新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具及性能研究.pdf

1、本文針對目前陶瓷刀具斷裂韌度和抗彎強度低的難題，利用氮化硅材料的自增韌補強機理和納米材料增韌補強機理，成功地研制出了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具材料，并對納米復合粉體分散技術、刀具材料組分配比、燒結工藝、力學性能、微觀結構、燒結機理、增韌補強機理、抗氧化機理和切削性能進行了系統(tǒng)深入的研究。新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具的研制成功為高性能陶瓷刀具的進一步開發(fā)與應用奠定了基礎。 提出了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷粉體的均

2、勻分散技術，制備出了無團聚體的Si<,3>N<,4>基納米復合陶瓷粉體。根據(jù)α-Si<,3>N<,4>、納米α-Si<,3>N<,4w>、納米Ti(C<,7>N<,3>)和納米TiN四種粉體的特性，以水作為分散介質(zhì)，以PMAA-NH<,4>作為分散劑，采用球磨、超聲攪拌、調(diào)節(jié)懸浮液pH值和分散劑化學吸附等多種方法，優(yōu)化出了四種單相粉體和復合粉體的最佳分散pH值和PMAA-NH<,4>添加量，制備出均勻穩(wěn)定地單相粉體和復合粉體懸浮液。

3、 研制成功了納米TiN復合氮化硅基陶瓷刀具材料GTl(Si<,3>N<,4>/TiN)，其最佳燒結工藝條件為燒結溫度1650℃、保溫40min和壓力30MPa，其抗彎強度、斷裂韌度和維氏硬度分別為1079.8MPa、9.1 MPa·m<'1/2>和15.34GPa。結果表明，納米TiN可提高GTl復合粉體的燒結活性，降低燒結溫度，提高力學性能。均勻的Si<,3>N<,4>長柱狀晶粒有利于提高材料抗彎強度和斷裂韌度。GT1材料中存在大

4、量的內(nèi)晶型納米TiN顆粒和少量的晶間型納米TiN顆粒，內(nèi)晶型結構主要為I型(棱角形內(nèi)晶TiN顆粒)和Ⅱ型(橢圓形內(nèi)晶TiN顆粒)結構，且II型內(nèi)晶型第二相顆粒的周圍存在燒結助劑形成的晶間第三相暈圈。刀具的主要增韌機理是晶粒橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)，納米內(nèi)晶型結構與基體晶粒的橋聯(lián)自增韌機制存在協(xié)同效應。 研制成功了納米TiN和納米Si<,3>N<,4w>復合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20T5(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,

5、4w>/TiN)，其最佳燒結工藝條件為燒結溫度1650℃、保溫40min和壓力30MPa，其抗彎強度、斷裂韌度和維氏硬度分別為978.68MPa、9.6MPa·m<'1/2>和18.00GPa。結果表明，納米α-Si<,3>N<,4w>可提高刀具材料致密度和力學性能。該材料內(nèi)晶型結構主要是I型。大量Al、Ce和Y元素富集于晶間相中，形成SiAION固溶體，提高刀具的力學性能。刀具的主要增韌機理是裂紋偏轉(zhuǎn)、晶粒橋聯(lián)、裂紋扭轉(zhuǎn)和扭結、裂紋彎

6、曲及內(nèi)晶型結構橋聯(lián)增韌等。 研制成功了納米Ti(c<,7>N<,3>)和納米Si<,3.N<,4W>復合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20TC25(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,4w>/Ti(C<,7>N<,3.))，其最佳燒結工藝條件為燒結溫度1750℃、保溫60min和壓力30MPa，其抗彎強度、斷裂韌度和維氏硬度分別為890.89MPa、9.51 MPa·m<'1/2>和18.08GPa。結果表明，該材料內(nèi)晶

7、型結構主要是I型。刀具的主要增韌機理是裂紋偏轉(zhuǎn)、晶粒橋聯(lián)、裂紋彎曲及內(nèi)晶型結構橋聯(lián)增韌等。 本研究得到了教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20030422012)和國家自然科學基金(50275086)資助。研究了納米TiN、納米Ti(C<,7>N<,3>)和納米α-Si<,3>N<,4w>添加相，對材料燒結坯體空隙率、基體晶粒相變、成核和生長的影響，探討了內(nèi)晶型結構的形成機理以及納米第二相顆粒對基體晶界的釘扎作用。結果表明

8、，納米第二相TiN或Ti(C<,7>N<,3>)顆粒可有效降低材料坯體的空隙率，提高材料的致密度。納米第二相顆粒促進基體相在液相中的溶解，納米α-Si<,3>N<,4w>提高β-Si<,3>N<,4>晶粒生長的驅(qū)動力。材料內(nèi)晶型結構的形成機制是基體晶粒晶界擴張并吞噬納米第二相顆粒。納米第二相晶粒對基體晶粒晶界的擴展產(chǎn)生釘扎和阻礙作用。 深入研究了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具材料的增韌補強機理，首次建立了考慮品粒橋聯(lián)方向的β

9、-Si<,3>N<,4>晶粒橋聯(lián)和拔出自增韌補強力學模型、晶問型和內(nèi)晶型第二相顆粒產(chǎn)生殘余應力的協(xié)同增韌補強力學模型、內(nèi)晶型第二相顆粒產(chǎn)生殘余應力的增韌補強力學模型、內(nèi)晶型第二相顆粒橋聯(lián)和拔出增韌補強力學模型、晶間型納米第二相顆粒尺寸效應增韌補強力學模型、內(nèi)晶型納米第二相顆粒尺寸效應增韌補強力學模型。建立了氮化硅自增韌補強和納米顆粒協(xié)同增韌補強力學模型，并對此進行了實驗驗證，結果表明，協(xié)同增韌補強的實測值和理論值吻合較好，證明了協(xié)同增韌

10、補強力學模型的正確性。 系統(tǒng)研究了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具材料的抗氧化性能，建立了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具材料的抗氧化機理模型。結果表明，新型陶瓷刀具材料的氧化增重量隨氧化時間的延長而增大，且納米第二相含量越高，材料氧化增重量越大。850"C氧化50h后，晶間型納米第二相發(fā)生氧化生成TiO<,2>相，刀具的抗彎強度沒有明顯下降。1150℃氧化50h后，納米第二相和基體相都發(fā)生氧化，分別生成白色板塊狀TiO<,

11、2>和針狀SiO<,2>，氧化時間 30h 內(nèi)，刀具的抗彎強度下降不大。低溫時，內(nèi)晶型第二相顆粒不發(fā)生氧化，而晶間型第二相顆粒發(fā)生氧化。高溫時，晶間型第二相顆粒和基體相首先被氧化，分別生成TiO<,2>相和SiO<,2>相，隨后內(nèi)晶型第二相顆粒逐漸氧化。 研究了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具材料加工鑄鐵、45[＃]鋼和淬硬40Cr合金鋼時的切削性能，并與商業(yè)化的SNM陶瓷刀具進行對比，分析了新型自增韌氮化硅基納米復合陶瓷刀具

12、的磨損機理。結果表明，在切削鑄鐵時，GT1、GGw20T5、GGw20TC25和SNM四種刀具均具有良好的抗磨損性能和刀具耐用度，刀具的主要磨損形式為后刀面磨損和邊界磨損，主要磨損機理是磨粒磨損。在切削45[＃]鋼時，SNM刀具的磨損量最大，其次為GT1刀具，GGw20T5和GGw20TC25磨損最小，刀具的主要磨損形式為后刀面磨損，主要磨損機理是磨粒磨損和粘結磨損，同時伴有輕微的擴散磨損和化學磨損。在切削淬硬40Cr合金鋼時，SNM刀