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《山东大学》 2009年
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多元多尺度碳化钛基陶瓷刀具研制及切削性能研究

洪明  
【摘要】: 本文针对目前陶瓷刀具综合力学性能较低的难题,基于多元多尺度的设计思想,根据陶瓷基复合材料和陶瓷金属复合材料的设计原则,选择微米Al_2O_3和纳米Al_2O_3颗粒为添加相,Ni、Co和Mo为金属粘结相,采用液相热压烧结工艺,研制成功了新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料,系统研究了其烧结工艺、力学性能和显微组织之间的关系,分析了材料增韧补强机理,研究了新型陶瓷刀具的切削性能。 实验研究了在相同的烧结温度下,纳米Al_2O_3含量的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响;在相同的烧结温度下,微米Al_2O_3含量的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响;以及烧结温度的变化对多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响。 研制成功了新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料TA10A5(微米Al_2O_3的含量为10vol%和纳米Al_2O_3的含量为5vol%),其最佳烧结工艺条件为烧结温度1600℃、保温25min和压力25MPa,TA10A5的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为901MPa、8.46MPa·m~(1/2)和20.43GPa。对显微组织的研究表明,微米Al_2O_3和纳米Al_2O_3的加入明显起到了细化晶粒的作用,断口粗糙,晶粒拔出和穿晶断裂明显增多,致密度上升。金属相的塑性变形和裂纹桥连增韧对材料韧性的贡献比较大。 研究了多元性和多尺度对新型多元多尺度TiC基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响。金属相Ni、Co和Mo对基体具有良好的润湿性,可以增强界面结合强度,产生裂纹桥联、裂纹穿晶和裂纹偏转作用;多尺度的Al_2O_3颗粒能抑制基体颗粒的长大,对基体产生增强作用,同时产生裂纹偏转、裂纹钉扎和残余应力增韧机制,Al_2O_3颗粒还容易诱发位错,产生位错增韧补强作用。多尺度Al_2O_3颗粒产生残余应力场增韧和裂纹偏转增韧机理,晶内型纳米Al_2O_3颗粒在基体颗粒中形成亚晶界,同时金属相和晶界上纳米Al_2O_3颗粒对基体晶界的强化作用,容易诱发穿晶断裂。 研究了新型陶瓷刀具TA10A5连续切削淬火40Cr、球墨铸铁、调质45#钢和淬火45#钢时的切削性能,并与已经商业化的陶瓷刀具LT55的切削性能进行了对比。结果表明:TA10A5刀具比较适合低速下连续切削淬火40Cr合金钢和高速切削45#钢,后刀面的磨损量比较小,加工表面质量也优于商业化的LT55刀具;TA10A5刀具不适合连续切削球墨铸铁,刀具的前、后刀面的磨损量都随时间的增加迅速增加,没有出现正常磨损阶段。TA10A5刀具在切削这四种材料时加工表面质量都较高,因此较适合用于对这四种材料的精加工。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG711

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