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高性能Ti(C,N)基金属陶瓷材料及其刀具切削性能研究

许育东  
【摘要】:本文应用粉末冶金、材料科学和固体经验电子理论(EET理论)研究了Nj对Ti(C,N)基金属陶瓷中不同碳化物的润湿性、润湿性与陶瓷相价电子结构的关系以及细晶粒的Ti(C,N)基金属陶瓷材料和切削刀具的性能。 首先,介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展过程、组织性能、研究现状、存在的问题及其在切削刀具领域的应用。重点概述了加入晶粒长大抑制剂对金属陶瓷组织和性能的影响、纳米增强和超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷的研究现状,指出了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展趋势;同时也概述了EET理论在金属陶瓷领域的应用;指出了本文研究的目的与意义。简要讨论了润湿性测试用陶瓷基板的制备工艺,发现采用热压烧结(HP)工艺(Ar保护、压力为30MPa、在1800℃下保温1h)可以制备出致密度达97%以上的陶瓷基板。详细研究了金属陶瓷中不同碳化物对Ni的润湿性,指出在Ti(C,N)固溶体中添加Mo_2C、TaC、WC、VC和NbC等碳化物都能降低金属Ni/(Ti,Me)(C,N)体系的接触角(θ),添加一元碳化物对改善润湿性能力大小依次为:Mo_2CTaCWCVCNbC。添加多元碳化物能够使Ni对Ti(C,N)固溶体的接触角持续降低。研究发现,Ni/(Ti,Me)(C,N)体系的润湿机理是存在元素扩散与金属/陶瓷互溶的反应性润湿。而在研究润湿性与陶瓷相价电子结构的关系时发现,多元陶瓷相的价电子结构参数(n_A)随碳化物添加量的增加而增加,碳化物对n_A影响大小依次为VCMo_2CNbCWCTaC;建立了陶瓷相最强键上共价电子数(n_A)、润湿性(接触角θ)以及陶瓷相成份(x)之间的关系;发现了添加Mo_2C可使陶瓷相与金属相的界面电子密度增大,润湿性得到改善,界面得到强化,金属陶瓷的强韧性也得以提高。 其次,研究了纳米TiN改性TiC基金属陶瓷的组织与性能。发现添加纳米TiN或复合添加纳米—微米TiN可以增强TiC基金属陶瓷材料;随纳米TiN的添加量的增加,金属陶瓷材料的组织都得到了细化,材料力学性能得到提高;当添加6~8wt%的纳米TiN时可以获得最优的力学性能;组织细化和力学性能提高的原因与在基体(TiC)晶界处分布的纳米TiN颗粒可以有效钉扎TiC晶粒的运动有关。而Mo含量对5Co-5Ni和10Co-10Ni纳米改性金属陶瓷的组织的影响不尽相同。研究发现,随Mo添加量的增大,材料的断裂韧性和抗弯强度下降;当Mo添加量为4wt%时,材料的断裂韧性和抗弯强度都达到最大值。纳米TiN增强金属陶瓷的机制有细晶强化、弥散强化和固溶强化。 本文还研究了纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能和磨损机理。结果表明,在切削正火态45#钢、灰铸铁、淬硬钢利不锈钢时,与YT15硬质合金刀具和YG8刀具相比,纳米改性金属陶瓷刀具寿命明显较高。而与未进行纳米改性的金属陶瓷刀具相比,纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能与耐磨性有了较大的提高。纳米改性金属陶瓷刀具在v_c=200 m/min~400m/min下切


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