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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

刘含莲  
【摘要】:本文针对高速硬态干式切削对刀具材料的要求,从提高陶瓷刀具材料的综合 力学性能出发,首次提出了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的设计思想。基于 此思想,选择不同的多元多尺度陶瓷颗粒复合Al_2O_3基体,成功制备出四种具有高 综合力学性能的新型陶瓷刀具材料。从热压烧结工艺、显微结构及其与力学性能 的关系等方面,深入研究了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理, 发现晶内/晶间混合型微观结构和穿晶/沿晶混合断裂模式,是陶瓷刀具复合材料强 韧性提高的主要原因。对新型陶瓷刀具切削性能的研究表明,多元多尺度纳米复 合陶瓷刀具的研制成功为高性能陶瓷刀具的进一步开发与应用奠定了基础。 提出了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的设计思想。添加相中有一相处于 纳米级,通过多元多尺度复合,充分发挥微米增韧、纳米补强及多元互补的优势, 提高复合陶瓷刀具材料的综合力学性能。本文设计了多元多尺度纳米复合材料的 理想显微结构,即不同微米组元晶间分布、纳米颗粒晶内/晶间混合型分布。从裂 纹扩展路径出发,论证了多元多尺度纳米复合刀具材料可形成穿晶/沿晶混合的断 裂模式,消耗更多断裂能,从而有利于提高刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。 根据胶体化学中悬浮液的稳定机制,对不同的纳米陶瓷粉末进行了液相分散研 究,通过优化分散剂种类、分散介质、悬浮液的pH值以及分散剂的加入量等参数, 结合超声分散及机械搅拌工艺,实现了纳米粉末及混合粉末的均匀分散。 研制成功了多元纳米复合陶瓷刀具材料AAS(Al_2O_3/Al_2O_(3n)/SiC_n),其抗弯强度 为796MPa、断裂韧性为5.01MPa·m~(1/2)、硬度21.32GPa。纳米Al_2O_3与纳米SiC的 共同作用,使AAS复合材料在较低的烧结温度和较短的保温时间内即可获得高的 致密度和细化的晶粒。由沿晶断裂向穿晶断裂模式的转变是其力学性能提高的主 要原因之一。 研制成功了新型多尺度纳米复合陶瓷刀具材料ASs(Al_2O_3/SiC_μ/SiC_n),其力学 性能为抗弯强度715MPa、断裂韧性8.2MPa·m~(1/2)、硬度22.57GPa,与单一添加微 米SiC或纳米SiC的复合材料相比,其抗弯强度和断裂韧性都大幅提高。在致 密的烧结体中,微米SiC与纳米SiC形成了典型的晶内/晶间混合型结构,裂纹从 晶间到晶内再到晶间的路径扩展,消耗了更多的断裂能,形成了沿晶/穿晶混合的


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