Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的研制及切削性能研究.pdf

1、本文將納米復(fù)合陶瓷與梯度功能陶瓷的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合的微觀強(qiáng)韌化機(jī)制與梯度功能復(fù)合的宏觀抗熱震性提高機(jī)制的有機(jī)結(jié)合，研制成具有高抗熱震性能的梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料。
　　 本文研究了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的宏微觀設(shè)計(jì)、組分配比、制備工藝及其優(yōu)化、力學(xué)性能、顯微組織結(jié)構(gòu)、刀具材料的抗熱震性能和強(qiáng)韌化機(jī)制以及刀具材料的切削性能和磨損破損機(jī)理等。
　　 建立了梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的宏-微觀設(shè)計(jì)模型，研究了抗熱震性

2、與宏-微觀結(jié)構(gòu)及物理性能參數(shù)的關(guān)系，提出了高抗熱震性梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)原則，即：Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的彈性模量應(yīng)由表及里遞減分布；導(dǎo)熱系數(shù)、泊松比以及熱膨脹系數(shù)應(yīng)由表及里遞增分布；層厚比應(yīng)取小值；納米相與微米相的粒徑比為0.2及納米相的體積分?jǐn)?shù)為4vol％時(shí)，刀具材料的抗熱震性較佳，且比未考慮納米相影響的熱震溫差提高了12.5％。
　　 應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的

3、抗熱震性能進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明，Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷材料，三層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的層厚比為0.2較好，增強(qiáng)相組分梯度對(duì)抗熱震性的影響不大。
　　 根據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)原則，采用分層粉末鋪填和熱壓燒結(jié)技術(shù)成功制備了兩種Al2O3/TiCN梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料。在制備過(guò)程中得出以下結(jié)論：(1)以去離子水為分散介質(zhì)，分散劑六偏磷酸鈉的含量為納米粉體的1wt％，分散液的pH值為9，超聲振動(dòng)15min，100nmAl2O3的分散效果最佳

4、；(2)在Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料制備中，層厚比為0.2，表層添加4vol％納米Al2O3時(shí)，三層和五層兩種結(jié)構(gòu)材料的綜合力學(xué)性能最佳；(3)三層與五層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的綜合力學(xué)性能較好，七層與九層的性能較差；(4)三層梯度材料中，綜合性能最佳的組分為AT34(對(duì)應(yīng)刀具AT3)，抗彎強(qiáng)度為965MPa，硬度為19.8GPa，斷裂韌性為6.4MPa·m1/2。五層梯度材料最佳組分為AT52(對(duì)應(yīng)刀具

5、AT5)，抗彎強(qiáng)度為991MPa，硬度為19.4GPa，斷裂韌性為7.2MPa·m1/2；(5)隨著燒結(jié)溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，抗彎強(qiáng)度均隨之增大，硬度和斷裂韌性均先增加后減小。最佳燒結(jié)溫度為1650℃，保溫時(shí)間為20min。
　　 采用強(qiáng)度-衰減法和壓痕-淬火法兩種抗熱震實(shí)驗(yàn)方法研究了Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的抗熱震性能。研究表明，三層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和五層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的熱震溫差均高于與梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的表層同組分

6、的均質(zhì)材料，分別提高且14.3％和28.6％。三層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和五層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的熱震溫差分別為400℃、450℃，并且兩種抗熱震實(shí)驗(yàn)方法得到的熱震溫差相近，與設(shè)計(jì)結(jié)果相近。
　　 分析了Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。三層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和五層對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料的壓痕裂紋擴(kuò)展形式均為沿晶斷裂、晶粒橋聯(lián)、穿晶斷裂和斷裂分叉。建立了Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料

7、的抗熱震性與強(qiáng)韌化機(jī)理的關(guān)系，結(jié)果表明，晶粒橋聯(lián)既可以提高材料的斷裂強(qiáng)度又可以提高材料的斷裂韌性；殘余熱應(yīng)力在增韌的同時(shí)，也能提高材料的抗熱震性。建立了納米相強(qiáng)化-弱化轉(zhuǎn)變臨界粒徑公式，納米顆粒存在一臨界粒徑，使材料的強(qiáng)度最佳。
　　 研究了Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具連續(xù)車(chē)削316L不銹鋼和斷續(xù)車(chē)削304及316L不銹鋼到的切削性能。結(jié)果表明，三層結(jié)構(gòu)Al2O3基梯度納米復(fù)合陶瓷刀具適合于高速連續(xù)車(chē)削316L不銹鋼，刀具壽