论文部分内容阅读
本文针对传统热压烧结陶瓷刀具制备工艺的局限性,提出了原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具的设计思路,研制了TiB2棒晶增韧TiB2-TiCx基复合陶瓷刀具材料和ZrB2棒晶增韧ZrB2-ZrCx基复合陶瓷刀具材料。对陶瓷刀具的力学性能、物相组成、微观组织、棒晶的生长机理、陶瓷刀具的致密化机理、增韧机理、切削性能和磨损可靠性进行了系统的研究。原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具的研制成功拓展了陶瓷刀具材料制备工艺,并为高性能陶瓷刀具的开发奠定了理论与应用基础。提出了基于过渡塑性相方法的原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具的材料组份设计方案。利用过渡塑性相方法、Ti-B-C与Zr-B-C三元相图选取Ti-B4C与Zr-B4C为反应体系,研制了TiB2棒晶增韧的TiB2-TiCx基复合陶瓷刀具材料和ZrB2棒晶增韧的ZrB2-ZrCx基复合陶瓷刀具材料。对反应体系的热力学分析表明,所选反应体系属于反应可自发进行、可自维持的放热反应体系。提出了基于热爆SHS(Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS)-加压辅助致密化的原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具的制备工艺。结合热爆炸理论、晶体学原理和烧结实验对原位一体化制备工艺中的点火方式、点火温度、延时时间、延时压力和烧结温度等工艺参数进行优化。研究了原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具的制备工艺和力学性能。研制了TBw(TiB2棒晶/TiB2/TiCx)和ZBw(ZrB2棒晶/ZrB2/ZrCx)两种新型陶瓷刀具材料。研究表明,反应体系在Ti/B4C=4/1的摩尔配比下,当烧结温度为1750℃,保温时间为60min,延时时间为5s,延时压力为16MPa,保压压力为35MPa时TBw刀具材料的力学性能最优,即抗弯强度为890.3MPa,断裂韧度为7.5MPa·m1/2,维氏硬度为20.6GPa,相对密度为99.3%。反应体系在Zr/B4C=4/1的摩尔配比下,当烧结温度为1750℃,保温时间为60min,延时时间为5s,延时压力为16MPa,保压压力为35MPa时ZBw刀具材料的力学性能最优,即抗弯强度为898.1MPa,断裂韧度为9.1MPa·m1/2,维氏硬度为17.6GPa,相对密度为98.2%。研究了陶瓷刀具力学性能、物相组成与微观组织之间的关系。研究了原位一体化制备中棒晶的生长机理、陶瓷刀具材料的致密化机理和增韧机理。建立了棒晶生长的异向Ostwald Ripening生长模型和陶瓷刀具材料微观组织演变模型。研究表明,棒晶的生长机理一方面与其晶体结构的固有属性相关。另一方面,棒晶首先以非平衡熟化形核过程析出晶核并初步生长；当整个体系的过冷度逐渐降低时,棒晶以平衡熟化生长过程继续生长并在保温阶段发育完全。对TBw和ZBw刀具的致密化机理研究表明,反应体系的摩尔体积、过渡塑性相TiCx与ZrCx含量和其包含的C原子空位、过渡塑性相的高温屈服行为和金属液相的润湿性均影响反应体系的相对密度。对TBw和ZBw刀具的增韧机理研究表明,在刀具基体内均匀分布且随机取向的棒晶起到了类似晶须的增韧作用,主要包括裂纹偏转、棒晶桥联及棒晶拔出等。棒晶形成的互锁结构、板晶、晶须、晶粒表面的纳米颗粒阵列等均对陶瓷刀具材料有一定的增韧贡献。研究了TBw刀具连续干切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时的刀具切削性能和刀具磨损可靠性。结果表明,当切削速度为60m/min,进给量为0.1mm/r,切削深度为0.1mm时,TBw刀具的磨损寿命最高,刀具的抗磨损能力由强到弱的顺序为TBw>LT55>ZBw>SG4。在低速下,TBw刀具的主要磨损机理是磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损。在高速下,TBw刀具的主要磨损机理是磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。TBw刀具的磨损寿命服从伽马分布,刀具磨损寿命在该切削用量下的磨损可靠度为46.54%。当磨损可靠度为90%时,刀具磨损可靠寿命为8.71min。TBw刀具的磨损寿命变异系数为0.155,因此该刀具的磨损可靠性良好。研究了ZBw刀具连续干切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti时的刀具切削性能和刀具磨损可靠性。结果表明,当切削速度为40m/min,进给量为0.1mm/r,切削深度为0.1mm时,ZBw刀具的磨损寿命最高,刀具的抗磨损能力由强到弱的顺序为ZBw>LT55>TBw>SG4。在低速下,ZBw刀具的主要磨损机理是磨粒磨损和氧化磨损。在高速下,ZBw刀具的主要磨损机理是磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损。ZBw刀具的磨损寿命服从对数正态分布,刀具磨损寿命在该切削用量下的磨损可靠度为36.51%。当磨损可靠度为90%时,刀具磨损可靠寿命为12.53min。ZBw刀具的磨损寿命变异系数为0.1099,因此该刀具的磨损可靠性良好。