超细晶粒Ti（C，N）基金属陶瓷组织与性能及其刀具切削行为的研究

论文摘要

本文采用粉末冶金法制备了不同成分及粒度的Ti（C, N）基金属陶瓷材料和刀具。研究了粉末粒度、球磨工艺、晶粒生长抑制剂、渗硼处理对Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和性能的影响。并研究了几何角度对Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削性能的影响。介绍了Ti（C, N）基金属陶瓷的发展过程、制备方法、显微组织、力学性能、抗热震性能和切削性能。其中，重点概述了金属陶瓷的制备方法，包括混料、成形和烧结方法，总结了Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织特征、力学性能的测试方法，并指出了化学成分、粉末粒度和制备工艺对Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的具体影响。介绍了渗硼技术的发展过程、方法及工艺和渗硼层的组织特点。其中，对几种常见的渗硼方法及其优缺点和各类材料的渗硼层组织特点进行了重点概述。另外，还介绍了金属切削有限元模拟技术的发展概况和应用价值。分析和总结了本文的研究目的和意义。研究了硬质相粉末粒度对Ti（C, N）基金属陶瓷组织和力学性能的影响。结果表明，与采用微米TiC制备的金属陶瓷材料相比，用纳米TiC制备的材料晶粒更细小，硬质相与粘结相的分布更均匀；以“纳米TiC+微米TiN”为硬质相粉末制备的材料中形成一种粗大的“灰芯-灰壳”结构晶粒，这种晶粒的形成是由微米TiN与纳米TiC颗粒在液相中的饱和溶解度存在巨大差异所引起；以“微米TiC+纳米TiN”和“纳米TiC+纳米TiN”制备的金属陶瓷分别具有最好的综合力学性能和最高的硬度。研究了球磨工艺对Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响。研究发现在球料比较小、球磨时间较短或球磨转速较低的条件下，金属陶瓷材料中形成一种灰芯结构晶粒；球料比的增大使硬质相晶粒逐渐细化，组织趋于均匀，而材料的相对密度降低。适当增大球料比有利于提高材料的抗弯强度和硬度，改变球料比对断裂韧性影响不大；球磨时间的增加使组织趋于均匀，硬质相晶粒细化。随着球磨时间的增加，相对密度和硬度呈先增大后减小趋势，并都在球磨时间为11h时达最大值。增加球磨时间使抗弯强度和断裂韧性升高；增大球磨转速使组织的均匀程度提高，但不能细化硬质相晶粒。随球磨转速的增大，相对密度和硬度先增大后减小，断裂韧性逐渐升高。研究了晶粒生长抑制剂对Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响。发现添加VC、Cr3C2以及复合添加VC/Cr3C2都使金属陶瓷的晶粒细化，但也导致材料的相对密度降低。VC添加量为1.5%时，硬质相晶粒最细。随着VC添加量的增加，抗弯强度和断裂韧性先升高后降低，并且都在VC添加量为1%时达到最大值。硬度随VC添加量的增加而先降低后升高，在VC添加量为1%时达到最小值；添加1.5%Cr3C2时，金属陶瓷的晶粒最细。添加金属陶瓷的抗弯强度、硬度和断裂韧性都随Cr3C2添加量的增大而呈现先升高后降低的趋势，抗弯强度和断裂韧性都在Cr3C2添加量为1%时达到最大值，硬度在Cr3C2添加量为1.5%时达到最大值；添加0.75VC-0.25Cr3C2时，金属陶瓷的晶粒最细。添加0.25VC-0.75Cr3C2时，材料的抗弯强度和硬度达到最大值，添加0.5VC-0.5Cr3C2时，断裂韧性达到最大值。研究了渗硼处理对Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织、力学性能、抗热震性能以及切削性能的影响。研究发现经渗硼后，Ti（C, N）基金属陶瓷表层形成由硼化物层、扩散层和基体区组成的渗硼层组织，厚度约为100140μm；渗硼处理使金属陶瓷的抗弯强度降低39.8%，表面硬度升高48.7%；渗硼处理使金属陶瓷的热震残留强度降低，使金属陶瓷表面的热震裂纹扩展速率增大。在热震温差较小的条件下，渗硼金属陶瓷缺口裂纹的孕育期长于未渗硼金属陶瓷；渗硼金属陶瓷刀具在较低切削速度（vc=200m/min）下的使用寿命明显长于未渗硼刀具，而在较高切削速度（vc=300、400m/min）下的使用寿命比未渗硼刀具短。利用有限元模拟和切削实验的方法研究了几何角度对纳米TiN改性和超细晶Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削性能的影响。结果表明，增大前角使主切削力、前刀面及后刀面的最大等效应力、最高温度值和磨损程度减小，并且，前角为-5°时的前、后刀面最高温度值和磨损程度最小；增大后角使主切削力、前刀面及后刀面的最高温度值和磨损程度减小，后角的变化对前、后刀面的最大等效应力影响不大；两种金属陶瓷刀具的最佳前角和后角都分别为：-5°和11°，超细晶Ti（C, N）基金属陶瓷刀具的使用寿命明显比纳米TiN改性Ti（C, N）基金属陶瓷刀具长。切削实验与有限元模拟方法得出的结果吻合较好，从而验证了有限元模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ti（C, N）基金属陶瓷的发展概况
• 1.3 Ti（C, N）基金属陶瓷的制备方法
• 1.3.1 Ti（C, N）基金属陶瓷的混料
• 1.3.2 Ti（C, N）基金属陶瓷的成形方法
• 1.3.3 Ti（C, N）基金属陶瓷的烧结方法
• 1.3.3.1 真空烧结
• 1.3.3.2 气氛烧结
• 1.3.3.3 压力烧结
• 1.3.3.4 放电等离子烧结
• 1.3.3.5 自蔓延高温合成
• 1.4 Ti（C, N）基金属陶瓷的显微组织和力学性能
• 1.4.1 Ti（C, N）基金属陶瓷的显微组织特征
• 1.4.2 Ti（C, N）基金属陶瓷的力学性能及其测试方法
• 1.4.2.1 抗弯强度
• 1.4.2.2 硬度
• 1.4.2.3 断裂韧性
• 1.4.3 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响因素
• 1.4.3.1 化学成分对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 1.4.3.2 粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 1.4.3.3 制备工艺对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 1.5 Ti（C, N）基金属陶瓷的抗热震性能
• 1.5.1 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的研究方法
• 1.5.2 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的影响因素
• 1.6 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具
• 1.6.1 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具的性能特点
• 1.6.2 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具应用的现状和前景
• 1.7 渗硼技术
• 1.7.1 渗硼技术的发展概况
• 1.7.2 渗硼的方法和工艺
• 1.7.2.1 渗硼方法
• 1.7.2.2 渗硼工艺
• 1.7.3 渗硼层的组织及特性
• 1.7.3.1 渗硼层的组织形态
• 1.7.3.2 渗硼层的特性
• 1.7.4 渗硼技术的发展趋势与展望
• 1.8 金属切削有限元模拟技术的发展概况
• 1.9 本文研究的目的和意义
• 第二章 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 试样的制备及测试方法
• 2.2.1 试样的制备
• 2.2.2 性能测试
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷物相的影响
• 2.3.2 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 2.3.2.1 TiC 粒度对金属陶瓷显微组织的影响
• 2.3.2.2 TiN 粒度对金属陶瓷显微组织的影响
• 2.3.3 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 2.3.3.1 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响
• 2.3.3.2 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响
• 2.3.3.3 硬质相粉末粒度对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 球磨工艺对 Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试样的制备及性能测试
• 3.2.1 试样的制备
• 3.2.2 性能测试
• 3.3 球料比对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 3.3.1 XRD 物相分析
• 3.3.2 球料比对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 3.3.3 球料比对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 3.3.4 球料比对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 3.3.4.1 球料比对抗弯强度的影响
• 3.3.4.2 球料比对硬度的影响
• 3.3.4.3 球料比对断裂韧性的影响
• 3.4 球磨时间对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 3.4.1 XRD 物相分析
• 3.4.2 球磨时间对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 3.4.3 球磨时间对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 3.4.4 球磨时间对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 3.4.4.1 球磨时间对抗弯强度的影响
• 3.4.4.2 球磨时间对硬度的影响
• 3.4.4.3 球磨时间对断裂韧性的影响
• 3.5 球磨转速对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 3.5.1 XRD 物相分析
• 3.5.2 球磨转速对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 3.5.3 球磨转速对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 3.5.4 球磨转速对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 3.5.4.1 球磨转速对抗弯强度的影响
• 3.5.4.2 球磨转速对硬度的影响
• 3.5.4.3 球磨转速对断裂韧性的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 晶粒生长抑制剂对 Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试样的制备及性能测试
• 4.2.1 试样的制备
• 4.2.2 性能测试
• 4.3 VC 对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 4.3.1 不同 VC 添加量的 Ti（C, N）基金属陶瓷的物相分析
• 4.3.2 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 4.3.3 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 4.3.4 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 4.3.4.1 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响
• 4.3.4.2 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响
• 4.3.4.3 VC 添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响
• 3C₂对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响'>4.4 Cr₃C₂对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 3C₂添加量的 Ti（C, N）基金属陶瓷的物相分析'>4.4.1 不同 Cr₃C₂添加量的 Ti（C, N）基金属陶瓷的物相分析
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响'>4.4.2 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响'>4.4.3 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响'>4.4.4 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响'>4.4.4.1 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响'>4.4.4.2 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响'>4.4.4.3 Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响
• 3C₂对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响'>4.5 VC/Cr₃C₂对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响
• 3C₂添加量的 Ti（C, N）基金属陶瓷的物相分析'>4.5.1 不同 VC/Cr₃C₂添加量的 Ti（C, N）基金属陶瓷的物相分析
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响'>4.5.2 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷相对密度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响'>4.5.3 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响'>4.5.4 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响'>4.5.4.1 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响'>4.5.4.2 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响
• 3C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响'>4.5.4.3 VC/Cr₃C₂添加量对 Ti（C, N）基金属陶瓷断裂韧性的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷组织和性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 试样及刀具的制备
• 5.2.2 渗硼处理
• 5.2.3 组织分析和力学性能测试
• 5.2.4 渗硼试样的抗热震性能实验
• 5.2.5 切削实验
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷显微组织的影响
• 5.3.1.1 Ti（C, N）基金属陶瓷渗硼试样的 XRD 分析
• 5.3.1.2 Ti（C, N）基金属陶瓷的渗硼层组织
• 5.3.2 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷力学性能的影响
• 5.3.2.1 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗弯强度的影响
• 5.3.2.2 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷硬度的影响
• 5.3.3 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的影响
• 5.3.3.1 急冷-强度法测试渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的影响
• 5.3.3.2 压痕-急冷法测试渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的影响
• 5.3.3.3 预制缺口法测试渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷抗热震性能的影响
• 5.3.4 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削性能的影响
• 5.3.4.1 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具后刀面磨损及切削性能的影响
• 5.3.4.2 渗硼对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具前刀面磨损的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 几何角度对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 金属切削变形理论
• 6.2.1 金属切削的变形区
• 6.2.2 切削变形程度的表示方法
• 6.3 刀具的磨损和破损
• 6.3.1 刀具的磨损
• 6.3.1.1 刀具的磨损形式
• 6.3.1.2 刀具的磨损过程
• 6.3.1.3 刀具的磨钝标准
• 6.3.1.4 刀具的磨损机理
• 6.3.2 刀具的破损
• 6.4 金属切削过程的刚粘塑性有限元理论
• 6.4.1 刚粘塑性材料流动基本方程
• 6.4.2 刚粘塑性有限元的变分原理
• 6.5 金属切削过程中的热力耦合分析
• 6.5.1 切削加工传热问题的基本理论
• 6.5.2 热力耦合分析的基本方程
• 6.6 金属切削过程有限元模拟的关键问题
• 6.6.1 切屑的分离和断裂
• 6.6.2 自适应网格重划分技术
• 6.7 有限元模型的建立
• 6.7.1 几何模型的建立
• 6.7.2 材料模型的建立
• 6.7.2.1 工件材料模型
• 6.7.2.2 刀具材料模型
• 6.7.3 摩擦模型的建立
• 6.7.4 磨损模型的建立
• 6.7.5 切削有限元模型的建立
• 6.7.5.1 几何模型转变为有限元网格模型
• 6.7.5.2 材料性能参数设置
• 6.7.5.3 边界约束条件设置
• 6.7.5.4 增量步长的设置
• 6.7.6 切削有限元模型的切削用量及参数设置
• 6.8 切削实验
• 6.9 前角对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削过程的影响
• 6.9.1 前角对切削力的影响
• 6.9.2 前角对刀具应力分布的影响
• 6.9.3 前角对刀具温度分布的影响
• 6.9.4 前角对刀具磨损的影响
• 6.9.4.1 前角对刀具磨损影响的有限元分析
• 6.9.4.2 前角对刀具磨损影响的实验分析
• 6.10 后角对 Ti（C, N）基金属陶瓷刀具切削过程的影响
• 6.10.1 后角对切削力的影响
• 6.10.2 后角对刀具应力的影响
• 6.10.3 后角对刀具温度分布的影响
• 6.10.4 后角对刀具磨损的影响
• 6.10.4.1 后角对刀具磨损影响的有限元分析
• 6.10.4.2 后角对刀具磨损影响的实验分析
• 6.11 本章小结
• 第七章 全文主要结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文