（机械制造及其自动化专业论文）烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织结构演变模拟研究.pdf

烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织结构 演变模拟研究牛 摘要 陶瓷刀具以其较高的硬度、良好的耐磨性和高温稳定性，已经成为高效 高精密加工的重要刀具之一但是陶瓷刀具材料的断裂韧度仍偏低，其力学 性能的高低主要取决于微观组织结构，为此有必要对陶瓷刀具材料的微观组 织结构进行模拟和优化设计，为进一步提高陶瓷刀具材料的断裂韧度提供理 论指导 本文利用m o n t ec a r l op o t t s t g 型模拟烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织 结构演变，系统研究了m o n t ec a r l op o t t s ；l 型的模拟算法，提出了新的h - f m o n t ec a r l o 模拟算法，并进行了实验验证。 研究了m o n t ec a r l op o t t s 模型及m o n t ec a r l o 模拟算法，提出了h - f m o n t ec a r l o 模拟算法，该算法首先对随机选择的当前晶格点阵进行晶粒边 界判断，仅对处于晶粒边界上的晶格点阵进行重新取向尝试，提高了模拟 效率。基于微软公司开发的v i s u a lc h 6 0 平台，利用c + + 语言，对h - fm o n t e c a r l o 算法和r - zm o n t ec a r l o 算法进行编程，开发了h - fm o n t ec a r l o 模拟 算法程序饵- fm c s p i ) 和r - zm o n t ec a r l o 模拟算法程序( r - zm c s p ) ，并对 微观组织结构演变过程进行了模拟。结果表明，h - fm o n t ec a r l o 模拟算法 的模拟效率明显高于r - zm o n t ec a r l o 模拟算法的模拟效率。当晶粒取向q 值为9 0 、1 5 0 或2 0 0 时，可有效消除晶粒粗化现象，当晶粒取向q 值为2 0 0 和晶格点阵尺度为5 0 0 5 0 0 时，具有良好的模拟效果。 建立了两相陶瓷刀具材料微观组织结构演变的m o n t ec a r l op o r t s 模型， 该模型考虑了材料体系的晶界能和两相材料之间的相互扩散。创新性地采用 具有一定的初始平均晶粒半径的仿真区域作为模拟烧结过程微观组织结 本研究得到了国家杰出青年科学基金资助( 5 0 6 2 5 5 1 7 ) 山东大学博士学位论文 构演变模拟的初始组织，利用开发的h - fm c s p i i 模拟程序，考虑材料体系 中晶界能比例、初始粉末形状及含量对模拟结果的影响，在规则单元和非规 则单元的条件下模拟了烧结过程中两相陶瓷刀具材料微观组织结构的演变。 结果表明，具有相同晶界能的基体相之间，较易扩散，晶粒生长快；第二相 颗粒对基体相晶粒生长具有阻碍作用，第二相含量越大，对基体相晶粒生长 的阻碍作用越强；两相之间的晶界能增大时，第二相对基体相晶粒生长的阻 碍作用减弱。采用非规则单元模拟的微观组织结构更接近实验烧结时陶瓷刀 具材料的微观组织结构形貌。 建立了烧结过程中含有气孔、液相和烧结助剂时陶瓷刀具材料微观组织 结构演变的m o n t ec a r l op o r t s 模型，在开发的h - fm c s p i 和h fm c s p i i 的基 础上，对含有气孔、液相和烧结助剂时陶瓷刀具材料微观组织结构演变进行 了模拟。结果表明，单相和两相陶瓷刀具材料致密度随模拟时间的变化趋势 及两种刀具材料的致密度基本相同，两相陶瓷刀具材料的平均晶粒半径始终 低于单相材料的，液相的存在可以促进致密化过程。烧结助剂对基体相晶粒 的生长具有较强的钉扎作用，明显阻碍晶粒的生长。在相同的模拟时间内， 不含气孔时刀具材料模拟的平均晶粒半径大于含有气孔时刀具材料的平均 晶粒半径。平均晶粒半径均随模拟时间的增加而增大。 建立了模拟时间和实际保温时间之间的关系模型，建立了烧结温度、 烧结压力和微观组织结构演变之间的关系，并将其耦合到模拟程序中，实 现了考虑烧结工艺参数时烧结过程中陶瓷刀具材料微观组织结构演变的模 拟。结果表明，模拟后的陶瓷刀具材料平均晶粒半径随模拟时间的增加而 增大，利用温度因子法模拟的平均晶粒半径随温度升高而增大，模拟的平 均晶粒半径随压力的升高而增大，但是烧结压力对晶粒生长的影响程度小 于烧结温度的影响，这与实际实验结果基本吻合，证明了模型的正确性。 在考虑气孔、液相和烧结助剂的条件下，模拟了烧结过程中单相和两 相舢2 0 3 基陶瓷刀具材料微观组织结构的演变，并进行了实验验证。结果表 明，单相和两相a 1 2 0 3 基陶瓷刀具材料平均晶粒直径的模拟值略低于实测 值，其主要原因是将m g o 作为惰性粒子，仅考虑了其钉扎作用，忽略了液 相引起的颗粒重排问题，假设模拟前的粉末之间存在晶界能，仅考虑晶界 i 摘要 扩散而忽略了其它扩散方式等。刀具材料平均晶粒直径的模拟值和实测值 之间的误差率仅为1 2 1 1 8 2 ，可认为具有较高的模拟精度，证明了模拟 方法的正确性，为设计陶瓷刀具材料、优化烧结工艺参数和刀具力学性能 奠定了基础。 关键词：陶瓷刀具；刀具材料；m o n t ec a r l op o t t s 模型；计算机模拟；微观 组织结构演变模拟 山东大学博士学位论文 s i m u l a t i o ns t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no f c e r a m i ct o o lm a t e r i a l sd u r i n gf a b r i c a t i o n t h ea d v a n c e dc e r a n 1 i ct o o l sh a v eb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc u t t i n g t o o l sa p p l i e di nh i g l le f f i c i e n c ya n dp r o c i s i o nm a c h i n i n gb e c a u s eo fi 忸h i 曲 h a r d n e s s , g o o d w e a i r e s i s t a n c ea n de l e v a t e d - t e m p e r a t u r ea n 吐捌删 h o w 翻v e r , t h e6 鼍c t l | t o u g h n e s so fc e r a m i ct o o l si sl o w a tt h ep r e s e n tt i m ea n d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f c e r a m i ct o o l sa r og o v e r n e db y i t sm i c r o s t r o c t u r e i n o r d e rt op r o v i d et h et h e o r yg u i d ef o rt h ei m p r o v e m e n ti nt h ef r a c t u r et o u g h n e s s , i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os i m u l a t ea n do p t i m i z et h em i c r o s 劬c t u r eo f c e r a m i ct o o l m a t e r i a l s t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nf o r t h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l sd u r i n g f a b r i c a t i o nh a sb e e ns i m u l a t e dw i t ht h em o n t ec a r l op o r t sm o d e l t h en o v e l h - fm o n t ec a r l os i m u l a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h es y s t e m i c r e s e a r c ho ft h ep r e s e n tm o n t ec a r l op o r t ss i m u l a t i o na l g o r i t h ma n dv e r i f i e db y e x p e r i m e n t s i nt h eh - fm o n t ec a r l os i m u l a t i o na l g o r i t h m , ag r a i nl a t t i c ei sr a n d o m l y c h o s e ni ns i m u l a t i o ns p a c ef i r s t l y , a n dt h e nt h eg r a i nl a t t i c ew h i c hl i e si nt h e g r a i nb o u n d a r yi su s e dt oa t t e m p ta n o t h e rr e o r i e n t a t i o n s o , t h eh - fm o n t e c a r l os i m u l a t i o na l g o r i t h mh a sm o r ee f f i c i e n c yt h a nt h ep r e s e n tm o n t ec a r l o s i m u l a t i o na l g o r i t h m t h eh - fm c s p ia n dr - zm c s ps o i t w a r eh a v ed e v e l o p e d w i t hv i s u a lc + + c o m p i l e ra n dc + + p r o g r a ml a n g u a g eo nt h eb a s eo f h - fm o n t e c a r l o a l g o r i t h m a n dr - zm o n t ec a r l o a l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nh a sb e e ns i m u l a t e dw i t ht h eh - fm c s p ia n dr - z m c s p t h es i m u l a t i o ne f f i c i e n c yo f h fm o n t ec a r l oa l g o r i t h mi sr e m a r k a b l y s u p p o r t e db y n a t i o n a lo u t s t a n d i n gy o u n gs c h o l a rs c i e n c ef o u n d a t i o no f n s f c ( 5 0 6 2 5 5 1 7 ) x h i 曲e rt h a nt h a to fr - zm o n t ec a r l oa l g o r i t h m t h eg r a i nc o a r s e n i n ge f f e c ti s e l i m i n a t e dw h e nt h eg r a i no r i e n t a t i o nv a l u eqi se q u a lt o9 0 , 1 5 0a n d2 0 0 r e s p e c t i v e l y t h es a t i s f y i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb eg a i n e dw h e nt h eg r a i n o r i e n t a t i o nqa n dt h el a t t i e os i z es p a c e 黜2 0 0a n d5 0 0 x5 0 0r e s p e c t i v e l y t h em o n t oc a r l op o t t sm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h em i e r o s l r u e t u r ee v o l u t i o no f t l a et w o - p h a s oe e r m i et o o lm a t e r i a l sh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h em o d e lc o n t a i n s a nb o u n d a r ye n e r g yi nt h em a t e r i a ls y s t e ma n dt h ed i f f u s i o nb c t w c e l lt l a em a t r i x a n dt l a es e c o n d - p h a s em a t e r i a l t h es i m u l a t i o ns p a c ew 铷ht h ei n i t i a lg r a i nr a d i u s i sa d o p t e dc r e a t i v e l ya tt h eb e g i n n i n go ft h es i m u l a t i o nf o rt l a em i e r o s t n t e t u r o e v o l u t i o nd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no f t l a ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l s t h em i c r o s t r u e t u r c o v o l u t i o no f t w o - p h a s ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l si ss i m u l a t e dt r a d e rt h er e g u l a ra n d i r r e g u l a rc e l lc o n d i t i o nw i t ht h ed o v e l o p e dh - fm c s p i is i m u l a t i o ns o t t w a r e a t t h es 锄et i m e , t l a ep r o p o r t i o no fg r a i nb o u n d a r ye n e r g y , t h ei n i t i a ls h a leo f p o w d e r sa n dc o n t e n t s 撇e o m i d e r 既1 i ti ss h o w n t h a tt h em a t r i xw l a i e l ah a st l a o f l a l t l eg r a i nb o l m d a r ye n e r g yd i f f u s e se a s i l ye a c ho t h e r , a n dt h eg r a i ng r o w sf a s t t h es e e o r l dp a r t i c l e sc a ni n h i b i tt l a em a t r i x 舯i nf r o mg r o w i n g , a n dt h e i n h i b i t a t i o nf l m c t i o ni n e r e 燧e sw i t h 锄i n c r e m e n ti nt h ec o n t e n to fs e c o n d p a r t i c l e s h o w e v e r , t h ei n l f i b i t a t i o nb ys e c o n dp h a s ep a r t i c l e sd e c r e a s e sw i t ha n i n c r e m e n ti nt h eb o u n d a r ye n e r g yb e t w e e nt h em a l r i xa n dt h es e c o n dp h a s e t h e s i m u l a t e dm i e r o s t r u t u r et h a ta d o p t st h ei r r e g u l a rc e l li si n o l 呛s i m i l a rw i t ht h a to f t h er e a lc e r d l l l i ct o o lm a t e r i a l st h a nt h es i m u l a t e dm i e r o s t r u t u r et h a ta d o p t st h e r e g u l a re e l l t h em o n t ec a r l op o t t sm o d d , w h i e l ac a l ls i m u l a t et h em i e r o s t r u e t u r o e v o l u t i o nf o rt h ec e r d m i c t o o lm a t e r i a l sc o n t a i n i n gp o r e s , l i q u i dp h a s ea n d a d d i t i v e sd u r i n gf a b r i c a t i o n , h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h em i e r o s t r u e t u r ee v o l u t i o n f o r t h oc e r a m i ct o o lm a t e r i a l sc o n t a i n i n gp o r e s ，l i q u i dp h a s ea n da d d i t i v e sd u r i n g f a b r i c a t i o ni sb i m u l a t e do nt h eb a s eo ft h ed e v e l o p e dh - fm c s p ia n dh - f m c s p i is i m u l a t i o ns o t t w a r e i ti ss h o w nt h a tb o t l lt h ec l a a n g et r e n do ft h e d e n s i f i e a t i o nw i t l lt h es i m u l a t i o nt i m ea n dt h ed e n s i f i e a t i o no ft h es i n g l o - a n d t w o - p h a s ec e r a n l i ct o o lm a t e r i a l sd u r i n gf a b r i c a t i o ni ss i m i l a r t h em e a ng r a i n x v 山东大学博士学位论文 r a d i u so ft h et w o - p h a s ec e l a m i ct o o lm a t e r i a l si sa l w a y sl o w e rt h a nt h a to ft h e s i n g l e - p h a s ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l s 卫他l i q u i dp h a s eb e n e f i t st h ed e m i f i e a t i o n d u r i n gf a b r i c a t i o n n 坞a d d i t i v e sp i nt h eg r a i ng r o w t hs t r o n g l ya n di m p e d et h e g r a i ng r o w t hs i g n i f i c a n t l y a tt h es a m es i m u l a t i o nt i m e ，t h es i m u l a t e dm e a n g r a i nr a d i l l l sw i t h o u tt h ep o r e si sl a r g e rt h a nt h a tw i t ht h ep o r e s t h em o a ng r a i n r a d i u si n c r e a s e sw i t l a i n c r e m e n ti nt h es i m u l a t i o nt i m e 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i m u l a t i o nt i m ea n dr e a ld u r a t i o nt i m ei 8 e s t a b l i s h e d 1 1 ”r e l a t i o n s h i p b e t w nf a b r i c a t i o n t e m p e r a t u r o a n dt h e m i e r o s m a e m r ee v o l u t i o na n dr o l a t i o m h i pb e t w e e nf a b r i c a t i o np r e s s u r ea n dt h e m i e r o s m l e t u r ee v o l u t i o na 聪a l s oe s t a b f i s h e da n di n c o r p o r a t e di n t ot h e s i m u l a t i o np r o g r a m 1 1 他m i e r o s t r u e t u r ee v o l u t i o no fc e r a m i ct o o lm a t e r i a l si s s i m u l a t e dw i t ht h ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o n 1 1 地s i m u l a t e d n 嵋龇g r a i nl a d i l u si n c r e a s e sw i t hm i n c r e m e n ti nt h os i m u l a t i o nt i m e t h e s i m u l a t e dm e a ng r a i nr a d i u sa l s oi n c r e a s e sw i t hmi n c r e m e n ti nt h ef a b r i c a t i o n t e m p e r a t u r eu s i n gt h et e m p e r a t u r ef a c t o r a n dt h es i m u l a m tm e a ng r a i nl a d i u s i n c r e a s e sw i t h 舭i n c r e m e n ti nt h ef a b r i c a t i o np r e s s u r e ，h o w e v e r ，t h ee f f e c to f t h e f a b r i c a t i o np i e s s u i e0 1 1t h eg r a i ng r o w t hi sl o w e rt h a nt h a to ft h ef a b r i c a t i o n t e m p e r a t u r e 1 1 s i m u l a t i o nm o d e li sd e s i r a b l eb e c a u s et h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t ht h ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v ea c o n s i s t e n tw i t ht h ep r a c t i c a l e x p e r i m e n tr e s u l t s 1 1 m i e r o s t r u e t u r oe v o l u t i o no f s i n g l e - a n dt w o - p h a s ea 1 2 0 3 m a t r i xc e r a m i c t o o lm a t e r i a l si ss i m u l a t e du n d e rt h es i m u l a t i o ns p a c ec o n t a i n i n gp o r e s ，l i q u i d p h a s ea n da d d i t i v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r i f i e d i ti ss h o w nt h a tt l a o s i m u l a t e dl n c a ng r a i nd i a m e t e ri ss l i g h t l yl o w e rt h a nt h em e a 飘栅i n t 5 a ng r a i n d i a m e t e r , t h i si sb e c a u s et h a tt h em g oi st r e a t e d 勰i n e r tp a r t i c l e st op i nt h eg r a i n g r o w t ho n l y , t h er e a r r a n g e m e n to f p a r t i c l e sc a u s e db yt h el i q u i dp h a s ei so m i t t e d , t h eg r a i nb o u n d a r ye n e r g yi sa s s u m e dt ol i ea m o n gt h ei n i t i a lp o w d e r s 砒t h e b e g i n n i n go fs i m u l a t i o n , t h eg r a i nb o u n d a r yd i f f u s i o ni so n l yc o n s i d e r e da n d o t h e rk i n d so fd i f f u s i o n sa mn e g l e e t e d e t c b e e a u s ot h ec i t o i r a t i o so ft h e s i m u l a t e dm e a ng r a i nd i a m e t e ra n dt h em e a s u r e dm e a ng r a i nd i a m e t e ro f c e r a m i c x t o o lm a t e r i a l s 缸eo n l yf r o m1 2 1 t o1 8 2 t h es i m u l a t i o np r e c i s i o ni sh i g h e n o u g ht ob ea c c e p t e d t h es i m u l a t i o no ft h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l sl a y sa f o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gt h en e wc e r a m i ct o o lm a t e r i a l sa n do p t i m i z i n gt h e f a b r i c a t i o np a r a m e t e r sa n dm e c h a n i c a lp i o p e m o f c e r a m i ct o o lm a t e r i a l s k e y w o r d s ：c e l * a m i ct o o l s ，t o o lm a t e r i a l s ，m o n t ec a r l op o r t sm o d e lc o m p u t e rs i m u l a t i o n , s i m u l a t i o no f m i c r o s u u c t m ee v o l u t i o n x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：杰鼬 日期： 、i 2 7 乒驴 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立邋_ 导师签看趣壅日论文作者签名：至鼬导师签名：霓鱼兰 日 第1 章绪论 1 1 陶瓷刀具材料的研究现状 陶瓷材料具有高硬度、耐磨性、化学稳定性及优良的耐高温性等，被广 泛应用于各个领域，特别是作为金属切削的一种重要的工具，近几十年来 得到了广泛的应用。金属切削目前仍是零件成型最主要的加工手段之一， 在制造业中占有十分重要的地位近几十年来，随着数控技术及切削刀具 的不断发展，金属切削技术取得了长足的发展，尤其是高速切削技术，已 在航空航天、汽车、模具等重要的制造领域得到广泛应用【1 1 。高速切削可使 单位时间内材料切除率提高3 - 5 倍，使加工效率大幅度提高，加工成本明 显降低( - - i 降低2 0 5 0 ) ，加工精度和表面质量显著提高( 加工精度可提 高1 - 2 级，加工表面质量可提高1 - 2 级) 世界各国对高速切削技术十分重 视，纷纷投入大量人力物力进行研究，在高速切削理论、刀具材料及刀具 技术等方面做了大量的研究工作，高速切削技术得以迅速推广应用高速 切削已成为切削加工的发展方向，在可预见的时期内，高速切削将成为切 削加工的主流，也是先进制造技术最重要的共性技术之一。 但高速切削也带来了许多在常规金属切削中未遇到的问题，如g 切削 温升随切削速度的变化、刀具磨损等，都发生了较为显著的变化。因此， 研究和开发适用于高速切削的刀具，推动高速切削的应用，有着极为重要 的意义。 陶瓷的常温硬度和高温硬度均优于硬质合金，其高温弹性模量也高于 硬质合金，且在高温下其化学稳定性和抗扩散磨损的能力高于w c 、t i c 。 这些性能使得陶瓷刀具可在2 0 0 - 1 0 0 0 r e r a i n 的切削速度范围内加工软钢、 淬硬钢、铸铁、合金以及复合材料。陶瓷刀具主要应用于车削、镗削和端铣 等精加工和半精加工工序。最适宜加工淬硬钢、高强度钢与高硬度铸铁，切 削效果比硬质合金显著提高。我国在陶瓷刀具研究方面有一定优势，研发水 平与国际相当，有的品种国外没有 2 1 ，如陶瓷一硬质合金复合刀片、梯度功 能陶瓷刀具等。 山东大学博士学位论文 陶瓷刀具作为一种先进的切削刀具，在生产中应尽可能选用较大的切 削速度，其应用前景非常广泛。在德国约7 0 0 , 6 的铸件加工采用陶瓷刀具； 在日本陶瓷刀具占可转位刀具总量的8 1 0 ；国际上陶瓷刀具不仅用于 普通机床，而且已作为一种高效、稳定可靠的刀具应用在n c 机床及自动 化生产线上【3 1 。 陶瓷刀具在现代加工中的地位日趋显著，但陶瓷刀具固有的脆性限制 了其应用范围，提高陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧度，改善其在加工过程 中的可靠性已经成为进一步扩大陶瓷刀具使用范围的关键。为改善陶瓷刀 具的抗弯强度和断裂韧度，国内外学者提出了多种增韧补强机理，如颗粒 增韧、相变增韧、晶须增韧、协同增韧以及纳米增韧等，但是其增韧的幅 度有限，如何从根本上解决陶瓷刀具的脆性问题，是目前研究的热点之一 陶瓷刀具材料按组分可以分为氧化铝系、氮化硅系、复合氮化硅氧化 铝系三大类；按组分的尺度可分为微米复合陶瓷刀具材料和纳米复合陶瓷刀 具材料。其中氧化铝系和氮化硅系是在氧化铝或氮化硅基体中分别加入氧化 物、氮化物、硼化物、碳化物等烧结而成的。而s i 3 n 4 - a 1 2 0 3 - y 2 0 3 复合陶瓷 ( s i a l o n ) 。是后来研制成功的一种新型复合陶瓷。同时新型陶瓷刀具不断出 现，如晶须增韧陶瓷刀具、相变增韧陶瓷刀具、硬质合金陶瓷复合刀具、 梯度功能陶瓷刀具、硬质合金粉末涂层陶瓷刀具等【2 舢】。 i i 1 氧化铝基陶瓷刀具材料 氧化铝基陶瓷刀具材料是以氧化铝作为基体材料，加入m g o 、n i 、m o 等作为烧结助剂，加入其他一些添加相如t i c 、1 悄、a i n 、t i b 2 、w c 等经 热压烧结制得。国外目前开发的朋2 0 3 基陶瓷刀具的牌号多达5 0 多种m ， 主要牌号有s n 和n 两大系列，其中以日本、美国、英国、俄罗斯和德 国的陶瓷刀具发展较快：国内的舢2 0 3 基陶瓷刀具发展也较迅速，已有的牌 号已达2 0 多种【8 】，主要牌号有：l t 3 5 、l t 5 5 、s g - 3 、s g - 4 、s g - 5 、j x 1 、 j x 一2 、l p 、l d 、f g 、f h 、f 1 陀、a t 6 、a g 2 、g 5 m 和t r m m 系列等，国 内开发的a 1 2 0 3 基陶瓷刀具，同国外相比性能相当。a 1 2 0 3 基陶瓷刀具的化 学稳定性好、耐热、耐磨性能优异且价格低廉，所以目前在所使用的陶瓷刀 2 具所占的比例较大，可用于对淬硬钢、铸铁等高速加工 1 1 2 氮化硅基陶瓷刀具材料 s i 3 n 4 基陶瓷刀具是除a 1 2 0 3 基陶瓷刀具以外开发应用最多的刀具，其 主要特点是，具有较高的抗弯强度和断裂韧度。它包括纯s i 3 n 4 陶瓷和以氮 化硅为基体的添加其它碳化物( t i c ) 或金属( c o ) 制成的复合氮化硅陶瓷刀具， 以及赛阿龙( s i 3 n 4 + a 1 2 0 3 ) 。 国外已开发的s i 3 n 4 基陶瓷有3 0 多种【9 1 0 , 1 1 , 1 2 】，其中以日本和美国开发 的居多，主要牌号有：k a y o n 2 0 0 0 、k a y o n 3 0 0 0 、q u a n t u m 5 0 0 0 、s i a l o x 2 0 0 l 、 s l l 0 0 ：s l 2 0 0 、s x 8 、f x 9 2 0 、c c 6 8 0 和c c 6 9 0 ；国内也开发了一些s i 3 n 4 基陶瓷刀具，但发展并不快，牌号较少，主要牌号有：s t 4 、s n m 8 8 、t p 4 、 s c 3 、s m 、h s 7 8 、f t 8 0 和f 8 等。微米s i 3 n 4 基陶瓷刀具的硬度相对较低， 且在高温加工钢件的过程中，刀具材料与工件材料的化学匹配性较差，即 s i 3 n 4 和f e 存在较大的亲和力，高速加工产生的高温会加剧s i 3 n 4 和钢件的 化学作用及元素扩散，使s i 3 n 4 刀具磨损加剧，这就大大的限制了微米s i 3 n 4 陶瓷刀具的加工范围，目前微米s i 3 n 4 陶瓷刀具主要适合加工铸铁和镍基合 金【1 3 1 。因此刀具品种尚不如a 1 2 0 3 基陶瓷刀具多。 1 1 3 纳米微米复合陶瓷刀具材料 为了提高陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧度，改善其在加工过程中的可 靠性，从而进一步扩大陶瓷刀具的使用范围，加入纳米相，制得纳米微米 复合陶瓷刀具材料是目前最好的解决方法之一 纳米体系属于宏观和微观之间的介观概念，其尺度范围为l 1 0 0 n m 之 间。纳米材料是指组成相中至少有一相晶粒尺寸小于1 0 0 n m 的材料 1 4 1 5 1 。 纳米材料具有以下三个特征：尺寸小于1 0 0 r i m 的原子区域( 晶粒或相) 、显 著的界面原子数和组成区域间的相互作用。按照组成相的数目，可将纳米 材料分为纳米相材料和纳米复合材料，前者是指由单相纳米颗粒组成的固 体，而后者则是指由两相或多相构成的固体，其中至少有一相处于纳米级。 山东大学博士学位论文 纳米复合陶瓷材料为纳米复合材料中的一种，是指通过有效的分散、复合、 烧结而使异质相纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基体中而制备的材料。 新原皓- - 1 6 】首先进行了大量高性能纳米复相陶瓷的研究，其研究表明 纳米复相陶瓷具有较高的抗弯强度。利用纳米技术和纳米材料开发纳米陶 瓷刀具，是现代陶瓷刀具开发、研究的热点之一。但由于纳米技术和纳米 材料出现时间较短，应用该技术开发出的刀具产品较少国内山东大学宋 世学【1 7 】开发的a 1 2 0 3 t i c 纳米复合陶瓷刀具，其抗弯强度、断裂韧度和硬度 分别为1 0 5 0 m p a 、8 9m p a - m 崛和2 1 1 g p a 。这种陶瓷刀具适用于连续切削 淬火钢和铸铁，并且比同组分的微米基刀具( l t 5 5 ) 连续切削淬火钢的能 力提高了l 2 倍，性能价格比远高于l t 5 5 ，可以作为l t 5 5 的换代刀具。 仝建峰等人【1 s 】研制的纳米s i c - a 1 2 0 3 t i c 新型陶瓷刀具，在热压温度 1 7 0 0 ，压力3 0 m p a ，保温、保压时间为6 0 m i n 时，力学性能较好；合肥 工业大学的纳米t i n 、a i n 改性的面c 基金属陶瓷刀具制造技术通过鉴定， 标志着利用纳米材料制作的新型金属陶瓷刀具问世，该种刀具是一种高技 术含量和高附加值的新型刀具，在切削加工领域可以取代y g 8 、y t l 5 等硬 质合金刀具，刀具寿命提高2 倍以上，生产成本与y g 8 刀具相当或略低。 文献 1 9 】用s i 3 n 4 s i c p 复相陶瓷材料研制的s n s 陶瓷刀片具有优异的性能， 其耐磨性及抗冲击性均优于硬质合金，及国内领先的h d m - 3 陶瓷刀具，抗 冲击性尤为出色。文献【2 0 】报道的s i 3 n 4 a 1 2 0 3 t i c - y 2 0 3 陶瓷刀具材料硬度 达3 0 g p a ，断裂韧度达9 3 m p a - m 抛。邹斌【8 1 开发了具有优异切削性能新型 自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分 别为9 7 8 6 8 m p a 、9 6 m p a m 忱和1 8 0 0 g p a 。这些陶瓷刀具材料开发成功为 纳米微米陶瓷刀具推广应用奠定了坚实的基础。 1 1 4 陶瓷刀具材料的制备工艺 陶瓷刀具材料的制备工艺一般包括以下几个步骤： ( 1 ) 粉体的制备和分散 陶瓷刀具材料是以高纯度的微米或纳米粉为原料，这些粉体一般是用 物理方法或化学方法制备【2 1 - 3 0 l 。为了把基体粉末和添加相及烧结助剂充分 4 第1 章绪论 混合( 即混料) 和消除超细粉末在储藏、运输等环节产生的团聚现象，某 些团聚会导致坯体内形成大孔，影响最后烧结体微观组织结构的均匀性和 材料性能，因此粉末原料需要进行分散。 分散一般是通过球磨来实现，球磨可分为干球磨和湿球磨。混料过程 中为了保证混合均匀一般用酒精或去离子水作为球磨介质进行湿球磨；此 外，球磨还起到了进一步细化粉末的作用。球磨一定时间的料浆经真空干 燥后，再干磨、过筛制得可用于制备陶瓷刀具材料的粉末原料 ( 2 ) 装料 按照欲制备刀片的厚度要求，将一定质量的粉末原料装入模具中，同 时为了减少空隙率，烧结前预加一定的压力，形成素坯；最后，将装入素 坯的模具放入热压烧结炉中，为烧结做好准备。 ( 3 ) 烧结 陶瓷刀具材料的烧结是指在一定温度和压力下，经过一定的保温时间， 坯体发生显微结构的变化，粉料之间发生相互扩散，并伴随着体积收缩， 密度升高，形成具有一定强度、硬度和韧度的刀具材料的过程。烧结是制 备陶瓷刀具材料的关键步骤之一通过烧结，不仅使材料致密，而且力学 性能也得到提高。由于烧结是在固相间或者固相和液相间进行，材料的密 度、晶粒大小和气孔尺寸及其分布等参数同时发生变化，且相互影响，所 以烧结过程十分复刹3 。在烧结过程中，如果烧结温度足以使一些粉末融 化，这种烧结为液相烧结。 烧结过程是把细分的颗粒系统烧结成为一个致密的多晶体，是由高能 状态向低能状态过渡的过程，其自由能的降低是烧结过程的驱动力【3 2 1 。 烧结制备的陶瓷刀具材料经过切割、