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石墨烯/WC基梯度纳米复合刀具的微观结构调控及其切削性能研究

孙加林  
【摘要】:包括切削在内的“精密及超精密加工”为工业强基工程(中国制造2025五大工程之一)中十二项先进基础工艺重点突破口之一。高速切削刀具技术作为高速切削中的核心要素,对刀具材料的性能提出了更为严格的要求。硬质合金的硬度略低于金刚石、立方氮化硼和陶瓷,但显著高于高速钢,其韧性稍低于高速钢,但明显高于金刚石、立方氮化硼和陶瓷,使得硬质合金刀具在高速切削领域中具有不可替代的地位。本文针对传统硬质合金刀具材料硬度和韧性的矛盾以及传统金属粘结相Co引入的问题(例:硬度及高温性能下降,Co价格持续上升等),设计制备了基于石墨烯改性的表面贫钴梯度硬质合金刀具、基于陶瓷粘结相的无钴梯度硬质合金刀具、基于石墨烯强韧化的陶瓷粘结相硬质合金刀具,进一步拓展了硬质合金刀具的应用领域。石墨烯具有二维层状结构,比表面积非常大,容易团聚,其在材料基体内分布的均匀程度对其作用效果具有重要影响。进行了分散介质及分散剂的优选,表明以极性非质子溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为分散介质,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂,分散效果最佳,其分散机理为静电分散机理、空间位阻分散机理协同作用。提出以多层石墨烯纳米片(MLG)作为Co梯度液相烧结稳定相,制备了高硬度、高韧性MLG/WC-Co梯度硬质合金,研究发现当石墨烯梯度与Co梯度方向相反时可最大限度维持Co梯度在液相烧结过程中的完整性,其作用机理包括MLG取向分布-阻止Co迁移、MLG“导热片”-影响液相生成及MLG包裹基体颗粒-影响Co对WC润湿性。采用二步热压烧结工艺制备了致密的基于陶瓷粘结相的无钴梯度硬质合金(WC-A1203-TiC-Cr3C2-VC),发现陶瓷粘结相 A1203/(A1203+TiC)比例为0.6,复式晶粒增长抑制剂Cr3C2/(Cr3C2+VC)为0.6时,可实现材料的高致密化及纳米第二相在WC基体内的均匀分布,材料综合力学性能最优。研究了致密化机理:纳米A1203及Cr3C2的加入通过产生少量液相实现液相强化烧结,显著促进致密化过程;纳米TiC的加入通过形成(Tio.8,W0.2)C固溶相,引入缺陷(例格位取代、位错等),从而促进材料致密化过程。研究了强韧化机理:纳米第二相颗粒弥散强韧化、内晶型强韧化、微裂纹强韧化、二步烧结诱导产生少量板状wC强韧化,多元多尺度强韧化及梯度结构引入表层残余压应力强韧化,此外通过TEM发现大量位错的产生对材料的强韧化亦有一定贡献。采用二步热压烧结工艺制备了致密的MLG/WC-A1203-TiC梯度纳米复合刀具材料。将结构强韧化和组分强韧化相结合,提出了多级强韧化机制,将多级强韧化和减摩润滑效应相结合,构建了多级强韧化刀具理论体系。一级强韧化:梯度结构引入表面残余压应力强韧化;二级强韧化:石墨烯强韧化,包括石墨烯“Z字形”弯曲自增韧、石墨烯包裹基体颗粒、石墨烯“自纺织”墙与网、石墨烯桥接基体晶粒、强弱界面结合、石墨烯拔出、裂纹偏转、裂纹桥接、裂纹分叉、裂纹终止等;三级强韧化:多元纳米颗粒强韧化,包括细晶强韧化、亚结构强韧化、位错强韧化等。揭示了石墨烯作为润滑相的减摩抗磨机理:石墨烯自修复磨损表面、石墨烯自组织纳米润滑膜、石墨烯自构筑高效散热片、晶粒细化及强韧化等。研究了两种新型刀具MLG/WC-Co及WCAT0.6CrV高速切削纯铁材料的切削性能。研究表明相同切削条件下相对于YG6刀具,MLG/WC-Co及WCAT0.6CrV刀具产生的切削力、切削温度及刀-屑间平均摩擦系数较低,剪切角及刀具寿命较高。揭示了两种刀具的切削性能改善机理,一方面:两种刀具均因力学性能的显著提高而促进耐磨性的提高。另一方面:在切削过程中,MLG/WC-Co刀具可在刀-屑接触区形成石墨烯润滑叠膜,从而显著减轻了摩擦和粘结。WCAT0.6CrV 刀具较高的表层硬度减轻了刀-屑间摩擦。其他方面:MLG的热导率比金刚石还要高1.5倍,理论上可达6000W/(m-K),均匀分散的MLG可以使得切削热及时传出,降低刀尖处的切削温度,显著提高MLG/WC-Co刀具寿命。WCAT0.6CrV刀具采用纳米A1203及纳米TiC作为陶瓷粘结相,相对于YG6刀具的低熔点金属Co粘结相,具有较好的抗粘结磨损和抗氧化磨损能力。


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