TiB2/Ti(C0.5,N0.5)/Al2O3复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究

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在现有的研究中,看到往TiB2基体中单独添加Ti(C,N)金属陶瓷可以提高抗弯强度,断裂韧性却较低,而仅添加Al2O3陶瓷断裂韧性得到一定提高,而抗弯强度下降。介于以上的研究,本文提出往TiB2中同时添加Al2O3与Ti(C0.5,N0.5)及粘结剂[Ni,Mo]的方法,采用真空热压烧结工艺,成功研制出新型TiB2基复合陶瓷刀具TiB2一Ti(C0.5,N0.5)(BTA0)和TiB2一Ti(C0.5,N0.5)一Al2O3(BTA1-BTA10),并对常温力学性能、显微结构和增韧机理、摩擦磨损性能、切削性能等四个方面展开研究。(1)实验对TiB2/Ti(C0.5,N0.5)/Al2O3复合陶瓷刀具材料的添加项Al2O3、粘结剂[Ni,Mo]含量、烧结温度与保温时间进行了优化,并研究其对力学性能、物相组成和微观结构的影响。研究表明,生成物中有金属间化合物Ni4Ti3、NiTi产生,使TiB2/Ti(C0.5,N0.5)/Al2O3复合陶瓷刀具材料韧性得到明显增强。TiB2/Ti(C0.5,N0.5)/Al2O3复合陶瓷刀具材料随Al2O3、粘结剂[Ni,Mo]添加量以及烧结温度的增加其抗弯强度与断裂韧性先增加后再下降,抗弯强度与断裂韧性随保温时间的增加而下降,TiB2/Ti(C0.5,N0.5)/Al2O3复合陶瓷刀具材料的最佳配比和烧结工艺对应的四种材料是BTA1、BTA5、BTA6、BTA10,其对应的致密度分别是98.6%、99.3%、99.5%、98.7%,抗弯强度分别是779MPa、897MPa、806MPa、846MPa,断裂韧性分别是8.81MPa·m1/2、9.71MPa·m1/2、8.85MPa·m1/2、9.20MPa·m1/2,维氏硬度分别是20.27GPa、20.03GPa、21.05GPa、20.85GPa。(2)Al2O3颗粒在烧结过程中可以有效抑制基体晶粒的长大,减少材料内部孔洞和微裂纹的产生,起到细化晶粒的作用。粘接剂[Ni,Mo]含量能显著提高复合陶瓷材料的致密度以及充分地润湿材料的晶界,增强晶粒之间的结合强度,但当含量过多时,材料内部发生团聚现象,导致力学性能下降。随烧结温度增加时,粘接剂[Ni,Mo]的活性逐渐增加,致密度得到提高。保温时间60min时,致密性良好,硬质相尺寸均一、分布均匀,但粘结相晶粒有发生了团聚现象存在,导致力学性能下降。(3)对不含Al2O3颗粒的BTA0以及力学性能较好的BTA1、BTA5、BTA10复合陶瓷材料在干滑动摩擦条件下与GCr15轴承钢球在同一载荷和转速下进行对磨。结果表明:材料的摩擦系数从大到小为BTA1、BTA0、BTA10、BTA5。复合材料的摩擦表面发生氧化磨损,并有润滑膜TiO2、B2O3产生,说明复合陶瓷材料在高速摩擦条件下具有自润滑效果。(4)将具有优异力学性能且具有较好抗磨损性能的BTA5、BTA10刀片对45#淬火钢进行连续切削实验,同时与YBC251数控刀片进行比较。结果表明:当切削深度和进给量不变时,三种刀片的切削速度从50m/min增加到为90m/min时,同一切削路程下刀具的后刀面磨损量、切削力变小,因此切削速度为90m/min时在使用寿命变长,主要是因为切削速度提高时,加工区域的温度随着上升,刀具材料中有润滑膜TiO2、B2O3产生,从而达到润滑效果。三种刀具失效形式主要为扩散磨损、粘结磨损、微区脆性剥落与磨粒磨损,刀具耐磨性能从高到低依次为BTA5、BTA10、YBC251。
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