《氮化硼納米管增韌陶瓷刀具及其高效切削性能研究》是依託山東大學，由劉含蓮擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氮化硼納米管增韌陶瓷刀具及其高效切削性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉含蓮
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
研究新型高性能陶瓷刀具是高效高質量切削高溫合金、高強度鋼等難加工材料亟待解決的關鍵問題之一。鑒於氮化硼非碳納米管具有超強力學性能、極高的縱橫比、高導熱性、高溫化學穩定性等特點，提出將新型一維材料氮化硼納米管用於複合陶瓷刀具的研究。通過對刀具材料體系設計、工藝最佳化、增韌補強機理的系統研究，研製出具有優良高溫力學性能和切削性能的新型納米管增韌陶瓷刀具，並套用於難加工材料的高效乾式切削。深入研究納米管材料的特殊增韌機制，建立增韌補強機理模型；系統研究新型陶瓷刀具的失效機理，建立基於刀具失效機理的刀具壽命與刀具材料高溫力學性能和切削用量之間的力學模型、工件材料去除率與切削用量之間的最佳化模型，最佳化出最佳切削工藝參數，指導實際套用。新型高性能納米管增韌陶瓷刀具的研製成功必將極大提高難加工材料的切削效率和刀具壽命，對提升我國刀具技術的自主創新能力和先進加工技術的進步具有重要的理論意義和實際套用價值。
結題摘要
本項目提出了將新型一維材料氮化硼納米管（BNNTs）作為複合陶瓷刀具材料的增強相，成功製備了新型高性能Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具並研究了相關增韌補強機制。通過研究，最佳化出了以模板法製備多壁氮化硼納米管的最佳工藝；實現了氮化硼納米管的均勻分散；通過最佳化組分和燒結工藝製備了兩種新型刀具材料：Al2O3/BNNTs以及Ti(C,N)/BNNTs複合陶瓷刀具材料，其中氮化硼納米管複合Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的抗彎強度得到顯著提高；結合微觀形貌分析，研究了一維材料氮化硼納米管複合陶瓷刀具材料的增韌補強機制；研究了氮化硼複合陶瓷刀具的切削性能及刀具失效機理。該研究對新型一維材料增強陶瓷刀具的研發與套用具有重要的指導意義。 研究了模板法製備多壁氮化硼納米管的具體工藝，以碳納米管(CNTs)作為模板，實驗最佳化並分析了反應溫度、反應時間和反應壓力對BNNTs形貌的影響。最佳化的具體工藝為：使用30ml的反應釜，CNTs的含量定為0.5g，壓力為30MPa，反應溫度為600℃，反應時間15h，此時獲得的產物在750℃左右空氣氣氛中氧化即可獲得所需的BNNTs。 確定了氮化硼納米管的分散方法，最佳化後決定採用油酸銨功能化BNNTs分散法並結合超聲處理解決納米管纏繞問題，以使納米管均勻分散，利於達到更好的增韌補強效果。 通過材料設計，確定了Al2O3 和Ti(C,N)兩種基體及其他添加組分的刀具材料體系。重點研究了BNNTs含量及燒結工藝對Al2O3基和Ti(C,N)基陶瓷刀具材料力學性能和微觀組織的影響，其中當BNNTs含量為0.5wt%～1.5wt%時，在燒結溫度為1500℃、保溫時間為30min和燒結壓力為32MPa的燒結工藝下，Ti(C,N)基複合刀具材料TMNB0.5的綜合力學性能最好，其抗彎強度、維氏硬度和斷裂韌度分別為1785MPa、18.49GPa和5.69MPa.m1/2，尤以抗彎強度的提高最為顯著，該成果已獲得授權國家發明專利。 對一維氮化硼納米管複合陶瓷刀具的增韌補強機理分析認為，其增韌補強機理為裂紋偏轉、裂紋分叉、晶粒橋聯、斷裂方式改變和殘餘應力增韌等。 對比研究了氮化硼複合Ti(C,N)基陶瓷刀具連續切削奧氏體不鏽鋼時的切削性能，最佳化了切削參數，刀具主要磨損機理為粘結磨損、擴散磨損、氧化磨損和磨粒磨損。
