Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能

论文摘要

本文在微米级Al2O3基体中添加纳米TiC和微米WC作为增强相，通过调整复合陶瓷材料中基体和增强相的含量、优化烧结工艺参数，成功制备出性能良好的Al2O3／TiC／WC纳米复合陶瓷刀具材料，并对其力学性能、微观结构、压痕裂纹扩展形态进行了研究。将新研制的纳米复合陶瓷刀具材料制成刀片进行切削实验，研究了刀具的切削性能和失效机理。通过合理选择分散剂及其用量、采用合适的分散工艺，较好的解决了纳米TiC颗粒团聚的问题。确定了纳米复合粉体的制备工艺，制备出了混合均匀、分散效果良好的纳米复合粉体。当基体Al2O3的体积含量为59％、增强相TiC和WC的体积含量分别为24％和16％时，在烧结温度1700℃、烧结压力30MPa、保温时间10min的工艺条件下烧结，可获得综合力学性能良好的复合陶瓷刀具材料，抗弯强度为840MPa、硬度为20GPa、断裂韧度为5．32 MPa·m1／2。微观结构观察发现，Al2O3／TiC／WC纳米复合陶瓷刀具材料为晶内型和晶间型的混合结构，Al2O3基体以部分粒径较小的纳米TiC颗粒为核生长形成晶内型结构，其余粒径较大的TiC颗粒和所有WC颗粒镶嵌在Al2O3基体晶粒之间形成晶间型结构。在Al2O3和TiC晶粒中观察到的位错以及在Al2O3晶粒中观察到的微裂纹说明，在复合陶瓷刀具材料内部存在较大的残余应力场，残余应力增韧是该复合陶瓷刀具材料的一种增韧机制。在Al2O3／TiC／WC纳米复合陶瓷刀具材料压痕裂纹扩展路径上观察到大量的裂纹偏转、桥联和裂纹分叉现象，上述裂纹扩展方式有助于提高材料的断裂韧性。连续切削淬火45钢时，在不同速度下，LWT刀具的寿命都明显高于SG-4刀具。LWT刀具的磨损形态为前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损。磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损。连续切削淬火T10A时，在较低的速度（v=100m／min）下，LWT刀具的寿命高于SG-4；速度较高（v=160m／min）时，LWT刀具的寿命不如SG-4。较低速度下，LWT刀具的磨损形态以前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损为主，并伴随有轻微的微崩刃；随着切削速度的提高，崩刃、碎断等破损成为刀具的主要失效形式。机械疲劳和热疲劳是造成刀具破损的原因。断续切削淬火45钢时，在较低的切削速度下，LWT刀具的抗冲击能力低于SG-4；当切削速度提高时，LWT刀具的抗冲击能力优于SG-4刀具。两种刀具的破损形态都是前刀面的剥落和切削刃上的碎断。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 陶瓷刀具材料的研究现状
• 1.2 陶瓷刀具材料的增韧补强机理
• 1.2.1 颗粒弥散增韧
• 1.2.2 相变增韧
• 1.2.3 晶须增韧
• 1.2.4 各种增韧机理的协同作用
• 1.2.5 纳米增韧
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本课题研究的目的、意义及主要内容
• 1.4.1 本课题研究的目的和意义
• 1.4.2 本课题研究的主要内容
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的设计及研究方法'>第2章 AL₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的设计及研究方法
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料体系的确定'>2.1 AL₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料体系的确定
• 2.1.1 陶瓷刀具材料的设计原则
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料配方的确定'>2.1.2 Al₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料配方的确定
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的研究方法'>2.2 AL₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的研究方法
• 2.2.1 技术路线
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料粉体的制备'>2.2.2 Al₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料粉体的制备
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的烧结工艺'>2.2.3 Al₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料的烧结工艺
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料试样的制备和力学性能测试方法'>2.2.4 Al₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料试样的制备和力学性能测试方法
• 2O₃基纳米复合陶瓷刀具材料微观结构观察与分析方法'>2.2.5 Al₂O₃基纳米复合陶瓷刀具材料微观结构观察与分析方法
• 2.3 本章小结
• 2O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能及微观结构'>第3章 AL₂O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能及微观结构
• 3.1 原材料的处理
• 2O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备'>3.2 AL₂O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具材料的制备
• 2O₃含量对复合陶瓷材料力学性能和微观结构的影响'>3.3 AL₂O₃含量对复合陶瓷材料力学性能和微观结构的影响
• 3.3.1 力学性能测试
• 3.3.2 微观结构分析
• 3.4 增强相配比对复合陶瓷材料力学性能和微观结构的影响
• 3.4.1 力学性能测试
• 3.4.2 微观结构分析
• 3.5 烧结温度对材料性能的影响
• 3.5.1 力学性能测试
• 3.5.2 微观结构分析
• 3.6 保温时间对材料性能的影响
• 3.6.1 力学性能测试
• 3.6.2 微观结构分析
• 3.7 纳米复合陶瓷材料的压痕裂纹扩展路径分析
• 3.8 纳米复合陶瓷材料TEM观察与分析
• 3.9 本章小结
• 2O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具切削性能研究'>第4章 AL₂O₃/TIC/WC纳米复合陶瓷刀具切削性能研究
• 4.1 连续车削淬火45钢（HRC40～44）
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.3 刀具磨损形态及磨损机理分析
• 4.2 连续车削淬火碳素工具钢T10A（HRC60～64）
• 4.2.1 实验条件
• 4.2.2 实验结果
• 4.2.3 刀具磨损形态及磨损机理分析
• 4.2.4 工件材料硬度对LWT刀具切削性能的影响
• 4.3 断续车削淬火45钢（HRC44～48）
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 实验结果
• 4.3.3 刀具磨/破损形态及磨/破损机理分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表