新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具及性能研究

论文摘要

本文针对目前陶瓷刀具断裂韧度和抗弯强度低的难题，利用氮化硅材料的自增韧补强机理和纳米材料增韧补强机理，成功地研制出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料，并对纳米复合粉体分散技术、刀具材料组分配比、烧结工艺、力学性能、微观结构、烧结机理、增韧补强机理、抗氧化机理和切削性能进行了系统深入的研究。新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的研制成功为高性能陶瓷刀具的进一步开发与应用奠定了基础。 提出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷粉体的均匀分散技术，制备出了无团聚体的Si3N4基纳米复合陶瓷粉体。根据α-Si3N4、纳米α-Si3N4W、纳米Ti（C7N3）和纳米TiN四种粉体的特性，以水作为分散介质，以PMAA-NH4作为分散剂，采用球磨、超声搅拌、调节悬浮液pH值和分散剂化学吸附等多种方法，优化出了四种单相粉体和复合粉体的最佳分散pH值和PMAA-NH4添加量，制备出均匀稳定地单相粉体和复合粉体悬浮液。 研制成功了纳米TiN复合氮化硅基陶瓷刀具材料GT1（Si3N4／TiN），其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为1079.8MPa、9.1MPa·m1／2和15.47GPa。结果表明，纳米TiN可提高GT1复合粉体的烧结活性，降低烧结温度，提高力学性能。均匀的Si3N4长柱状晶粒有利于提高材料抗弯强度和断裂韧度。GT1材料中存在大量的内晶型纳米TiN颗粒和少量的晶间型纳米TiN颗粒，内晶型结构主要为Ⅰ型（棱角形内晶TiN颗粒）和Ⅱ型（椭圆形内晶TiN颗粒）结构，且Ⅱ型内晶型第二相颗粒的周围存在烧结助剂形成的晶间第三相晕圈。刀具的主要增韧机理是晶粒桥联和裂纹偏转，纳米内晶型结构与基体晶粒的桥联自增韧机制存在协同效应。 研制成功了纳米TiN和纳米Si3N4W复合氮化硅基陶瓷刀具材料GGW20T5(Si3N4／Si3N4W／TiN)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为978.68MPa、9.6MPa·m1／2和18.00GPa。结果表明，纳米α-Si3N4W可提高刀具材料致密度和力学性能。该材料内晶型结构主要是Ⅰ型。大量Al、Ce和Y元素富集于晶间相中，形成SiAlON固溶体，提高刀具的力学性能。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹扭转和扭结、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。 研制成功了纳米Ti（C7N3）和纳米Si3N4W复合氮化硅基陶瓷刀具材料GGW20TC25(Si3N4／Si3N4W／Ti（C7N3）)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1750℃、保温60min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为890.89MPa、9.51MPa·m1／2和18.08GPa。结果表明，该材料内晶型结构主要是Ⅰ型。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米复合陶瓷材料的研究现状
• 1.1.1 纳米复合陶瓷材料的定义
• 1.1.2 纳米复合陶瓷材料的显微结构
• 1.1.3 纳米复合陶瓷材料的力学性能
• 1.1.4 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理
• 1.1.5 纳米复合陶瓷材料的制备方法
• 1.2 国内外陶瓷刀具材料的研究现状
• 1.2.1 国内外微米复合陶瓷刀具材料的研究现状
• 1.2.2 国内外纳米复合陶瓷刀具材料的研究现状
• 1.3 纳米复合陶瓷刀具材料研究中存在的问题
• 1.4 本课题研究的目的、意义及主要研究内容
• 1.4.1 本课题研究的目的和意义
• 1.4.2 本论文的主要研究内容
• 第2章 纳米粉体的分散与纳米复相粉体的制备
• 2.1 单相纳米粉体的分散
• 2.1.1 纳米粉体团聚体形成的原因
• 2.1.2 单相纳米粉体分散方法和作用机理
• 2.1.3 实验原料和实验仪器
• 2.1.4 单相纳米粉体的分散试验与结果讨论
• 2.2 多相纳米复合粉体的分散、混合与制备
• 2.2.1 多相纳米复合粉体均匀分散的原则
• 2.2.2 多相纳米复合粉体均匀分散作用机理分析
• 2.2.3 多相氮化硅基纳米复合陶瓷粉体的均匀分散和混合工艺过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能和显微结构研究
• 3.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的设计方法与制备工艺
• 3.1.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料制备工艺的确定
• 3.1.2 烧结助剂的选择
• 3.2 材料力学性能测试方法和显微结构分析方法
• 3.2.1 抗弯强度
• 3.2.2 断裂韧性
• 3.2.3 硬度
• 3.2.4 显微结构的分析方法
• 3N₄／TiN）系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析'>3.3 GT（Si₃N₄／TiN）系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析
• 3.3.1 GT系列纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能研究
• 3.3.2 GT系列纳米复合陶瓷刀具材料的显微结构分析
• WT(Si₃N₄／Si₃N_4WTiN)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析'>3.4 GG_WT(Si₃N₄／Si₃N_4WTiN)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析
• WT系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究'>3.4.1 GG_WT系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究
• WT系列纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析'>3.4.2 GG_WT系列纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析
• WTC(Si₃N₄／Si₃N_4W／Ti（C₇N₃）)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析'>3.5 GG_WTC(Si₃N₄／Si₃N_4W／Ti（C₇N₃）)系列纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构分析
• WTC纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究'>3.5.1 GG_WTC纳米复合陶瓷刀具材料力学性能研究
• WTC纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析'>3.5.2 GG_WTC纳米复合陶瓷刀具材料显微结构分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料烧结机理研究
• 4.1 纳米相颗粒对复合粉体烧结坯体空隙率的影响
• 4.2 氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料烧结过程和机理分析
• 3N₄相变之前'>4.2.1 α-Si₃N₄相变之前
• 3N₄相变阶段'>4.2.2 α-Si₃N₄相变阶段
• 3N₄晶粒长大阶段'>4.2.3 β-Si₃N₄晶粒长大阶段
• 4.3 本章小结
• 第5章 新型自增韧氮化硅基纳米陶瓷刀具材料增韧补强机理研究
• 3N₄晶粒桥联和拔出自增韧补强机理'>5.1 基体β-Si₃N₄晶粒桥联和拔出自增韧补强机理
• 5.2 晶间型和内晶型第二相颗粒产生残余应力的协同增韧补强机理
• 5.3 内晶型第二相颗粒残余应力场的增韧补强机理
• 5.4 内晶型第二相颗粒桥联和拔出增韧补强机理
• 5.5 晶间型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强效应
• 5.6 内晶型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强效应
• 5.7 其它形式的增韧补强机理
• 5.7.1 基体晶粒裂纹偏转自增韧补强机理
• 5.7.2 晶间相引发的自增韧补强机理
• 5.7.3 第二相颗粒引起的偏转增韧补强机理
• 5.7.4 微裂纹增韧补强机理
• 5.8 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同增韧补强机理分析
• 5.8.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同增韧机理分析
• 5.8.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料协同补强机理分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷材料抗高温氧化性能及机理研究
• 6.1 氧化试验
• 6.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料抗氧化行为及性能研究
• 6.2.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的抗氧化行为
• 6.2.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料氧化后显微结构和组成相变化
• 6.2.3 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料氧化后力学性能的变化
• 6.3 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料抗氧化机理研究
• 6.3.1 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料低温抗氧化机理模型
• 6.3.2 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料高温抗氧化机理模型
• 6.4 本章小结
• 第7章 新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的切削性能研究
• 7.1 概述
• 7.2 连续切削铸铁时的切削性能
• 7.2.1 实验条件
• 7.2.2 实验结果与讨论
• 7.2.3 磨损形态与机理分析
• 7.3 连续切削45#钢时的切削性能
• 7.3.1 实验条件
• 7.3.2 实验结果与讨论
• 7.3.3 磨损形态与机理分析
• 7.4 连续切削淬硬40Cr合金钢时的切削性能
• 7.4.1 实验条件
• 7.4.2 实验结果与讨论
• 7.4.3 磨损形态与机理分析
• 7.5 本章小结
• 结论
• 论文创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及奖励
• 致谢