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《山东大学》 2007年
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原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究

刘炳强  
【摘要】: 传统的SiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具在高速切削时,其中的SiC晶须易与淬硬钢产生化学反应,而且SiC与氧化铝间的热膨胀失配较严重;同时在制备晶须增韧陶瓷刀具时,存在晶须分散困难、制备成本高和危害人体健康等问题,因此本文采用原位合成复相粉末,研制成功了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料,系统研究了碳热还原法中TiC晶须的生长机理、原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料复相粉末制备工艺及机理、热压烧结工艺、力学性能、显微结构、增韧机理、切削性能及刀具磨损机理。 研究了碳热还原法中TiC晶须的生长机理,提出了熔滴表面输运机制和SLLS晶须生长机理,研究了SLLS晶须生长机理中的晶须生长方式和影响晶须产量与长径比的主要因素。结果表明,在碳热还原法生长TiC晶须的过程中,Ni熔滴是引导晶须生长的触媒相,NaCl熔滴是传质相,NaCl熔滴通过对反应物颗粒和Ni熔滴的粘附及NaCl熔滴自身的蒸发,不断向Ni熔滴输运反应物颗粒,维持晶须的连续生长。在SLLS晶须生长机理中,存在着反应生长、熟化生长和连接生长三种晶须生长方式。采用搅拌混料方式、添加足以粘附所有原材料颗粒的传质相、提高触媒相的含量、提高升温速度以及根据传质相的蒸发速度和触媒相对原材料颗粒的溶解速度控制生长容器内外的气氛交换速度等,都能够提高晶须产量。调节触媒相与传质相在含量上的配比则可以改变晶须的长径比。SLLS机理采用触媒液滴引导从固相原材料中生长晶须,因此不仅具有VLS机理适合大部分晶须生长并对晶须生长状态具有较好可控性的优点,而且具有SLS机理适合于规模化生产的优点,是继VLS机理后又一种重要的晶须生长机理。 研究了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料复相粉末的制备工艺和机理。结果表明,碳热还原法是制备复相粉末的理想工艺,氧化铝基体与TiC晶须前驱体粉料之间具有良好的化学相容性。湿磨混料可使晶须在基体粉末中分散生长,最佳生长温度是1480℃。当碳含量为标准化学计量比的97%左右时,刀具材料具有较好的综合力学性能。采用高温区保温的晶须生长工艺有利于提高化合碳含量,降低游离碳含量,提高刀具材料的力学性能,因此最佳的晶须生长工艺是二步保温法,即在1480℃左右保温60min,然后继续在1700℃左右保温30min。Ni和NaCl的最佳含量(摩尔比)为TiO_2∶Ni∶NaCl=1∶0.05∶0.5。振实装料和氧化铝相变可以抑制基体晶粒长大和团聚,改善刀具材料的力学性能。 研制成功了原位生长TiC晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料ATW30。在理想的烧结工艺下,ATW30的抗弯强度可达800MPa,断裂韧度可达7.63MPa·m~(1/2),硬度可达19.5GPa。提出将陶瓷刀具材料中晶须与基体间的界面结合强度划分为热力学结合强度和机械结合强度两类,由于在足够高的烧结温度下才能形成晶须与基体间较高的界面热力学结合强度,因此在以热力学结合强度为主的晶须增韧陶瓷刀具材料ATW30中,只有达到一定的烧结温度,才能够保证刀具材料具有较高的断裂韧度。在原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料中发现了大量晶内型晶须,并在包裹晶内型晶须周围的基体晶粒中发现了位错群。大量晶内型晶须及位错群有利于提高刀具材料的致密度和力学性能。 建立了反映了断裂韧度和裂纹扩展面积实效比、弹性模量及断裂表面能之间关系的裂纹扩展面积实效比增韧模型。结果表明,影响刀具材料ATW30弹性模量和断裂表面能的主要因素是材料组分。晶须-基体界面的剥离和沿晶断裂均能提高刀具材料ATW30的裂纹扩展面积实效比和断裂韧度。采用实效比增韧模型预测了陶瓷刀具材料ATW30的断裂韧度,其预测值(8.85MPa·m~(1/2))与实测值(7.63MPa·m~(1/2))基本吻合,证明了该模型的正确性。裂纹扩展面积实效比增韧模型不涉及刀具材料的具体增韧机理,具有更广泛的普适性,对研制新型陶瓷刀具材料具有重要的理论指导意义。 研究了陶瓷刀具材料ATW30切削淬硬40Cr、45~#钢和T10A时的切削性能和刀具磨损机理,并与陶瓷刀具SG4进行了对比。结果表明,ATW30的抗磨损能力明显优于SG4。ATW30在低速切削淬硬40Cr时的抗磨损能力优于高速切削,其中低速切削时的主要磨损机理是磨粒磨损,高速切削时的主要磨损机理是磨粒磨损和粘结磨损。ATW30在高速切削淬硬45~#钢和T10A时的抗磨损能力优于低速切削,主要磨损机理是磨粒磨损,这表明ATW30与45~#钢及T10A的亲和力较小,具有良好的化学稳定性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG148

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 刘炳强;;复相陶瓷刀具材料增韧方式及机理[J];潍坊学院学报;2008年02期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 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
2 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
3 刘子峰;基于表层复合法的氧化铝陶瓷表面生长模式及性能研究[D];中国海洋大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 袁训亮;Al_2O_3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能[D];山东大学;2008年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 蔡红;晶须的制备[J];青海大学学报(自然科学版);1995年04期
2 邓建新,艾兴,姜积中;Al_2O_3/SiC_w陶瓷刀具材料中晶须最佳含量及其对刀具抗破损性能的影响[J];山东工业大学学报;1995年03期
3 李江,黄智勇,宁金威,潘裕柏;陶瓷的微波烧结及进展[J];陶瓷工程;2001年04期
4 黄传真,艾兴;新型复相陶瓷刀具材料JX-2-I协同增韧补强机理的研究[J];陶瓷学报;1997年04期
5 张宏泉,杨中民,牟善彬;SiC晶须、晶板增韧AlN陶瓷的研究[J];陶瓷学报;1998年02期
6 金云学,李俊刚;钛合金中TiC晶体的形态及优先生长方向探讨[J];钛工业进展;2005年03期
7 宋桂明,周玉,孙毅,雷廷权;晶须和相变复合增韧陶瓷的复合增韧模型[J];无机材料学报;1998年02期
8 许崇海,黄传真,李兆前,艾兴;含碳添加剂Al_2O_3基陶瓷复合材料的增韧机理[J];无机材料学报;2001年02期
9 马金龙,童学锋,彭虎;烧结技术的革命——微波烧结技术的发展及现状[J];新材料产业;2001年11期
10 魏钟睛,马培华;溶液系统中的晶须生长机理[J];盐湖研究;1995年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘含莲;多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D];山东大学;2005年
2 邹斌;新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具及性能研究[D];山东大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张彦博;刀具材料的发展及应用[J];攀枝花学院学报;2002年05期
2 王晓虹,冯培忠,强颖怀;SiCp增强铝基复合材料的制备与应用的研究进展[J];轻合金加工技术;2002年12期
3 付雪莹,张洪,席慧智;颗粒增强铸造铝合金的研究现状[J];轻金属;2004年07期
4 杜春风;严彪;李成魁;殷俊林;;原位制备技术的现状及发展[J];热处理;2010年06期
5 傅仁利,赵宇龙,周和平;氮化铝晶体的生长惯习面和晶体形态[J];人工晶体学报;2004年03期
6 周咏辉;艾兴;赵军;杨发展;薛强;;Al_2O_3/(W,Ti)C纳米复合陶瓷材料的显微结构[J];人工晶体学报;2008年04期
7 刘飞;曾令可;曹建新;祝博;;基于电石渣的硬硅钙石晶须的制备与表征[J];人工晶体学报;2010年02期
8 陈兴;杨建;丘泰;;Al_2O_3加入量对AlN-Al_2O_3复相陶瓷制备及性能的影响[J];人工晶体学报;2010年06期
9 潘培道;刘孝光;孙小燕;王长春;;原位合成ZrO_2/TiB_2复相陶瓷材料的制备及性能[J];人工晶体学报;2012年03期
10 余志伟;包膜增韧硅微粉对环氧树脂增韧机理的研究[J];热固性树脂;1998年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱东海;乃学瑛;边绍菊;朱成财;李武;;硼酸镁晶须合成原料的热分析[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年
2 王裕;梁军;方国东;韩文波;;ZrB_2基陶瓷断口形貌及增韧机理[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
3 李佑俊;张东明;张联盟;郭景坤;;硼酸铝晶须合成的热力学[A];全国第三届溶胶—凝胶科学技术学术会议论文摘要集[C];2004年
4 陈晓虎;屈浪;陈洲平;赵煌;陈晓闽;吕俊;;机械激活法合成Al_2TiO_5粉体中的各向异性生长[A];中国硅酸盐学会陶瓷分会2005学术年会论文专辑[C];2005年
5 尹天平;李娟;;微波法合成PO_4~(3-)掺杂LiV_3O_8正极材料及性能研究[A];2008全国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2008年
6 赵华伟;时虎;鲁红典;;碱式硫酸镁晶须在阻燃防火中的应用[A];2006年中国镁盐行业年会暨新技术、新产品、新设备推介会论文集[C];2006年
7 位建强;曹明莉;;一种新型无机矿物微纤维在水泥基复合材料中的应用[A];高强与高性能混凝土及其应用——第七届全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集[C];2010年
8 刘然;薛向欣;段培宁;钱洪伟;;硼铁矿碳热还原过程的热力学分析[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册)[C];2008年
9 李丽匣;韩跃新;印万忠;王泽红;;碳酸钙晶须的应用现状及制备技术[A];第十一届全国粉体工程学术会暨相关设备、产品交流会论文集[C];2005年
10 刘志锋;刘家臣;邱世鹏;李益欢;李岩;;可加工ZTA/CePO_4陶瓷的强度及显微结构研究[A];复合材料:生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高传慧;碱式硫酸镁晶须的合成及表面改性研究[D];中国海洋大学;2010年
2 李忠;聚合物/无机物/生物质杂化复合材料及其陶瓷材料的研究[D];合肥工业大学;2010年
3 李秀悌;纳米碱式氯化镁(BMC)晶须的合成、改性以其在塑料中的应用[D];浙江大学;2011年
4 孟庆芬;钴硼酸盐晶须的制备与机理初探[D];西北大学;2011年
5 卢广林;立方氮化硼仿生耐磨复合材料的制备及其研究[D];吉林大学;2011年
6 关爽;功能性纳米碳酸钙的制备及性质研究[D];吉林大学;2011年
7 郑云辉;纳米晶须的合成及其性能的研究[D];吉林大学;2011年
8 鞠治成;纳米结构碳化硅和碳材料的制备与性能研究[D];山东大学;2011年
9 张辉;硬脆刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究[D];山东大学;2011年
10 王朝胜;天然高岭土原位还原合成SiC_W/Al_2O_3复合陶瓷材料及机理研究[D];中南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 窦志强;SHS法制备TiB_2-Al_2O_3复相陶瓷的组织及形成机理研究[D];山东科技大学;2010年
2 朱利文;常压酸化法制备无水硫酸钙晶须工艺研究[D];山东科技大学;2010年
3 黎险峰;淬硬模具钢高速切削的试验研究[D];大连理工大学;2010年
4 姜桂君;磷酸镧包覆氧化铝复合可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究[D];中国海洋大学;2010年
5 彭浩;水氯镁石制备活性氧化镁和氯氧镁水泥研究[D];华东理工大学;2011年
6 李剑秋;均相沉淀法制备羟基磷灰石晶须及其台阶生长机理研究[D];武汉工程大学;2010年
7 倪斌;40CrNiMoA淬硬钢高速干切削过程的有限元仿真[D];昆明理工大学;2010年
8 王慧;钛酸钾及钛酸钾晶须的制备及其补强性质的研究[D];江南大学;2011年
9 朱潇怡;纳米TiN/SiCw增强碳化硅陶瓷的制备[D];浙江大学;2011年
10 孙明赫;碳酸钙晶须填充聚丙烯复合材料的制备与性能研究[D];沈阳师范大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张彦博;陶瓷刀具的发展与使用[J];攀枝花大学学报;2001年04期
2 陈文蔚;;陶瓷摩擦学[J];山东纺织工学院学报;1993年01期
3 蔡红;晶须的制备[J];青海大学学报(自然科学版);1995年04期
4 熊建武;周进;陈湘舜;张克昌;;高速切削加工对刀具材料的要求及其合理选用[J];企业技术开发;2007年12期
5 刘玉先;刘援朝;敖青;张秀菊;李凤照;;SG4,LT55陶瓷的组织结构与性能[J];山东工业大学学报;1993年04期
6 张希华,张建华,刘长霞;氧化铝基陶瓷材料增韧研究现状及其发展方向[J];山东大学学报(工学版);2004年05期
7 周咏辉;艾兴;赵军;袁训亮;薛强;;Al_2O_3/(W,Ti)C纳米复合陶瓷材料的力学性能与强韧化机理[J];山东大学学报(工学版);2008年01期
8 邓建新,李兆前,艾兴;SiC晶须增韧Al_2O_3陶瓷刀具材料的热胀失配分析[J];山东工业大学学报;1994年02期
9 黄传真,李久立,张树生,艾兴;新型 Al_2O_3 基陶瓷刀具材料颗粒弥散增韧与晶须增韧的协同作用[J];山东工业大学学报;1998年02期
10 邢国红;王志;张雷;丁寅森;;Ni对MF/Al_2O_3复合材料力学性能的影响[J];济南大学学报(自然科学版);2010年03期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 彭志坚;载能离子陶瓷刀具表面改性研究[D];清华大学;2004年
3 张希华;氧化铝基结构陶瓷材料设计及其性能研究[D];山东大学;2005年
4 吕志杰;高性能Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的研制与性能研究[D];山东大学;2005年
5 刘含莲;多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D];山东大学;2005年
6 邹斌;新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具及性能研究[D];山东大学;2006年
7 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
8 王振玲;Al-Mg合金高压凝固组织与相演变研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 李美玲;镁铝尖晶石等材料物性的理论研究[D];东北大学 ;2009年
10 李中秋;ZrO_2/LaPO_4复相陶瓷的抗热震性能研究[D];天津大学;2009年
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1 李德伟;新型氧化铝基陶瓷刀具的研制及其性能研究[D];大连理工大学;2010年
2 兰剑;晶胞尺寸对密立根布居和硬度计算的影响[D];吉林大学;2011年
3 王连鹏;数控车床低温精切45淬硬钢的切削研究[D];辽宁工程技术大学;2002年
4 斯庭智;Al_2O_3-TiC复合陶瓷的热震和热疲劳行为[D];合肥工业大学;2004年
5 任萍萍;氧化铝基复合陶瓷的制备和性能测试[D];合肥工业大学;2004年
6 胡勇;Al_2TiO_5/Al_2O_3复合材料的制备及其抗热震和抗铝浸渗性能[D];武汉理工大学;2005年
7 李大梅;氧化铝基复相陶瓷的制备及力学性能研究[D];合肥工业大学;2005年
8 刘于昌;氧化铝陶瓷的低温烧结和晶粒各向异性生长研究[D];福州大学;2006年
9 卢红宪;Al_2O_3-TiC-TiN基金属陶瓷的制备、结构与性能研究[D];西安建筑科技大学;2006年
10 郑黎明;烧结工艺及烧结助剂对氧化铝陶瓷性能的影响[D];辽宁工学院;2007年
【二级引证文献】
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1 黄伟九;吴桂森;;Al_2O_3陶瓷材料的摩擦学研究进展[J];润滑与密封;2012年01期
2 闫石;陈爽;张葆青;;陶瓷刀具的应用与发展[J];制造技术与机床;2011年07期
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1 李艳征;Al_2O_3基梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能研究[D];山东大学;2011年
2 杨发展;新型WC基纳米复合刀具材料及其切削性能研究[D];山东大学;2009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 王珉;基于元胞自动机模型的陶瓷刀具材料及其切削性能研究[D];山东大学;2012年
5 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
6 黄万群;Al_2O_3-TiC复合陶瓷/钢扩散焊接头微观结构及断裂研究[D];山东大学;2012年
7 徐亮;原位一体化制备棒晶增韧陶瓷刀具及其磨损可靠性研究[D];山东大学;2013年
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1 王兴海;Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷模具材料研制[D];山东轻工业学院;2011年
2 戴登钊;陶瓷刀具干切削奥氏体不锈钢时的切削性能研究[D];湘潭大学;2011年
3 徐云飞;干切削奥氏体不锈钢0Cr18Ni9切削加工性能的研究[D];苏州大学;2011年
4 邹丽艳;Ti(C,N)/Fe复合材料制备工艺及其性能研究[D];山东轻工业学院;2012年
5 周启芬;氧化铝基纳米复合陶瓷刀具切削性能研究[D];山东轻工业学院;2012年
6 张国俊;VC/Fe复合材料制备工艺及其性能研究[D];山东轻工业学院;2012年
7 丁明峰;新型Si_3N_4基微纳米复合陶瓷刀具材料制备与切削性能的研究[D];山东建筑大学;2013年
8 杨统春;TiB_2-(W,Ti)C复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D];山东大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张彦博;陶瓷刀具的发展与使用[J];攀枝花大学学报;2001年04期
2 郭小龙,陈沙鸥,戚凭,潘秀红;纳米颗粒对陶瓷材料力学性能的影响[J];青岛大学学报(自然科学版);2000年02期
3 郭小龙,陈沙鸥,戚凭;纳米SiC水悬浮液稳定性的研究[J];青岛大学学报(自然科学版);2001年01期
4 庄大明,刘有荣,刘家浚,朱宝亮,罗振璧,苗赫濯;陶瓷刀具切削不锈钢的切削性能及其失效机理分析[J];清华大学学报(自然科学版);1997年08期
5 萧虹;艾兴;;陶瓷刀具端铣淬硬钢时刀具破损原因的探讨[J];山东工业大学学报;1984年02期
6 邓建新,李兆前,艾兴;SiC晶须增韧Al_2O_3陶瓷刀具材料的热胀失配分析[J];山东工业大学学报;1994年02期
7 曹礼群;材料物性的多尺度关联与数值模拟[J];世界科技研究与发展;2002年06期
8 刘庆峰,王德生,尚文宇,陈寿田;碳酸钙晶须的制备及其对PP增强特性的研究[J];塑料工业;2000年01期
9 胡海青,赵尧森,王亚,丁慎宝,刘光烨;晶须改性聚丙烯[J];塑料工业;2001年02期
10 田雅娟,杨东梅,陈尔凡;四脚状氧化锌晶须增强尼龙6复合材料的研究[J];塑料工业;2002年05期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 吕志杰;高性能Si_3N_4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的研制与性能研究[D];山东大学;2005年
2 王随莲;高性能金属陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D];山东大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 杜大明;不同烧结助剂对氮化硅常压烧结的影响[D];武汉理工大学;2004年
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