Al-,2-O-,3--ZrO-,2-（Y-,2-O-,3-）復(fù)合陶瓷刀具材料的制備、力學(xué)性能及切削性能研究.pdf

1、Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)與高溫性能，在高強(qiáng)度、高韌性切削加工刀具領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合遼寧省科技重大項(xiàng)目資助課題，通過真空燒結(jié)工藝制備了高強(qiáng)度高韌性的Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷復(fù)合材料。運(yùn)用SEM、EBSE、XRD等分析手段及現(xiàn)代測(cè)試方法對(duì)Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷復(fù)合材料的最佳增韌相含量、燒結(jié)致密化、顯微組織、力學(xué)性能、相變?cè)鲰g機(jī)制、抗熱震性、可靠性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2、 研究表明，ZrO2(Y2O3)含量對(duì)復(fù)合材料的致密化、相對(duì)密度及力學(xué)性能有較大的影響。采用1550℃×2.5h的真空燒結(jié)工藝，ZrO2(Y2O3)含量在15vol％時(shí)Al2O3/ZrO2(3Y)復(fù)合材料相對(duì)密度可達(dá)到99.3％以上，同時(shí)復(fù)合材料組織均勻細(xì)小，綜合力學(xué)性能最佳，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到825MPa、7.8MPa.m1/2。而Al2O3/ZrO2(2Y)的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的最大值分別在ZrO2含量為15vol％和2

3、0vol％時(shí)出現(xiàn)，分別為738MPa、7.9MPa.m1/2。ZrO2(Y2O3)含量大于15vol％時(shí)，隨ZrO2含量的增加，晶粒長(zhǎng)大的傾向顯著增大。XRD定量計(jì)算分析表明，ZrO2中Y2O3含量的不同，相變?cè)鲰g能力也有較大差異。Al2O3/15vol％ZrO2(3Y)復(fù)合材料斷裂過程中相變量Vt→m=43.8％，表明復(fù)合材料受應(yīng)力誘導(dǎo)相變起主導(dǎo)作用，韌化和強(qiáng)化同時(shí)出現(xiàn)。Al2O3/20vol％ZrO2(2Y)復(fù)合材料斷裂過程中相變量

4、Vt→m=18.4％，抗彎強(qiáng)度為689MPa，斷裂韌性達(dá)到最大，這可能是微裂紋增韌為主的結(jié)果。Al2O3、Al2O3/ZrO2(2Y)、Al2O3/ZrO2(3Y)三種材料的Weibull模數(shù)m分別為5.6、10.2、11.7，表明Al2O3/ZrO2(3Y)陶瓷的強(qiáng)度均勻性及可靠性最優(yōu)。 Al2O3陶瓷和Al2O3/ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料的熱震性能研究及理論計(jì)算結(jié)果表明，ZrO2相變?cè)鲰g能有效地阻止熱震裂紋的擴(kuò)展及合并，

5、提高材料的抗熱震性能。300～1100℃淬火溫差范圍內(nèi)，Al2O3/ZrO2(3Y)和Al2O3/ZrO2(2Y)復(fù)合材料的殘留強(qiáng)度和抗熱震性均高于單相Al2O3陶瓷。經(jīng)計(jì)算Al2O3/ZrO2(3Y)和Al2O3/ZrO2(2Y)復(fù)合材料的裂紋萌生阻力R'分別為Al2O3陶瓷的2.16倍和1.82倍，而裂紋擴(kuò)展阻力R""分別為Al2O3陶瓷的1.23倍和1.37倍，這與熱震實(shí)驗(yàn)中殘余強(qiáng)度的結(jié)果一致。復(fù)合材料優(yōu)良的抗熱震性能主要來自于應(yīng)

6、力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g和微裂紋增韌機(jī)制。 采用Al2O3、Al2O3/15vol％ZrO2(2Y)和Al2O3/15vol％ZrO2(3Y)復(fù)合材料制備了陶瓷刀具，并研究了對(duì)45＃淬硬鋼的切削加工性能。所選定的刀具幾何參數(shù)為：γ0=-5°，α0=5°，Kr=75°，λs=-5°，rε=0.8mm，γ01=-15°，br=0.5mm。在v=290m/min，αp=0.5mm，f=0.1mm/r切削條件下，研究了3種不同陶瓷刀具的耐磨性能。

7、Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的切削性能明顯優(yōu)于Al2O3材料，其中Al2O3/15vol％ZrO2(3Y)材料耐磨性最佳。這說明該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高溫性能，適合淬硬鋼的干式切削。陶瓷刀具刀刃磨損后不同部位的顯微組織分析表明，該材料的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和粘結(jié)磨損。切屑和刀具磨損表面的能譜成分分析表明，擴(kuò)散磨損影響極小。 采用一元線性回歸方法對(duì)Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具的耐用度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，求解出