Al2O3基微納復(fù)合陶瓷刀具材料及其切削性能研究.pdf

1、高速切削加工是未來切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，而刀具材料是發(fā)展高速切削加工技術(shù)的關(guān)鍵，開發(fā)適于高速干式切削加工的陶瓷刀具契合了當(dāng)今綠色環(huán)保的理念。本文以研制高性能微納復(fù)合陶瓷刀具材料為目標(biāo)，對微納復(fù)合陶瓷刀具材料進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了微納復(fù)合陶瓷刀具材料的制備工藝，成功制備出Al2O3/TiC/ZrO2微納復(fù)合陶瓷刀具材料，并對其力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、動態(tài)本構(gòu)模型及切入瞬時(shí)仿真、切削性能、失效形式及機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　基于超高強(qiáng)度

2、鋼的切削加工特點(diǎn)，提出了微納復(fù)合陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)原則，并設(shè)計(jì)出以微米Al2O3為基體，微米TiC、納米TiC和納米ZrO2為添加相的微納復(fù)合陶瓷刀具材料。通過對其進(jìn)行化學(xué)相容性計(jì)算分析，可知在燒結(jié)及切削加工過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；陬w粒殘余應(yīng)力模型，計(jì)算出微米級TiC和ZrO2的最大體積分?jǐn)?shù)，分別為82.8vol％和21.3vol％。根據(jù)各組分的物理相容性的計(jì)算分析，確定納米添加相的成分，并基于等徑球體緊密排列結(jié)構(gòu)，依據(jù)素坯顆粒級配

3、原則，建立了納米添加相的粒徑和體積分?jǐn)?shù)的理論模型，并考慮納米粒子的團(tuán)聚效應(yīng)，確定了納米TiC的粒徑為80nm，含量為4vol％;納米ZrO2的粒徑為40nm，含量為1.5～2.0vol％?；谝簯B(tài)金屬對TiC的潤濕性，確定了添加金屬Ni、Mo及含量。
　　研究了納米粉末的分散工藝。研究結(jié)果表明，懸浮液為PH值9～10的堿性溶液，分散劑PEG添加量為納米TiC粉末質(zhì)量的1.5wt％時(shí)，納米TiC懸浮液的相對沉降體積小;懸浮液為PH值

4、9～10的堿性溶液，分散劑PEG添加量約為納米ZrO2粉末質(zhì)量的2wt％時(shí)，納米ZrO2懸浮液的相對沉降體積小。
　　研究了微納復(fù)合陶瓷刀具材料的燒結(jié)工藝。對燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，微納復(fù)合陶瓷刀具材料適宜的燒結(jié)工藝為:燒結(jié)溫度1700℃，保溫時(shí)間10min，燒結(jié)壓力30MPa。依據(jù)燒結(jié)體的性能，對組分配比進(jìn)行優(yōu)選，成功制備出綜合性能優(yōu)良的ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具材料，其抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度和相對密度分別為

5、970MPa、20.3GPa、5.9MPa·m1/2和99.3％。
　　研究分析了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)和斷裂模式。結(jié)果表明，其微觀結(jié)構(gòu)為晶內(nèi)/晶間型，且晶粒尺寸大小分布均勻;其斷裂模式是以穿晶斷裂為主的混合斷裂模式。
　　研究了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。結(jié)果表明，其主要的強(qiáng)韌化機(jī)理為晶粒細(xì)化、晶界強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)韌化、相變增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和顆粒橋接增韌。
　　建立了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具材

6、料動態(tài)本構(gòu)模型，并仿真了瞬時(shí)切入過程?；诨菩土鸭y模型，應(yīng)用細(xì)觀損傷力學(xué)理論，建立了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具材料單軸壓縮下?lián)p傷型動態(tài)本構(gòu)方程。通過分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)獲取ATZ4微納復(fù)合陶瓷材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與理論曲線進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了理論公式的合理性。建立了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具切削仿真的有限元模型，獲得了切入瞬時(shí)刀具前刀面上最大拉應(yīng)力，并根據(jù)第一強(qiáng)度理論，預(yù)測了刀具切入工件時(shí)可能的破損失效，為切削參數(shù)的選擇提供了依

7、據(jù)。
　　建立了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具切削加工調(diào)質(zhì)300M鋼的刀具壽命模型，分析了ATZ4微納復(fù)合陶瓷刀具在合理切削參數(shù)下的失效形式及機(jī)理。對比分析研究了不同刀具切削調(diào)質(zhì)300M鋼時(shí)的切削性能、磨損破損形式及其機(jī)理。結(jié)果表明，在低速車削時(shí)，刀具均以磨損為主，其機(jī)理為粘結(jié)磨損和磨粒磨損;在高速車削時(shí)，刀具的失效形式為磨損和破損，其磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損和磨粒磨損，而破損機(jī)理為機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的耦合作用。在高速切削條件下，其耦合應(yīng)力較高