的斷裂機(jī)制、刀具材料的摩擦磨損特性以及刀具的切削性能和磨損破損機(jī)理等。 提出了基于界面增強(qiáng)的納米復(fù)合刀具材料設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)界面的損壞機(jī)制，建立了基于界面脫粘和斷裂

3、的強(qiáng)度模型，并對(duì)納米復(fù)合刀具材料增強(qiáng)相含量與界面強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析與研究。 建立了納米復(fù)合刀具材料的設(shè)計(jì)理論框架，利用界面脫粘極限體積含量模型及內(nèi)應(yīng)力作用下徑向裂紋不貫穿條件的極限體積含量模型，確定增強(qiáng)相的最大極限體積含量。利用界面斷裂條件下材料承受最大載荷，設(shè)計(jì)基體相與增強(qiáng)相的粒徑配比。此外，利用界面增強(qiáng)條件，建立了納米復(fù)合刀具材料致密化模型。確定了刀具材料的基體相為WC，增強(qiáng)相為ZrO2，彌散相為Al2O3。

4、基于熱力學(xué)原理，分析并計(jì)算了WC基納米復(fù)合刀具材料體系內(nèi)各相間的化學(xué)熱力相容性。同時(shí)，將工件材料的組成元素視為納米復(fù)合刀具材料的一種相，分析了刀具材料各相與工件材料組成元素間的化學(xué)熱力相容性，確定了合適的刀工匹配關(guān)系。 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料的制備工藝，并對(duì)納米添加相進(jìn)行了分散試驗(yàn)研究，探討了納米粉末分散的影響因素。研究了分散介質(zhì)溫度對(duì)分散體系的影響，并系統(tǒng)分析了分散溫度對(duì)納米顆粒分散的穩(wěn)定機(jī)制。結(jié)果表明，在分散介質(zhì)溫度1

5、00℃下分散可獲得良好的分散效果。 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料的致密化機(jī)理，通過(guò)對(duì)納米復(fù)合刀具材料燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了WZ10A納米復(fù)合刀具材料較為合適的燒結(jié)溫度為1600℃、保溫時(shí)間為30min、燒結(jié)壓力為32MPa～35MPa，制備的WZ10A納米復(fù)合刀具材料的密度為12.8g/cm3，維氏硬度為19.8GPa，抗彎強(qiáng)度為996MPa，斷裂韌性為9.2 MPa.ml/2，導(dǎo)熱系數(shù)為38W/（m·K）。

6、 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明，納米復(fù)合刀具材料的主要增強(qiáng)增韌機(jī)制為納米晶粒的細(xì)化機(jī)制，裂紋擴(kuò)展中的偏轉(zhuǎn)、彎曲、分支、橋連以及增強(qiáng)相的相變?cè)鲰g作用等。此外，納米相的多尺度效應(yīng)和彌散強(qiáng)化效應(yīng)以及納米晶粒的釘扎作用等促進(jìn)了材料裂紋的微細(xì)化并提高了材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，利用透射電鏡和掃描電鏡對(duì)納米復(fù)合刀具材料顯微結(jié)構(gòu)及界面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，WC基

7、納米復(fù)合刀具材料界面所占比例較大，材料內(nèi)部主要以晶間型組織結(jié)構(gòu)為主，部分存在晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)。 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料裂紋擴(kuò)展形式和斷裂機(jī)制，結(jié)果表明，燒結(jié)制備工藝（特別是燒結(jié)溫度）對(duì)刀具材料的斷裂形式和斷裂機(jī)制影響較為明顯。在燒結(jié)溫度低于1600℃時(shí)，WC基納米復(fù)合刀具材料主要以沿晶斷裂為主，當(dāng)燒結(jié)溫度高于1650℃時(shí)，WC基納米復(fù)合刀具材料以穿晶斷裂方式為主。 基于分形理論，建立了沿晶斷裂、穿晶斷裂和沿晶/穿晶混合斷

8、裂三種斷裂形式下的分形模型，并依據(jù)能量耗散原理，對(duì)分形模型進(jìn)行了分析與計(jì)算。結(jié)果表明，沿晶斷裂的能量消耗最大，穿晶斷裂的能量消耗最小，并依據(jù)該結(jié)論，結(jié)合納米復(fù)合刀具材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了優(yōu)化的制備工藝。 研究了WC基納米復(fù)合刀具材料WZ10A高效切削灰鑄鐵和球墨鑄鐵的切削性能，并對(duì)刀具切削加工中的切削力、切削溫度與切削參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析。結(jié)果表明，在同等切削條件下，WZ10A納米復(fù)合刀具產(chǎn)生的切削力、切削溫度