收藏本站
《山东大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究

赵斌  
【摘要】:镍基高温合金的难加工性主要表现为刀具磨损严重,本文针对高速切削镍基高温合金时刀具磨损特点,从提高刀具抗磨损性能的角度出发,研究了刀具失效寿命与刀具材料性能之间的关系,建立了陶瓷刀具材料力学性能预测模型,研制了具有良好切削性能的新型陶瓷刀具,该刀具能够较好地高速干切削镍基高温合金GH4169。建立了陶瓷刀具破损寿命、磨损寿命与材料性能之间的关系模型,提出了用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具材料性能的设计目标。结果表明,与断裂韧度相比,陶瓷刀具材料抗弯强度对刀具破损寿命的影响更显著;硬度对陶瓷刀具后刀面磨损寿命的影响大于断裂韧度;陶瓷刀具材料的断裂韧度对边界沟槽磨损寿命的影响大于硬度;陶瓷刀具材料晶界处的残余压应力场和晶粒细化效应能提高陶瓷刀具的抗磨损性能。建立了陶瓷刀具材料断裂韧度、硬度和纳米颗粒最优含量的预测模型,分析了抗热震性能;设计了陶瓷刀具材料的组分及其含量。预测了晶须增韧陶瓷刀具材料的断裂韧度,确定了 SiC晶须的含量为20 vol%。分别基于残余热应力和渗流集群理论,建立了纳米颗粒的最优含量计算方程,确定了纳米TiCn颗粒的最佳含量为4vol%。建立了复合陶瓷刀具材料的硬度预测模型,实测硬度值与理论硬度值吻合较好,其误差范围为-0.15~-+3.21%。设计了陶瓷刀具材料组分及含量,即76vol%的A1203基体、20 vol%的SiC晶须和4 vol%纳米TiCn颗粒。研究了陶瓷刀具材料的制备工艺,研制了新型复合陶瓷刀具材料,揭示了纳米颗粒和晶须复合陶瓷刀具材料的增韧机理。研究了纳米颗粒和晶须复合陶瓷材料粉体的混料工艺,提出了真空干燥前在超声振动环境中去除大部分有机溶剂的工艺,获得了分散良好的复合陶瓷粉体。改进了常规热压烧结工艺,通过改变常规热压烧结过程中所采用的隔离材料软石墨纸,将其替换为高强石墨粉,有利于气体排出,提高了陶瓷刀具材料的相对密度。验证了纳米颗粒最优含量预测方程的正确性。获得了最优烧结工艺,即烧结温度1700 ℃、保温时间30min和烧结压力30MPa。在最优烧结工艺下获得的陶瓷刀具材料的力学性能为硬度21.18 GPa、断裂韧度6.04 MPa·m1/2和抗弯强度744.05 MPa。研究了纳米颗粒和晶须复合陶瓷刀具材料的增韧机理,纳米颗粒在刀具材料中引起穿晶断裂和裂纹扩展方向的改变,提高了刀具材料的断裂韧度。研究了新型复合陶瓷刀具材料A12O3-20 vol%SiCw-4 vol%TiCn(简写为ASWT)和A1203-20 vol%SICw(简写为ASW)的高温硬度、断裂韧度和抗弯强度的变化规律;并研究了高温下微观组织的演变过程,分析了其对力学性能的影响。结果表明,纳米TiCn颗粒有利于提高复合陶瓷材料高温硬度和断裂韧度,进而提高陶瓷刀具材料的抗磨损能力。纳米TiCn颗粒虽然提高了陶瓷刀具材料的室温抗弯强度,但是降低了材料的高温抗弯强度。两种陶瓷刀具材料的硬度随着温度(20~1000 ℃)的升高呈近似线性下降的趋势;其断裂韧度随着温度的升高先减小后增加,在1200 ℃时出现峰值。研究了陶瓷刀具材料高温力学性能变化的机理;对于高温硬度,晶内型结构是引起ASWT陶瓷刀具材料高温硬度较高的重要原因;对于高温断裂韧度,SiC晶须氧化(1200 ℃)产生液相,抑制了裂纹扩展和材料塑性变形是引起刀具材料断裂韧度出现峰值的主要原因;对于高温抗弯强度,纳米TiCn颗粒细化了陶瓷刀具材料的晶粒,形成更高的晶界比;高温下晶界弱化和滑移,降低了纳米陶瓷刀具材料的高温抗弯强度。研究了 ASWT新型陶瓷刀具高速切削镍基高温合金的切削性能和摩擦特性,拟定了刀具刃型和切削参数范围。采用陶瓷销-高温合金环式摩擦副,研究了 ASWT陶瓷刀具材料与镍基高温合金GH4169对摩时的摩擦特性,确定了仿真切削速度范围为250~400 m/min。模拟研究了 ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削过程。根据切削时陶瓷刀具的温度和应力分布,确定了刀具刃型为圆角型;拟定了 ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削速度为250-400 m/min,进给速度为≤0.08mm/r。研究了 ASWT新型陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削性能。结果表明,切削参数对材料去除量的影响次序为切削速度进给速度切削深度,ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削速度为400 m/min、进给速度为0.04 mm/r、切削深度≤3.0 mm;AS WT陶瓷刀具的材料去除量为192000 mm3,刀具寿命为240 s,比商用陶瓷刀具CC670的寿命提高了 50%;陶瓷刀具干切削时的失效形式是后刀面磨损和边界沟槽磨损。高温下陶瓷刀具材料的氧化作用形成了熔融氧化物,对刀刃处热裂纹起到愈合作用,抑制了刀具破损。研究了 ASWT陶瓷刀具高速湿切削镍基高温合金GH4169的切削性能。结果表明,湿切削时的最优切削速度为400m/min、进给速度为0.06mm/r、切削深度为2.5 mm。湿切削时,陶瓷刀具的主要失效形式为边界沟槽磨损、前刀面破损和后刀面磨损,以边界沟槽磨损为主。纳米颗粒引起的穿晶断裂和SiC晶须拔出效应降低了刀具的粘结磨损。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG711

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姜胜强;谭援强;张高峰;彭锐涛;;基于离散元法预测碳化硅陶瓷的高温力学性能[J];机械工程材料;2014年01期
2 付云伟;张龙;倪新华;刘协权;冉超;;孔隙分布不均匀性对陶瓷材料强度的影响[J];复合材料学报;2014年06期
3 钟国辉;倪新华;刘协权;李宝峰;赵磊;孙涛;;含脱粘界面陶瓷颗粒增强金属基复合材料的弹性常数预报[J];兵器材料科学与工程;2010年04期
4 李刘合;杨海健;陈五一;朱剑豪;;用于加工Inconel718的切削刀具发展现状[J];工具技术;2010年05期
5 倪新华;刘协权;郑坚;戴红彬;;颗粒增强脆性基体复合材料的细观强度模型[J];机械强度;2009年03期
6 倪新华;郑坚;康敬欣;高克林;;含随机分布弧形微裂纹陶瓷复合材料的强度预报[J];稀有金属材料与工程;2007年S1期
7 姚战军;郑坚;倪新华;邢士勇;;颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报[J];机械强度;2007年01期
8 田永君;;共价晶体硬度的微观理论[J];功能材料信息;2005年04期
9 樊宁,艾兴,邓建新;利用人工神经网络预测复相陶瓷材料组分含量的研究[J];硅酸盐学报;2001年06期
10 邓建新,艾兴;陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑[J];工具技术;2001年05期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 殷增斌;高速切削用陶瓷刀具多尺度设计理论与切削可靠性研究[D];山东大学;2014年
2 肖茂华;镍基高温合金高速切削刀具磨损机理研究[D];南京航空航天大学;2010年
3 周咏辉;Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D];山东大学;2009年
4 王超;ZrB_2-SiC基超高温陶瓷复合材料失效机制的表征与评价[D];哈尔滨工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李玉标;PCBN刀具断续切削性能的试验研究[D];大连理工大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 贾孝伟;冯益华;石鹏辉;田园;;TRIZ理论与陶瓷材料技术相关性的研究[J];齐鲁工业大学学报(自然科学版);2015年04期
2 张颖琳;孙剑飞;陈五一;;PCBN刀具车削铸造高温合金的失效机理研究[J];工具技术;2015年01期
3 沈汛;孙剑飞;陈五一;;镍基高温合金高速切削加工性[J];工具技术;2014年12期
4 刘志林;严宏志;;有限元仿真预测高温合金切槽刀具寿命的初步探讨[J];硬质合金;2014年01期
5 谷萌;李丽;王飞飞;孙浩;;镍基合金IN718电火花线切割单脉冲放电温度场分析[J];机械设计与制造;2013年09期
6 付云伟;刘协权;倪新华;陈诚;;含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型[J];应用力学学报;2013年04期
7 徐慧;张万里;徐业峻;孙琨;;计及界面层的单向纤维复合材料力学特性研究[J];天津理工大学学报;2012年03期
8 王菊凤;赵先锋;何林;李长虹;;高温合金GH4169铣削参数优化的研究[J];现代机械;2012年02期
9 张高峰;周山麒;陈三中;邸江顺;;涂层硬质合金刀具切削Inconel718合金的有限元分析[J];装备制造技术;2012年02期
10 刘协权;付云伟;倪新华;程兆刚;赫万恒;;含弧形裂纹复合陶瓷强度的尺度效应[J];计算力学学报;2012年01期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 安晶;TiB_2基增韧补强型陶瓷刀具的制备工艺及性能研究[D];太原理工大学;2018年
2 倪秀英;基于抗疲劳裂纹扩展的二维梯度陶瓷刀具研制与切削性能研究[D];山东大学;2018年
3 宫峰;基于刀具裂纹扩展路径的斜向梯度陶瓷刀具的设计与制备[D];山东大学;2018年
4 赵斌;用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究[D];山东大学;2018年
5 牛方勇;激光熔化沉积成形Al_2O_3陶瓷开裂机理及抑制方法[D];大连理工大学;2017年
6 徐庆钟;基于性能驱动设计的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具研制及其切削性能研究[D];山东大学;2016年
7 徐英帅;难加工材料超声振动辅助车削加工机理及试验研究[D];东北大学;2016年
8 孔金星;纯铁薄壁球壳精密车削技术基础研究[D];南京航空航天大学;2016年
9 李定玉;计及使役环境的高温陶瓷材料抗热震性能及表征方法研究[D];重庆大学;2015年
10 苏永生;表面织构刀具切削钛合金的基础研究[D];南京航空航天大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁宁;PCBN硬态切削气门座圈切削力与磨损机理的研究[D];合肥工业大学;2016年
2 胡翔凯;表镶CBN钻头研制及其岩石钻进负载特性实验研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
3 唐恒;基于无机热管冷却的干切削刀具切削性能的研究[D];湘潭大学;2015年
4 邹玉明;PCBN刀具切削粉末冶金气门座圈切削性能研究[D];合肥工业大学;2015年
5 魏文静;PCBN刀具断续车削淬硬钢表面粗糙度的试验与预测[D];兰州理工大学;2014年
6 王宝宝;PCBN刀具断续切削淬硬钢切削用量研究[D];兰州理工大学;2014年
7 秦杰;变切深法评估陶瓷刀具的切削性能及陶瓷刀具的失效机理研究[D];广东工业大学;2014年
8 姚晓坡;大型数控丝杠旋风铣床关键技术研究[D];郑州大学;2013年
9 周前进;聚晶立方氮化硼刀具硬切削粉末冶金气门座圈的研究[D];合肥工业大学;2013年
10 朱坤杰;整体CBN刀具高速切削淬硬高强度钢的机理研究[D];沈阳理工大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 付云伟;刘协权;倪新华;李宝峰;;含固有缺陷复合材料有效弹性性能预报[J];机械工程学报;2012年16期
2 王志平;程涛涛;丁坤英;;颗粒致密度对WC-10Co-4Cr涂层性能的影响[J];机械工程学报;2011年24期
3 姜胜强;谭援强;聂时君;彭锐涛;杨冬民;李国荣;;碳化硅陶瓷预应力加工的离散元模拟与实验研究[J];无机材料学报;2010年12期
4 刘孝福;娄延春;苏贵桥;于波;;定向凝固用陶瓷型壳高温力学性能研究现状[J];特种铸造及有色合金;2010年10期
5 宋亚林;赵忠民;张龙;潘传增;曲振生;杨权;;超重力对燃烧合成Al_2O_3/ZrO_2(4Y)的影响[J];稀有金属材料与工程;2009年S2期
6 郭晓东;李军利;邹斌;陈明;;剪切温度对车削加工GH4169镍基高温合金的影响[J];上海交通大学学报;2009年01期
7 朱伟;肖继军;马秀芳;张航;肖鹤鸣;;不同温度下RDX晶体力学性能的MD模拟[J];火炸药学报;2007年04期
8 倪新华;郑坚;康敬欣;高克林;;含随机分布弧形微裂纹陶瓷复合材料的强度预报[J];稀有金属材料与工程;2007年S1期
9 姚战军;郑坚;倪新华;邢士勇;;颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报[J];机械强度;2007年01期
10 李斌;许庆彦;李旭东;柳百成;;Al-Si/SiC_p复合材料微观组织模拟及颗粒分布均匀性定量预测[J];机械工程学报;2007年01期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 宋金鹏;硼化钛基复相陶瓷刀具及其失效机理研究[D];山东大学;2012年
2 郑光明;Sialon-Si_3N_4梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D];山东大学;2012年
3 费玉环;Al_2O_3-TiC-TiN陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D];山东大学;2012年
4 崇学文;碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具研究[D];山东大学;2011年
5 周咏辉;Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D];山东大学;2009年
6 王宇;PCBN刀具高速精密硬态切削机理与应用技术[D];哈尔滨理工大学;2008年
7 苏宇;新型低温MQL装置的研制与难加工材料低温高速切削机理研究[D];南京航空航天大学;2007年
8 刘长霞;Al_2O_3基大型结构陶瓷导轨材料及其摩擦磨损性能研究[D];山东大学;2007年
9 赵威;基于绿色切削的钛合金高速切削机理研究[D];南京航空航天大学;2006年
10 耿国盛;钛合金高速铣削技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 黄震;金属陶瓷刀具加工奥贝球铁的切削性能研究[D];大连理工大学;2008年
2 李海波;PCBN复合片刀具切削性能对比研究[D];大连理工大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 许世龙;王英杰;刘广超;;技术创新助推新型陶瓷刀具在机加工中的应用优势凸显[J];黑龙江科技信息;2017年04期
2 杨中秀;;高速切削用金属陶瓷刀具的制备及磨损机理研究[J];铸造技术;2017年02期
3 殷增斌;黄传真;;高速切削用陶瓷刀具多尺度设计理论与切削可靠性研究[J];金属加工(冷加工);2016年05期
4 袁帅;刘献礼;岳彩旭;;陶瓷刀具的应用及其发展[J];金属加工(冷加工);2015年06期
5 邸阅文;孙长友;;陶瓷刀具在机匣加工中的应用[J];中国新技术新产品;2014年01期
6 胡红军;黄伟九;;超细晶陶瓷刀具磨损性能的有限元和试验研究[J];材料热处理学报;2013年11期
7 陈霞;;应用新型复合陶瓷刀具改革传统机械加工工艺[J];中小企业管理与科技(上旬刊);2013年02期
8 ;上海世博会期间禁售陶瓷刀具[J];山东陶瓷;2010年02期
9 李艳征;赵军;;加工含镍球墨铸铁时梯度陶瓷刀具的失效机理[J];工具技术;2009年01期
10 胥锴;刘徽平;杨天雪;;陶瓷刀具材料及其发展前景[J];稀有金属与硬质合金;2009年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 叶毅;叶伟昌;;陶瓷刀具概述[A];中国数控机床展览会论文集[C];2004年
2 杨义勇;彭志坚;苗赫濯;王成彪;付志强;;脉冲高能量密度等离子体陶瓷刀具表面改性研究进展[A];第十五届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2008年
3 许崇海;艾兴;黄传真;;陶瓷刀具切削加工中的裂纹现象[A];面向21世纪的生产工程——2001年“面向21世纪的生产工程”学术会议暨企业生产工程与产品创新专题研讨会论文集[C];2001年
4 赵立新;万怡灶;郑立允;;涂层金属陶瓷刀具的切削性能[A];第十五届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2008年
5 ;纳米氮化钛陶瓷刀具研制成功[A];庆祝中国硅酸盐学会成立六十周年专辑[C];2005年
6 石增敏;郑勇;游敏;丰平;刘文俊;;氮化处理金属陶瓷刀具的磨损形态和机理[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(10)[C];2007年
7 彭志坚;李文治;苗赫濯;石峰;;MEVVA源离子注入陶瓷刀具表面改性研究[A];2004全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集[C];2004年
8 李永洪;徐炜;王晓华;张波;潘敏元;;陶瓷刀具材料增强增韧机制的TEM研究[A];第七次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1993年
9 潘传增;张靖;赵忠民;张龙;;超重力场反应熔铸(Ti,W)B_2基陶瓷刀具材料显微组织与凝固行为[A];第十八届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2014年
10 韩成良;赵娣芳;丁明;;TiN纳米颗粒增强(Ti,W,Mo)C@TiC-Ni金属陶瓷刀具的制备[A];安徽省机械工程学会成立50周年论文集[C];2014年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 孙圆;陶瓷刀具:外柔内刚露锋芒[N];中国质量报;2013年
2 陈冀渝;新型陶瓷刀具的研发新进展[N];广东建设报;2007年
3 通讯员 霍效忠 王晓芒 记者 王春;金属陶瓷刀具研究有重大创新[N];科技日报;2000年
4 本报记者 刘槟宾 通讯员 张凌峰 肖红;陶瓷刀具:江西出口商品添“新军”[N];中国国门时报;2010年
5 阮霞;纳米材料制成金属陶瓷刀具[N];中华建筑报;2004年
6 陶达;合工大用纳米材料制成金属陶瓷刀具[N];中国有色金属报;2004年
7 ;SI3n4和AL2N3基纳米复合陶瓷刀具[N];中国乡镇企业报;2000年
8 何达;新型纳米材料金属陶瓷刀具[N];中国有色金属报;2001年
9 刘志国;新型特种陶瓷刀具材料发展展望[N];广东建设报;2007年
10 本报记者 任翀 本报通讯员 陈霞;实验室里的幕后别样精彩[N];解放日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵斌;用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究[D];山东大学;2018年
2 安晶;TiB_2基增韧补强型陶瓷刀具的制备工艺及性能研究[D];太原理工大学;2018年
3 宫峰;基于刀具裂纹扩展路径的斜向梯度陶瓷刀具的设计与制备[D];山东大学;2018年
4 倪秀英;基于抗疲劳裂纹扩展的二维梯度陶瓷刀具研制与切削性能研究[D];山东大学;2018年
5 崇学文;碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具研究[D];山东大学;2011年
6 费玉环;Al_2O_3-TiC-TiN陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D];山东大学;2012年
7 彭志坚;载能离子陶瓷刀具表面改性研究[D];清华大学;2004年
8 曹同坤;自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究[D];山东大学;2005年
9 谷美林;新型硼化钛基复合陶瓷刀具及切削性能研究[D];山东大学;2007年
10 方斌;烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织结构演变模拟研究[D];山东大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 肖晨光;基于润湿性机制的陶瓷刀具激光表面改性[D];湖北工业大学;2018年
2 刘聪;含Al_2O_3-Y_2O_3和MgO-Y_2O_3助剂的Si_3N_4陶瓷刀具材料制备与性能研究[D];广东工业大学;2018年
3 谭大旺;TiB_2基陶瓷刀具的制备及其切削Ti6Al4V的性能研究[D];广东工业大学;2018年
4 程谟力;基于陶瓷刀具高温力学行为演变的刀具失效机理研究[D];山东大学;2018年
5 李明爽;裂纹自愈合陶瓷刀具的研制[D];山东大学;2018年
6 田园;Al_2O_3-TiC原位成型微织构陶瓷刀具试验研究[D];齐鲁工业大学;2017年
7 姜龙凯;碳纤维增韧补强TiC基陶瓷刀具的研究[D];太原理工大学;2018年
8 高杰;碳纤维增韧补强TiB_2-TiN基陶瓷刀具性能研究[D];太原理工大学;2018年
9 张诚;碳纤维编织物增韧补强WC-TiC层状陶瓷刀具的制备与摩擦磨损性能研究[D];太原理工大学;2017年
10 张涛;层状WC/TiC陶瓷刀具材料制备及影响因素研究[D];太原理工大学;2017年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026