硼化鈦基復相陶瓷刀具及其失效機理研究.pdf

1、本文針對TiB2陶瓷材料難以燒結(jié)致密化、抗彎強度、斷裂韌度低等缺點，根據(jù)復合陶瓷刀具材料物理、化學相容性原則，采用熱壓燒結(jié)工藝，以Ni、Co、(Ni，Mo)、(Co，Mo)、(Ni，Ti)、(Co，Ti)作為金屬相，以TiC、WC作為硬質(zhì)相，研制成功了新型TiB2基復相陶瓷刀具TiB2-25wt.％TiC-WC(TTW7)、TiB2-WC(BW3)、TiB2-WC-TiC(TWTN3)，并對金屬相含量、金屬相與硬質(zhì)相的物理相容性、材料的

2、液相燒結(jié)致密化機理、力學性能、微觀組織、增韌機理、刀具切削性能及失效機理進行了系統(tǒng)研究。
　　 提出了新型TiB2基復相陶瓷刀具材料的設計目標和設計原則。確定了TiC和WC為TiB2基復相陶瓷刀具材料的添加相，確立了TiB2基復相陶瓷刀具材料體系。建立了金屬相全包覆硬質(zhì)相晶粒模型，推導了TiB2基復相陶瓷刀具材料中金屬相含量的計算式，確定了實現(xiàn)金屬相全包覆硬質(zhì)相時的金屬相體積分數(shù)為ψ∈[3.5％，13％]。對金屬相與硬質(zhì)相間的物

3、理相容性研究表明，硬質(zhì)相顆粒越小，容許的硬質(zhì)相與金屬相熱膨脹系數(shù)差越大。
　　 研究了TiB2基復相陶瓷刀具材料液相燒結(jié)時的致密化機理。燒結(jié)初期的致密化機理主要是增強相在液相中的溶解、氣孔收縮、顆粒重排，在燒結(jié)初期氣孔逐步形成球形。研究了TiB2基復相陶瓷刀具材料在燒結(jié)中后期致密化過程中相對密度與燒結(jié)工藝參數(shù)之間的關系，結(jié)果表明，隨晶粒尺寸(b)、液相厚度（λ1）、保溫時間（t)和液相密度（ρL）的增大，材料的相對密度不斷增加;

4、而隨液相動力粘度（μ)和坯體高度（h）的增大，材料的相對密度不斷減小;其中燒結(jié)壓力(P)和燒結(jié)溫度（T)對材料相對密度的影響不大。
　　 對燒結(jié)溫度、保溫時間、金屬相含量和硬質(zhì)相含量進行了優(yōu)化。研究了金屬相和硬質(zhì)相含量對TiB2復相陶瓷刀具材料力學性能的影響，確定了制備TTW7、BW3和TWTN3刀具的工藝方案。
　　 研制成功了TiB2-25wt.％TiC-WC(TTW7)復相陶瓷刀具材料，其中TiB2-25wt.％T

5、iC復合粉的含量為72wt.％，WC的含量為20wt.％，Ni的含量為8wt.％。在1650℃下燒結(jié)復相陶瓷材料時，基體和WC具有良好的化學相容性。隨著WC含量的增加，微觀組織中的粗大晶粒和氣孔逐漸減少，TiB2復相陶瓷刀具材料的抗彎強度、斷裂韌度、硬度逐漸增大;但是當WC含量超過20wt.％時，刀具材料的力學性能降低。當WC含量為20wt.％時，材料的抗彎強度為955.7MPa，斷裂韌度為7.5MPa·m1/2，硬度為23.5GPa。

6、
　　 研制成功了TiB2-WC(BW3)復相陶瓷刀具材料，其中TiB2的含量為72wt.％，WC的含量為20wt.％，(Ni,Mo)的含量為8wt.％。在1650℃下燒結(jié)復相陶瓷材料時，TiB2和WC具有良好的化學相容性。金屬相為Co的復相陶瓷刀具材料中的氣孔、粗大晶粒明顯多于金屬相為Ni、(Ni,Mo)的復相陶瓷刀具材料，且前者的力學性能低于后兩者。金屬相為(Ni，Mo)的復相陶瓷刀具材料的缺陷最少，力學性能最好，其抗彎強度

7、為1307.0MPa，斷裂韌度為8.2MPa·m1/2，硬度為22.7GPa。
　　 研制成功了TiB2-TiC-WC(TWTN3)復相陶瓷刀具材料，其中TiB2的含量為42wt.％，WC的含量為20wt.％，Ni的含量為8wt.％，TiC的含量為30wt.％。在1650℃下燒結(jié)復相陶瓷刀具材料時，TiB2、WC和TiC具有良好的化學相容性。對微觀組織的研究表明，當TiC含量為10wt.％時，復相陶瓷刀具材料中存在許多氣孔和粗大

8、晶粒;隨TiC含量的增加，氣孔及粗大晶粒逐漸減少;當TiC含量為30wt.％時，TWTN3及TWTNM3復相陶瓷刀具材料微觀組織中的缺陷逐漸消失。材料的抗彎強度為996.6MPa，斷裂韌度為7.6MPa·m1/2，硬度為23.6GPa。
　　 研究了刀具材料TTW7、BW3和TWTN3的增韌機理。結(jié)果表明，金屬相均以環(huán)狀兼顆粒狀分布在硬質(zhì)相形成的晶界上，具有彌散強化作用，其增韌機理是裂紋橋聯(lián)和偏轉(zhuǎn)、WC晶粒拔出和固溶強化;材料的

9、斷裂模式是沿晶斷裂和穿晶斷裂同時存在。
　　 研究了TTW7、BW3、TWTN3和SG4刀具連續(xù)切削淬硬Cr12MoV模具鋼、哈氏合金C-276和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時的切削性能及刀具失效機理。結(jié)果表明，干切削淬硬Cr12MoV模具鋼和哈氏合金C-276時，加工表面會發(fā)生粘屑現(xiàn)象;加入冷卻液后粘屑現(xiàn)象消逝。干切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時，當切削速度選擇合適時，加工表面質(zhì)量良好。四種刀具在濕切削狀態(tài)下，以切削

10、速度為60m/min、進給量為0.1mm/r、切削深度為0.3mm連續(xù)切削淬硬Cr12MoV模具鋼時，刀具的抗磨損能力由強到弱的順序為BW3＞SG4＞TTW7＞TWTN3;刀具的主要失效形式是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩、前刀面剝落，其主要磨損機理是磨粒磨損及粘著磨損。四種刀具在濕切削狀態(tài)下，以切削速度為60m/min、進給量為0.1mm/r、切削深度為0.2mm連續(xù)切削哈氏合金C-276時，刀具的抗磨損能力由強到弱的順序為B

11、W3＞SG4＞TTW7＞TWTN3;刀具的主要磨損形式是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩，其主要磨損機理是磨粒磨損和粘著磨損。四種刀具在干切削狀態(tài)下，以切削速度為80m/min、進給量為0.1mm/r、切削深度為0.1mm連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti時，刀具的抗磨損能力由強到弱的順序為TTW7＞SG4＞TWTN3＞BW3;刀具的主要磨損形式是是后刀面溝槽磨損、刀尖破損、主切削刃微崩、前刀面剝落，其主要磨損機理是磨粒磨損