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《广东工业大学》 2018年
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TiB_2基陶瓷刀具的制备及其切削Ti6Al4V的性能研究

谭大旺  
【摘要】:随着航空航天、能源化工等行业的高速发展,钛合金的使用量急剧增加,对其高速、高效的切削加工提出了更高的要求。针对钛合金的高速加工,硬质合金刀具和传统的陶瓷刀具磨损较快,寿命较低,因此迫切需要开发可以承受更高切削速度和切削温度的刀具材料。本课题以新型TiB_2基陶瓷刀具加工钛合金(Ti6Al4V)为应用背景,采用“刀具材料制备—刀具材料性能—刀具切削性能反馈优化”的方法,围绕着“烧结添加剂—微观结构—力学性能—切削性能—磨损机理”这一主线,研究不同烧结添加剂体系对TiB_2基陶瓷的烧结性能、力学性能和切削性能的影响,对其磨损规律和磨损机理进行了深入分析,以期通过优化合适的添加剂,制备出适合钛合金切削的高性能TiB_2基刀具。首先在2000°C,氩气气氛下热压烧结制备了Ti B_2-20vol%B_4C(TB2)和TiB_2-80vol%B_4C(TB8)复相陶瓷刀具,研究了其力学性能、摩擦磨损性能和切削性能,并与商品硬质合金刀具(YD)进行了对比研究。结果表明,B_4C可以改善TiB_2基陶瓷的致密度、硬度和抗弯强度,但会降低其断裂韧性。在高温下与Ti6Al4V进行滑动摩擦,TB8的摩擦系数最大,YD次之,TB2最小,为0.4左右,且TiB_2-B_4C陶瓷的抗高温氧化性能比硬质合金更好。在不同的参数下切削Ti6Al4V,随着切削速度增加,刀具的寿命降低;随着磨损量增加,刀具的切削温度增加,且YD的切削温度随磨损量增加比TiB_2-B_4C陶瓷刀具更快。在粗加工中,TB2的寿命更长;但是在精加工中,YD寿命更长,加工表面粗糙度更低。不同刀具均出现明显的月牙洼和后刀面磨损,且YD的月牙洼磨损更严重;TB2和TB8的主要磨损机理为粘结磨损,此外TB8还存在微崩刃,而YD的主要磨损机理为粘结磨损。由于Ti与B_4C的高温活性较大,低B_4C含量的TiB_2-B_4C刀具具有更好的切削性能。然后在TiB_2-B_4C的基础上加入低熔点金属添加剂(Ni、Al),在1800°C下热压烧结制备了TiB_2-B_4C-Ni/Al陶瓷刀具材料,研究了金属相含量对材料显微结构、力学性能和切削性能的影响。结果表明,Ni/Al添加剂可以明显降低TiB_2-B_4C的烧结温度;随着Ni/Al含量的增加,TiB_2-B_4C-Ni/Al陶瓷的抗弯强度、硬度均降低,但断裂韧性变化不大;其中TiB_2-20vol%B_4C-5vol%Ni/Al的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为711MPa、4.6MPa·m~(1/2)和22.69GPa。在不同切削参数下,随着Ni/Al含量的增加,刀具寿命降低,且月牙洼磨损速度增加;刀具的主要磨损机理为粘结磨损,而在精加工中还存在微崩刃。由于低熔点金属晶界相降低了刀具的高温性能,Ti B_2-B_4C-Ni/Al陶瓷的刀具寿命低于TiB_2-B_4C刀具。最后,为了避免B_4C和低熔点金属对刀具切削性能的不利影响,同时改善TiB_2基陶瓷的烧结性能,通过引入碳、高熔点金属(Mo/Co)作为助剂,制备了TiB_2-Mo/Co和TiB_2-Mo/Co-C陶瓷刀具,对其显微结构、力学性能和切削性能进行了研究。结果表明,与单相助剂(C或Mo/Co)相比,以Mo/Co-C为复合助剂,可以显著改善TiB_2基陶瓷致密化和力学性能,在1900°C时致密度达到97%。TiB_2-Mo/Co-C陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为574MPa、4.27MPa·m~(1/2)和19.34GPa。然而由于C与Ti的化学亲和性较强,以Mo/Co为助剂的TiB_2基陶瓷刀具的切削性能稍优于以Mo/Co-C为复合助剂的TiB_2基刀具。在v_c=150m/min,f=0.1mm/r,a_p=0.5mm下,TiB_2-Mo/Co的有效切削长度达到2400m左右,远高于TB2的(850m)。TiB_2-Mo/Co和TiB_2-Mo/Co-C陶瓷刀具均存在明显的月牙洼、后刀面磨损和沟槽磨损,其主要磨损机理为粘结磨损和微崩刃。在所研究的不同添加剂TiB_2基刀具中,TiB_2-Mo/Co刀具由于金属添加剂含量更低、熔点更高,且没有与Ti活性大的B_4C的存在,从而刀具寿命更长。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG711

【参考文献】
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