原位合成晶須增韌納米陶瓷刀具及其磨損破損行為研究

中文摘要

本項目克服傳統晶須增韌和納米顆粒增韌的缺點，擬採用原位合成技術，在微米或納米基體材料上，利用價格低廉的晶須先驅體直接合成分散均勻的晶須，使晶須原位生長過程和陶瓷刀具燒結過程同時進行，充分發揮原位合成晶須增韌補強和納米顆粒增韌補強的協同作用，研製具有優良力學性能的新型陶瓷刀具。系統研究原位分散合成晶須的生長機理和控制晶鬚生長數量及質量的製備技術。研究原位分散合成晶須增韌補強和納米顆粒增韌補強的協同作用機理，揭示其增韌補強的特殊規律。研究原位分散合成晶須和納米顆粒界面力學行為的特殊性及其與陶瓷刀具力學性能、磨損破損行為和切削可靠性的關係。建立原位分散合成晶須增韌納米陶瓷刀具切削可靠性和刀具組分、微觀結構、力學性能之間的力學模型。原位合成晶須增韌納米陶瓷刀具的研製成功必將擴大現有陶瓷刀具的加工範圍，提高陶瓷刀具的切削可靠性，促進高速切削技術的發展，具有重要的理論意義與實際套用價值。

結題摘要

本研究採用碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具材料的方法，研製了Ti(CxN1-x)系晶須和LTW系列新型陶瓷刀具。提出了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具材料的設計思路，對碳熱還原合成晶須、晶鬚生長機理、材料力學性能、微觀組織、增韌補強機理、切削性能等進行了系統研究。提出了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具材料的設計方案和碳熱還原合成碳氮化鈦系晶須的設計方案。研究了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具材料粉末的製備。研製成功了三種碳熱還原合成晶須，即TiC0.3N0.7、TiC0.5N0.5和TiC0.7N0.3，為碳氮化鈦系晶須增韌陶瓷刀具材料粉末的製備奠定基礎。研究了碳熱還原合成碳氮化鈦系晶須的生長機理。提出了碳氮化鈦晶須的氣-固(VS)生長機理，建立了碳氮化鈦晶須的氣-液-固與氣-固微觀生長機理模型。研究了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具的製備工藝及力學性能。研製成功了LTW310(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.3N0.7)w)，LTW510(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.5N0.5)w)和LTW710(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.7N0.3)w)等多種新型刀具材料。其中LTW310的力學性能為抗彎強度752.5MPa，斷裂韌度8.83MPa•m1/2，硬度21.9GPa。LTW510的力學性能為抗彎強度812.9MPa，斷裂韌度7.64MPa•m1/2，硬度20.0GPa。LTW710的力學性能為抗彎強度753.8MPa，斷裂韌度8.12MPa•m1/2，硬度20.2GPa。並研究了LTW系列新型陶瓷刀具的力學性能與微觀組織之間關係。研究了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具材料的增韌補強機理，建立了Ti(C,N)p和Ti(C,N)w協同增韌模型。研究表明，Ti(C,N)w與Ti(C,N)p協同增韌補強為主要增韌機制，納米顆粒增韌補強為輔助增韌機制。研究了碳熱還原合成晶須增韌陶瓷刀具的切削性能。連續切削淬硬40Cr合金鋼的切削速度達到600m/min，斷續切削淬硬45#鋼的切削速度達到300m/min。LTW系列刀具與LT55刀具的抗磨損和抗破損性能良好且相當。刀具磨損以前刀面月牙窪磨損和後刀面犁溝狀磨損為主，破損以前刀面貝殼狀剝落和刀刃碎斷為主要失效形式。

原位合成晶須增韌納米陶瓷刀具及其磨損破損行為研究

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