新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究

发布时间：2016-11-13 13:49

  本文关键词：新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究，由笔耕文化传播整理发布。

《山东大学》 2015年

新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究

刘玥  

【摘要】：本文针对Ti(C,N)基陶瓷刀具硬度低的缺点,研制了具有较好力学性能和高硬度的新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具,系统研究了Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具的微观组织、室温力学性能、烧结机理、增硬机理、高温抗弯强度及其可靠性、切削性能等。研制了Ti(C,N)-TiB2-WC和Ti(C,N)-TiB2-(W,Ti)C金属陶瓷刀具材料,研究了其室温力学性能和微观组织的变化规律。结果表明,在烧结温度为1600℃,烧结压力32MPa,保温60 min的烧结工艺下,TiB2颗粒含量为20wt.%、金属相晶粒Ni、Mo为纳米级时,Ti(C,N)-TiB2-WC刀具材料的综合力学性能较好。当升温速率和烧结温度较高,或者当升温速率和烧结温度较低时,Ti(C,N)-TiB2-(W,Ti)C刀具的力学性能最优,最佳烧结温度为1585℃至1620℃。在90℃/min的升温速率下,烧结温度为1620℃,保温时间为60min,烧结压力为32MPa时,刀具TB20TW (Ti(C,N)-20wt.%TiB2-(W,Ti)C)的力学性能最优,其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为946MPa,7.4MPa-m1/2和22.9 GPa。在升温速率为50℃/min,烧结温度为1585℃,保温时间为60min,烧结压力为32MPa时,刀具TB30TW (Ti(C,N)-30wt.%TiB2-(W,Ti)C)的力学性能最优,其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为1406MPa,6.6 MPa-m1/2和21.9 GPa。在Ti(C,N)-TiB2-(W,Ti)C金属陶瓷刀具材料中发现了同时含有TiB2和Ti(C,N)两种“芯-壳”结构的微观组织,TiB2的“芯-壳”结构是由于烧结过程中B和Mo原子的扩散而形成了环形相B4MoTi固溶体,Ti(C,N)的“芯-壳”结构是由于烧结过程中Mo和W原子向Ti(C,N)中扩散而形成了环形相(Ti,W,Mo)(C,N)固溶体。研究了Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具的烧结机理,建立了该刀具材料烧结扩散模型,研究结果表明,壳层增厚速度随着烧结温度的升高而增大,随着扩散时间的延长而先增大后降低。研究了新型Ti(C,N)基复合陶瓷刀具的增硬机理,建立了Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具残余应力模型。研究结果表明,残余压应力场的综合作用提高了刀具材料的硬度,Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具的主要增硬机理是TiB2“芯-壳”结构的增硬效应以及TiB2与Ti(C,N)之间的高硬度化学键结合作用。研究了温度对Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具抗弯强度的影响规律和高温抗弯强度的随机分布规律,建立了Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具高温抗弯强度的分布函数和可靠度函数。根据高温抗弯强度的研究结果,确定Ti(C,N)-TiB2-(W,Ti)C为切削刀具。在高于800℃时,该刀具的高温抗弯强度迅速衰减,主要原因是氧化侵蚀引起的微观组织损坏、金属相高温软化、界面结合强度降低、弹性模量降低和残余压应力释放。陶瓷刀具TB20TW和TB30TW在800℃时的抗弯强度分布服从威布尔分布,且威布尔分布模数较大,高温抗弯强度的离散性小于室温抗弯强度。在800℃时,取可靠度为0.9时,TB30TW的抗弯强度为720MPa, TB20TW的抗弯强度为688MPa。通过三维切削有限元分析确定了Ti(C,N)基陶瓷刀具连续湿式切削马氏体不锈钢17-4PH的切削用量范围。研究了陶瓷刀具TB20TW和TB30TW连续湿式切削马氏体不锈钢17-4PH时的切削性能。结果表明,切削速度对刀具磨损寿命的影响最大。当切削速度为150m/min、切削深度为0.25mmm、进给量为O.1mm/r时,TB20TW和TB30TW的刀具磨损寿命最长,分别为140min和170min。研究了陶瓷刀具TB20TW和TB30TW磨损形式和磨损机理。结果表明,刀具的主要失效形式是后刀面磨损,主要磨损机理是氧化磨损、沟槽磨损、扩散磨损和粘结磨损。

【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG711
【目录】：

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本文编号：173182