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(机械电子工程专业论文)纳米改性金属陶瓷刀具几何参数和切削用量优化.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
绝鲞堕丝金属陶瓷刀具几何参数和切削用量优化 摘要 本论文从提高t i c 基金属陶瓷的切削性能着手,在制备刀片时,添加纳米粉 以细化和均化晶粒,从而提高其强度和硬度和韧性;然后分别检测金属陶瓷和 w c 基硬质合金( y t l 5 ) 的摩擦系数,从切削过程基本理论的角度来说明金属陶瓷 刀具材料的磨损特性。 在大量单因素切削实验的基础上,求出了纳米金属陶瓷刀具使用寿命与切削 用量关系的t a y l o r 公式,并分析了切削用量与刀具几何参数对刀具使用寿命的影 响。根据连续切削4 5 钢后刀具的磨损形态和特征,探讨了纳米金属陶瓷切削4 5 钢时的磨损机理; 在断续切削4 5 钢实验的基础上,分析了刀具刃区的负倒棱对刀具破损寿命 的影响。 最后利用正交实验和回归分析建立了刀具使用寿命的数学模型,优化了刀具 几何参数和切削用量,为纳米金属陶瓷刀具材料的实际应用打下了基础。 关键词:纳染金属面刀i 切肖毹 几何参数优化刀具使用寿命 圣 o p t i m i z a t i o no fg e o m e t r i c a la n dc u t t i n gp a r a m e t e r s f o rt i t a n i u mc e r m e tt o o lm o d i f i e db yn a n o t i n a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v ec u t t i n ga b i l i t yo ft i t a n i u mc e r m e tt o o l ,t h i st h e s i sr e s e a r c h e s o nt h em e t h o do fa d d i n gn a n o - t i ng r a i ni n t ot i t a n i u mc e r m e tf o rt h ep u r p o s eo f t h i n n i n g a n dh o m o g e n i z i n gc r y s t a l l o i d g r a i no f t i t a n i u m c e r m e t s ot h a tt h e s t r e n g t h ,h a r d n e s s ,a n dt o u g h n e s so ft h em a t e r i a la r ea m e l i o r a t e d t h e nt h ef r i c t i o n c o e m c i e n to ft i t a n i u mc e r m e ta n dy t l5a r et e s t e da n dt h ew e a r i n gp r o p e r t i e so f t i t a n i u mc e r m e tt o o lm o d i f i e db yn a n o t i ni sa n a l y z e db a s i n go nt h ec o n s i d e r a t o no f t h eb a s i ct h e o r yo f t h ec u t t i n gp r o c e s s o n l yc o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo fs i n g l ef a c t o l t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h et a y l o r f o r m u l ae x p r e s s i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt o o l l i f eo ft i t a n i u mc e r m e tt o o lm o d i f i e db y n a n o - t i na n dc u t t i n gp a r a m e t e r st h r o u g hal a r g en u m b e ro fc u t t i n ge x p e r i m e n t s i n t h em e a n w h i l e ,t h ea u t h o ra n a l y z et h ee f f e c to f g e o m e t r i c a la n dc u t t i n gp a r a m e t e r so n t o o ll i f e w e a rm e c h a n i s mo ft i t a n i u mc e r m e tt o o lm o d i f i e db yl l a n o t i nd u r i n g c u t t i n gs t e e l4 5i sd i s c u s s e do nt h eb a s i so fw e a rc o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f t h ec u t t i n gt o o id u r i n gc o n t i n u o u sc u t t i n gs t e e l4 5 a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft 0 0 1 1 i r eo ft h ec u t t i n gt o o l i s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fo r t h o t i ce x p e r i m e n t sa n dr e g r e s s i n ga n a l y s i s g e o m e t r i c a l a n d c u t t i n gp a r a m e t e r sf o rt i t a n i u mc e r m e tt o o lm o d i f i e db yn a n o t i na r eo p t i m i z e ds o t h a taf o u n d a t i o no fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fm a t e r i a l so ft i t a n i u mc e r m e tt 0 0 1 m o d i f i e db yn a n o t i ni sl a i d k e yw o r d s :n a n o ,t i t a n i u mc e r m e t ,c u t t i n gt o o l ,c u t t i n gp a r a m e t e r , g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r ,o p t i m i z a t i o n ,t o o ll i f e 致谢 值此论文完稿和即将完成硕士学业之际,谨向我的导师张崇高教授致以深深 地谢意! 论文的每一步进展都浸透了张老师的心血和汗水。感谢她三年来对我悉 心的关心和培养,导师崇高的思想境界,严谨的治学态度,渊博的理论知识,宽 厚谦和的处世态度将令我深受教育并终身难忘! 衷心地感谢谢锋副教授在学习期间给予的支持和帮助。 衷心地感谢切削实验室的杨海东、邢天元老师;摩擦所实验室的全体老师 他们在我做实验的过程中给予了许多无私的帮助。 衷心地感谢研9 9 - 4 班的全体同学在学习和生活上所给予的帮助。 衷心地感谢家人长久以来在背后的默默支持。 衷心地感谢所有关心、帮助和鼓励过我的朋友们 符号清单 正应力( 不含5 2 1 2 中所指) 剪应力( 切应力) 钝圆半径 倒棱宽度 摩擦系数 剪切角 摩擦角 楔角 一前角 后角 主偏角 刃倾角 负倒棱角 切削速度 进给量 背吃刀量 刀具使用寿命 月牙洼磨损值 后刀面平均磨损宽度 后刀面最大磨损宽度 切削温度 扩散激活能 极差 布氏硬度 维氏硬度 洛氏硬度 i | | | | | ;| | | ;| ;| | | h , n 旷m 一” “ 肌 肌 肌 ”轧“ k 几 卟l 眦h n n 胍肌删 插图清单 图2 一l 超声对纳米t i n 粉分散效果的影响 图2 2 测试力学性能试样 图2 3 纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷组织( s e m ) 图2 - 4 纳米t i n 添加量对金属陶瓷抗弯强度的影响 图2 5 纳米t i n 添加量对金属陶瓷断裂韧性的影响 图2 6 纳米t 埘添加量对金属陶瓷硬度的影响 图3 一l 切削变形区的划分 图3 2 刀刃附近应力分析 图3 3 刀屑接触区正应力o 和切应力t 的分布特点 图3 - 4 刀工摩擦示意图 图3 5 摩擦系数测量原理图 图3 - 6 测试摩擦系数试样 图3 7 摩擦力矩( m ) 值 图4 1 纳米金属陶瓷刀片 图4 2 上压式机夹可转位刀具装配图 图4 3 不同切削速度v c 时的刀具磨损曲线, 图4 - 4 不同进给量f 时的刀具磨损曲线 图4 5 不同背吃刀量。时的刀具磨损曲线 图4 - 6 不同刀具干切削4 5 钢的磨损曲线 图4 7 车刀的典型磨损形态 图4 _ 8 刀具后刀面磨损测量的位置 图4 - 9 前刀面磨损形态 图4 1 0 纳米金属陶瓷刀具车削4 5 钢后的磨损形态 图4 1 l 后刀面磨损区表面形貌( s e m l 0 0 0 ) 图4 一】2 不同前角对刀楔内应力状态的影响 图4 1 3 叫。时刀具受力简图 图4 1 4 纳米金属陶瓷切削4 5 钢时前角对刀具使用寿命的影响 图4 1 5 不同刀具后角对刀具使用寿命的影响 图4 1 6 刀具刃区倒棱示意图 图4 1 7 工件横断面形状 图5 1k 值与各因素的关系 图5 2 最优回归方程输出的计算值 图5 3 最优回归方程残差图 图5 - 4 最优回归方程的单因素与双因素曲线图 他 m h m儒加甜甜娩抖弭巧筋拍m m m m 捌伍琊舶m m m 邻“熨舶 表格清单 表1 一l 各种刀具材料的发展简况 表2 1 纳米t i n 粉各成分含量 表2 2 纳米t i n 改性金属陶瓷试样成分 表3 - l 摩擦系数实验数据 表4 - 1 纳米金属陶瓷刀片组成成分 表4 2 纳米金属陶瓷单因素切削实验的切削用量及其刀具使用寿命 表4 3 不同v ,时的刀具使用寿命 表4 - 4 不同f 时的刀具使用寿命 表4 - 5 不同a 。时的刀具使用寿命 表4 - 6 锋刃刀片在各种进给量下经受的冲击次数n 表4 - 7 进给量仁0 3 m m r 时各负倒棱前角能经受的冲击次数n 表4 8 仁0 1 m m 各倒棱宽度对于各一y 。所对应的冲击次数n 表4 - 9f = o 2 r a m 各倒棱宽度对于各一y 。所对应的冲击次数n 表5 1 纳米陶瓷刀具使用寿命实验因素水平表 表5 2l 2 5 ( 5 ) 正交表 表5 - 3 纳米陶瓷刀具正交切自0 实验结果 表5 - 4 正交实验结果的极差分析 表5 5 回归方程模型数据 表5 - 6 置信度c 1 = 0 1 时各回归方程的评价指标 2他控抖” 卯 船勰的 扣 ” 舵舵钙们铉舛 第一章刀具材料概述 1 1 刀具材料的发展简史 金属切削加工的发展史,从某种意义上说,可归结为刀具材料的发展史。 刀具材料的发展史,实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程。 1 8 世纪后半期,采用碳素钢作车刀。由于耐热性很低( 2 0 0 左右) ,切钢 时的切削速度仅为6 1 0 m r a i n ,切铸铁的速度为3 - 5 m m i n ,用碳素工具钢车刀 镗削瓦特蒸汽机的个大汽缸的孔和端面用去2 7 5 个工作同。1 8 6 1 年英国人 r 莫歇特( r o b e r t m u s h e t ) 制成含钨的合金工具钢。1 8 9 8 年美国人w 泰罗 ( w i n s l o wt a y l o r ) 和m 怀特( m a u n s e lw h i t e ) 研制成了高速钢。最初的高速钢含 钨8 ,含铬3 6 ,切削速度达到1 2 m m i n ,1 9 0 6 年确定的高速钢最佳成份为: c0 6 7 、w 1 8 9 l 、c r 5 4 7 、m n o 1 l 、v 0 2 9 ,其余为f e ,从1 9 0 0 年到 1 9 2 0 年,出现了添加钒和钴的高速钢,使耐热性提高到5 0 0 6 0 0 ,同时还出 现了铸造钴基合金( 斯太立特合金) ,使切钢的切削速度达到了3 0 4 0 m m i n , 切铸铁的切削速度达到1 5 2 0 m m i n ,在2 0 多年的发展过程中,切削速度提高 了近6 倍。高速钢的出现,引起了会属切削加工的革命,大大提高了金属切削 的生产率,并彻底要求改变机床的结构,以适应这种新刀具材料的切削性能要 求。 h 1 1 9 2 5 年德国人k 史律太尔( k s c h r o t e r ) 发明了硬质合瓮。最初研制的 是w c c o 合金,唰热性达到了8 0 0 ,切削速度提高到4 0 m m i n 以上。这种合 余加工铸铁时效果很好,加工钢的使用寿命却很低,到了1 9 3 1 年,出现了在 w c c o 合金中添加t i c 的合金,即w c t i c c o 合金,其耐热性达到9 0 0 以上,切削钢时的切削速度达到2 2 0 m m i n ,这就是况,在这4 0 年间,由于 刀具材料耐热性的提高,切削速度提高了近4 0 倍,切削钢类硬质合金的出现, 进一步完成了从w c c o 合金丌始的机械加工车间的刀具革命。 在现代使用的硬质合金中,由于制造质量提高和添加了熔点更高的碳化物 t a c 、n b c 等) ,制成了w c t i c - n b c ( t a c ) 一c o 合金,或在硬质合金表层涂 有t i c ,t i n 等的涂层硬质合会及t i c n i m o 合金等,耐热性提高到1 0 0 0 一1 1 0 0 以上,使切削速度进一步提高。 近几十年,由于陶瓷刀具在1 2 0 0 1 4 5 0 高温下尚能进行切削y 并且可用 切削速度v = 5 0 0 1 0 0 0 n f f m i n 进行工作,使陶瓷刀具的研制成为刀具材料研究 的热点。 目前国外高速加工时,占主导地位的车削速度在3 0 5 m m i n 到9 1 5 m r a i n 之 日j ,加工铸铁用陶瓷刀具,加工铜件用陶瓷,硬质合金和涂层硬质合金刀具。 表1 - 1 符种刀具材料的发腱简况 年代刀具材料蜊热性( ) 切削速度大致比 值 1 8 5 0 碳素工具钢 2 0 0 2 5 0o 3 2 o 4 0 1 8 6 8 低合金工具钢 3 0 0 4 0 00 4 8 0 6 0 1 9 0 0 高速钢 5 5 0 6 0 01 0 0 1 2 0 1 9 1 5 铸造钴基合金7 0 0 8 0 01 2 0 1 6 0 1 9 2 8 钻高合金 5 5 0 7 0 01 6 0 2 0 0 1 9 2 3 1 9 2 5 w c c o 合金 8 0 0 3 。2 0 4 8 0 1 9 2 9 1 9 3 1 w c t i c c o 合金 9 0 0 4 0 0 8 0 0 1 9 3 0 1 9 3 1 w c t a c c o 硬质合金 1 9 3 2 w c t i c t a c c o 硬质合 1 0 0 0 1 1 0 06 0 0 1 0 o o 金 1 9 3 8 a 1 2 0 3 陶瓷 1 2 0 0 8 0 0 1 2 0 1 9 5 4 会属陶瓷 2 1 1 0 0 1 0 m o ( c r ) 】 1 2 常用刀具材料简介及主要发展方向 1 、碳素工具钢 碳素工具钢是指含碳量为o 6 5 1 3 5 的优质高碳钢,最常用的牌号是 t 1 2 a ,这类钢由于耐热性很差( 2 0 0 2 5 0 。c ) ,允许切削速度很底,只适宜做 一些手动工具。 2 、合金工具钢 合金工具钢是指含铬、钨硅、铝等合会元素的低合金钢种,最常用的牌号 是9 s i c r ,c r w m n 等,合金工具钢有较高的埘热性( 3 0 0 4 0 0 。c ) 可以允许有 较高的切削速度工作:此外,合金工具钢淬透性较好,热处理变形较小,耐磨 性较好,因此可以用于截面积较大,要求热处理变形较小,对耐磨性及韧性有 一定要求的低速切削刀具,如扳牙、丝锥、铰刀、拉刀等。 以上两类钢作为刀具材料的使用量都很少。 3 、高速钢 高速钢是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合会元素的高合金工具钢,常 用的牌号有w 18 c r 4 v ,w 6 m 0 5 c r 4 v 2 等,高速钢具有优良的综合性能,是使 用得较多的一种刀具材料。 4 、铸造钴基合会( 斯太立特合金) 铸造钴基合金是一种含有i 3 碳和数量不等的钴、钨、铬、钒等成份的 高钴基合金。常用成份c 1 8 3 0 ,c 0 3 8 5 3 ,c r 2 4 3 3 ,w 1 0 2 2 , 这种材料具有高的耐热性( 与高速钢相比) 和抗弯强度( 与硬质合金相比) ,其 常温硬度虽不及高速钢,但高温硬度较高,故有较好的切削性能。铸造钴基合 金适用于其切削速度对高速钢刀具来漉太高,但对硬质合金来说又太低的场合, 例如在多刀加工的机床上使用特别有利( 常常是把刀支配其余刀具的切削速 度) 。 铸造钴基合金不象硬质合金那样容易崩刃,适于切槽和切断这样一些工序, 它能够加工多种合金和非金属工件,如铸铁和可锻铸铁、合会钢、不锈钢、镍 和钛合金、铝、黄铜和青铜、石墨和塑料等。 5 、硬质合金 硬质合余是由难熔金属碳化物( w c ,t i c 等) 和金属粘结剂( 如c o ) 的粉末 高温下烧结而成的,硬质合金可分为w c 基和t i c 基两大类。我国最常用的碳 化钨基硬质合金有钨钴类( 如y g 8 等) 和钨钛钴类( 如y t 3 0 、y t l 5 、y t 5 等) ,由n i 粘结的t i c 基硬质合金也称为金属陶瓷是本文重点研究的刀具材料。 6 、陶瓷 刀具陶瓷是以a 1 2 0 3 为基本成份存高温下烧结而成的陶瓷,最近几年也发 展了以氮化硅为基本成分的陶瓷。 ( 1 ) 氧化铝基陶瓷 1 。纯a 1 2 0 3 陶瓷:这类陶瓷的a 1 2 0 3 纯度在9 9 9 以上,采用热压制成, 其密度多在3 9 4 0 9 c m 3 之间,俗称自陶瓷,为了降低烧结温度,避免晶粒过 分长大,常在a 1 2 0 3 中添加少量( o 1 o 1 5 ) 玻璃氧化物,如m g o 、n i o 、t i 0 2 、 c r 2 0 3 等。添加玻璃氧化物对陶瓷的强度有好处,但高温性能却有所降低。 2 。氧化铝金属系陶瓷:为提高纯a 1 2 0 3 陶瓷的韧性,可添加某些数量 不多( 1 0 以下) 的余属,如c r 、c o 、m o 、w 、t i 等,以构成所谓金属陶瓷, 其密度都在4 1 c m 3 以上,在现在陶瓷刀具中,这类陶瓷牌号不多,出于这类 陶瓷蠕变强度低,抗氧化性能也差,故使用得较少。 3 。氧化铝碳化物系陶瓷:这类陶瓷是将百分之几到百分之几十的碳化 物添加到a 1 2 0 3 中热压( 温度1 5 0 0 1 8 0 0 ,压力1 5 0 0 3 0 0 0 m p a ) 烧结而成, 添加的碳化物有t i c 、w c 等,使用得最多的是t i c ,在a 1 2 0 3 中添加t i c 而组 成的a 1 2 0 3 一t i c 混合陶瓷( 俗称黑陶瓷) 的使用性能有很大程度的提高,我国 生产的m 1 6 、a t 6 、s g 3 、s 0 4 均属这种陶瓷,后两种还加入了w c 的成分。 4 。氧化铝碳化物金属系陶瓷,在氧化物碳化物陶瓷中添加粘 结金属,如n i 、m o 、c o 、w 等,可提高a 1 2 0 3 与碳化物的连接强度,提高其 使用性能,可用于断续切削加工和使用切削液加工的场合。 以上几种陶瓷的基本成份是a 1 2 0 3 ,故统称为a 1 2 0 3 基陶瓷。 ( 2 ) 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是以高纯度s i 3 n 4 粉术为原料,添加m g o 、a 1 2 0 3 等为助烧结剂, 进行热压成形烧结而成,它是在上世纪七十年代出现的种新刀具材料,它具 有高的硬度,耐磨性,耐热性和化学稳定性,良好的耐热冲击性能,s i 3 n 4 的显 微硬度( h v 3 0 0 0 - - 5 0 0 0 ) 很高,仅次于金刚石,立方氮化硼和碳化硼而居第四 1 电。 7 、超硬刀具材料 超硬刀具材料是指金刚石和立方氮化硼,金刚石的显微硬度达h v l 0 0 0 0 左 右,是世界上已经发现的最硬物质,比硬质合金和陶瓷刀具的硬度要高好几倍, 舍刚石具有极高的耐磨性,天然金刚石的州磨性为硬质合金的8 0 1 2 0 倍,人 造金刚石的耐磨性为硬质合金的6 0 8 0 倍。 立方氮化硼具有闪锌矿型晶体结构,属立方晶系,是一种硬度高,耐磨性 好的材料,具有很强的切削能力。超硬材料刀具的应用也将会越来越广泛。 c i r p 在1 9 9 1 年进行预测:到2 0 1 0 年,能够用精确的科学和系统的方法, 按照预定的性能发展新刀具材料,用于加工高强度钢的新刀具材料,其许用的 切削速度将5 倍于目前的陶瓷刀具。在生产条件下,切削速度可能达到 1 8 0 0 r e r a i n ,这就达到了现在磨削所使用的速度,这时的切削温度可能达到 2 0 0 0 2 2 0 0 。如果预计到2 0 0 0 年的切削速度达到2 5 0 0 m m i n 的话,切削温 度将达2 3 0 0 2 5 0 0 ,而硬质合金的共晶温度为1 3 2 0 。c ,陶瓷的烧结温度为 1 7 0 0 1 8 0 0 ,这样,目前的刀具材料成份无论怎样改进也不能满足这一要求, 而必然要发展新的刀具材料。 几十年来,新刀具材料出现的周期越来越短。例如,从高速钢发展到硬质 合会大约经过了2 5 年左右的时间,但最近却每隔几年就有重要的新刀具材料问 世,例如,近十几年来出现的涂层硬质合会和近几年的涂层高速钢刀具被誉为 是刀具材料的一次革命。它使刀具材料发展中,存在的要提高材料的硬度和耐 磨性就要降低其强度和韧性这样一个矛盾得到了适当的解决,采取了复合材料 的道路,大大提高了刀具的使用性能。会刚石刀具和立方氮化硼刀具由整体聚 晶烧结体发展到在硬质合金基底上烧结一层金刚石或立方氮化硼的复合刀片, 也是最近几年的事。 工件材料的发展,促进了刀具材料的发展。几十年来,虽然由于刀具材料 的改进和新型刀具材料的出现,使切削速度或切削加工生产率成几倍至几十倍 的增加;然而,随着宇航技术,超高温、超高压技术的发展,现代工程材料的 使用同益繁多,铁基、镍基、钴基、钛基高温合会、超高强度钢、高耐磨铸铁 ( 如含磷、硼、钒、钛、镍铬钼合会铸铁) ,红外线领域使用的材料,耐磨性极 高的工程材料及合成材料,用现有一些刀具材料加工上述材料时,刀具使用寿 命和切削加工生产率往往很低,有时甚至无法加工,而需要采用新的刀具材料。 因此,研究新型高效刀具材料,一直是机械制造工作者一项极其重要的任务。 刀具材料的主要发展方向是: 1 、改善现有刀具材料( 如高速钢、硬质合会、氮化钛基硬质合会、陶瓷材 科) 的性能,特别是提高脆性大的刀具材料的韧性。 2 、改进和提高现有复合刀具材料( 如涂层硬质合金、涂层高速铜、混合陶 瓷和超硬材料复合刀片) 的性能及发展新的复合刀具材料。 3 、发展介于现有高速钢和硬质合金和陶瓷之间的刀具材料,以利于在低速 和中速条件下进行大切削断面的糯加工和问断切削加工。 4 、发展耐热性和耐磨性介于硬质合金和陶瓷之间的刀具材料,以利于更高 的切削速度进行小切削断面的半精加工和精加工。 5 、发展既适于加工钢,又适于加工铸铁;既能高速切削,又能低速切削; 既能粗加工,又能精加工的通用刀具牌号。 6 、发展耐热,且高硬度、高强度、高耐磨性用于难加工材料加工的新型高 速钢、硬质合金及陶瓷材料。 7 、根据我国资源,发展各种新型刀具材料。 1 3 金属陶瓷刀具的发展现状 1 3 1 金属陶瓷简介 t a l l 精细陶瓷材料是继金属材料,高分子材料之后出现的第三大类材料r _ 它一 般具有弹性模量大、极不易变形、热稳定性好,高温时耐氧化性能强以及重量 轻、价格低廉等优点,但是大部分工程陶瓷材料是以离子键或共价键结合起来 的,位错的势垒很高,材料的韧性很差,在工程应用时常出现几乎没有任何征 兆的脆性断裂,因此它不能承受巨大的机械冲击,热冲击和疲劳,而且安全运 行的可靠性很差,大大限制了其丌发应用。虽然许多研究表明通过z r 0 2 相变 增韧,晶须增韧等手段可以在一定程度上提高陶瓷材料的强度和韧性,但是其 韧性仍然较低,故而陶瓷材料在工模具行业的应用仍然不广。 二十世纪五十年代,人们利用被广泛研究和利用且具有较高强度、韧性的 金属来抵消陶瓷的低韧性,也就是实现陶瓷材料和金属材料这两类材料性能优 点的复合。其途径就是进行材料的复合。最早出现的颗粒型复合材料就是由粉 术冶金方法生产的硬质合金。其代表就是诞生于1 9 2 3 年的w c c o 基硬质合 余。由于c o 对w c 具有极好的润湿性,使会属相与陶瓷相两相界面的性能非 常好。所以至今它在工、模具,耐磨零件中仍有相当广泛的应用。在我国的机 械加工领域中,它更是应用最多且具有较大优势的工具材料。 会属陶瓷( c e r m e t ) 是在硬质合金的基础上发展起来的一类材料,它是由 陶瓷与金属组成的复合材料? 实际上,会属陶瓷与硬质合会无论是在生产工艺 上,还是在微观组织上都非常相似,可以认为属于同一类材料,但现在一般将 n i 粘结的t i c 基材料称为金属陶瓷而将c o 粘结的w c 基材料称为硬质合金。 金属陶瓷材料中最初问世的是t i c n i 基会属陶瓷。但由于在烧结中n j 不 能完全湿润t i c 颗粒而导致t i c 颗粒的聚集长大,使得材料的脆性很大,所以 它在实际中并没有得到应用。 1 9 5 6 年,美国福特汽车公司的研究人员发现在t i c - n i 基金属陶瓷中添加 m o 可以改善n i 对t i c 的润湿性,使晶粒明显变细,合会强度大大提高。这一 发现是t i c 基金属陶瓷制造技术上的重大突破,使该类材料重新获得了巨大的 ,命力,极大地推动了t i c 基金属陶瓷在相关领域,特别是工具领域的应用。 美国在1 9 5 9 年成功地制造出一个精加工用的t i c - n i 基金属陶瓷牌号并获得了 专利。随后在1 9 6 3 年间,美国的行维尔佛松公司,肯纳金属公司和亚当斯碳 化物公司分别制成了牌号为v r 6 5 、k 6 5 、t i t a n 8 0 的金属陶瓷,同时,同本的 东芝公司,三菱公司和住友公司也分别研制成功了t i c n i 基金属陶瓷通过合 适的成份优选,严格的工艺条件和组织控制金属陶瓷的力学性能,使得韧性得 到了较大的改善,其应用场合也从单一的钢材精加工扩展到了钢材和韧性铸铁 的半精加工、粗加工和间断加工。 进入7 0 年代以后,由于:( 1 ) w 资源的缺乏和价格的不断上涨在一定程度 上限制了w c c o 基硬质合金的发展:( 2 ) 机械制造工业中高速切削的发展对 刀具所能承受较大切削速度的要求愈来愈高,而在此方面t i c 基金属陶瓷刀具 比之w c c o 基硬质合金具有较大的优势;( 3 ) 机夹不重磨刀具的推广使用避 免了t i c 基金属陶瓷刀具焊接、刃磨性差的缺点,加之t i c 基金属陶瓷刀具密 度比w c c o 基硬质合金刀具小,在成本上有利,因而国外对t i c 基金属陶瓷 刀具的研究更为重视,其品种牌号迅速增加。t i c 基金属陶瓷从原来的基本组 成t i c n i m o 系发展成t i c n i m o w c 系列和t i c n i m o w c c o 系等多种系 葫叩 1 9 7 1 年,含n 的t i c 基会属陶瓷面世,氮的引入可以起到明显的细化晶粒 的作用,其各力学性能都有明显提高。h 本是对此项科研成果最为重视的国家, 1 9 8 8 年含n 的t i c 基金属陶瓷已占r 本硬质材料工具总量的2 7 3 ,其余的比 例是w c 系硬质合金占3 1 1 ,a 1 2 0 3 系陶瓷占5 6 ,p v d 或c v d 涂层工具 占最多,占3 6 ,从增长速度来看,含n 的t i c 基金属陶瓷增长最快,由1 9 7 8 年占总量的1 1 增长为1 9 8 8 年的2 7 3 ,目前已达三分之一以上,除了日本外, 其它一些国家也对金属陶瓷刀具进行了和研制和丌发,如瑞典的山德维克公司 就已推出了一系列性能优异的金属陶瓷刀具,进一步扩展了其使用领域。 1 3 2 金属陶瓷的制作原理及工艺 t i c 基金属陶瓷的制造原理和工艺与w c c o 基硬质合会基本相似,都采用 液相烧结法。 制造t i c 基金属陶瓷最常用的工艺就是粉术冶金工艺,它主要包括球磨、 二_ f 燥、造粒压制、烧结等几个步骤。 球磨是利用磨球对粉末的砸碎,研磨等机械作用使粉末粒度进步细化, 同时实现各粉末间的混合均匀,还可能实现软材料对硬材料的覆盖。造瘦的主 要目的是提高粉体的流动性,成型性和减小粉术在压制过程中的摩擦。压制的 目的是对性质与固体,液体都不同的粉术进行加压使之成为具有一定形状、密 度和密度分率的压坯。 烧结是获得金属陶瓷组织和性能的过程,是整个工艺中最关键的一点:。目 前采用最多的是真空烧结。t i c - n i 基金属陶瓷一般在1 2 7 0 。c 左右出现液相,其 至要成份是n i ,也溶有t i 、m o 、c 、n 等元素。液相的出现可以以颗粒重排, 溶解析出等机制有效的活化烧结,提高密度。烧结气氛对材料的组织和性能影 响很大,真空气氛可以减小液相对硬质相的润湿角。但是在真空气氛下高温时 f i n 易分解出n 2 ,在材料内产生很多气孔,对材料的性能有很大影i 自,同时也 会造成炉内真空度的下降。 1 3 3 金属陶瓷的结构、性能特点 t i c n i 相图与w c c o 相图有某些相似之处,它也有一个6 ( t i c ) + y ( y i ) 的 两相区,所以t i c n i 基金属陶瓷的组织基本上也是粘结相+ 硬质相两相构成y 但与w c c o 基硬质合金不同的是金属陶瓷的两相区约为1 2 c ,而w c - c o 基硬质合金仅为0 1 0 5 c 。 当向t i c _ n i 中加入m o 或m 0 2 c 后,它能与t i c 形成非平衡的固溶体, 在t i c 晶粒的外面形成一层“环形相”( s o u r r o u r d i n gs t r u c t u r e ) ,它是由于 m 0 2 c 、t i c 向液相中溶解后又附于较粗的t i c 颗粒上再析出形成的。它可以使 碳化物晶粒细化,有人认为这是因为m 0 2 c 改变了液相对t i c 润湿性的缘故。 添加了t i n 的t i c n i m o 系金属陶瓷组织明显细化:” 添加了t i n 的t i c n i 基会属陶瓷的力学性能般介于w c c o 基硬质合 会和陶瓷之问。有学者计算了w c c o 基硬质合会和t j c n i 基金属陶瓷的理 论强度oo ,t i c n i 基金属陶瓷的oo = 2 3 0 0 2 8 0 0 m p a ,而相同粘结相含量的 w c c o 基硬质合金oo = 8 0 0 0 m p a ,金属陶瓷的韧性一般也低于硬质合金的, 而t i c n i 基会属陶瓷的硬度高于w c c o 基硬质合金,这主要是因为金属陶 瓷中硬质相的硬度较高,不仅因为t i c 的硬度比w c 的硬度要高,且s s 相的 硬度也可达到h v l 5 0 0 4 - 3 0 0 。 第二章纳米金属陶瓷刀片的制备 2 1 纳米材料及纳米改性材料 纳米科技( n a n o s t ) 是8 0 年代末诞生并f 在崛起的新科技,它的基本含义 是纳米尺寸范围内认识和改造自然。它所涉及的领域是人类过去很少涉及的非 宏观、非微观的中间领域,从而开辟了人类认识世界的新层次,这标志着人类 的科学技术进入了一个崭新的纳米科技时代,将为新科技革命增加一项重要的 新内涵。 纳米粒子一般只包含有限数目的晶胞,不再有周期性条件,表面原子占极 大的比重,表层结构及表面原子的热运动都与内部不同,纳米粒子的电子运动 和电子能级也与大块固体不同。纳米粒子及由其构成的固体具有小尺寸效应、 表面与界面效应、量子尺寸效应及由此派生出的许多传统固体不具备的特殊性 喷。高强、高硬、良好的塑性与韧性是纳米材料引人注目的特性之一。美国的 席格尔制得了硬度高于同种常规材料的t i o z 陶瓷。在陶瓷增韧方面,人们已经 发现了具有塑性甚至超塑性的t i 0 2 、a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 陶瓷。在纳米材料的研究和 生产应用中纳米复合材料都有较高的地位。9 0 年代后期科学家们提出了在常规 材料中添加纳米使材料( 特别是陶瓷) 性能改善的想法。 纳米s i c 或s i 3 n 4 改性的s i 3 n 4 陶瓷强度、韧性比常规材料都有较大提高。 英国科学家将纳米a 1 2 0 3 添加到z r 0 2 中获得了高韧性的陶瓷,而且烧结温度降 低了大约1 0 0 。德国的余罩希发现在粗晶s i c 中掺入2 0 的纳米s i c 所得的 混合粉体所制成的陶瓷的冲击韧性提高了7 5 。我国也制成了冲击韧性提高近 一倍的纳米a 1 2 0 3 改性的a 1 2 0 3 基板和强度、韧性均提高5 0 以上的纳米a 1 2 0 3 改性的8 5 瓷、9 5 瓷。可见,制备纳米改性材料是对常规材料( 特别是陶瓷等脆 性材料) 进行强韧化的有效途径。 2 2 纳米金属陶瓷刀片的制造工艺 2 2 1 制造工艺概述 金属陶瓷刀片的制造原理和工艺与w c c o 基硬质合金基本类似,都采用 液相烧结法。其制作工艺可分为以下八道工序: ( 1 ) 使用超声波仪分散t i n 纳米粉。纳米粉具有极微小粒度和高表面活 性,由于颗粒问存在范德瓦斯力和库仑力,颗粒极易凝聚成二次颗 粒,使颗粒增大形成软团聚和硬团聚而失去超细颗粒所具备的功能。 因此必须通过物理与化学工艺对纳米粉进行表面处理,使其在液体 介质中充分发散。 ( 2 ) 在混合粉末中加入湿润介质后进行均匀混合。 ( 3 ) 在球磨机上对混合粉末进行球磨。磨球对混合粉末的研磨可使粉末 粒度进步细化,也使混合粉术达到均匀混合? 。这是一关键工序, 粉末混合是否均匀将决定烧结成的刀片质量,影响刀具的抗弯强度。 ( 4 ) 对混合粉末进行干燥处理,使粉末充分干燥。 ( 5 ) 在混合粉末中加入粉末成型剂进行造粒。通过造粒以提高粉体的流 动性、成型性和减小粉末在压制过程中的摩擦。 ( 6 ) 采用冷压成型的方法在专用模县中加乐成型。可根据刀具类型选用 不同的模具,冷压时压力要均匀,以保证材料有一致的致密度。相 对于热压和热等静压粉末成型制作工艺,冷压成型工艺成本低廉, 生产率高。 ( 7 ) 在真空炉中将刀胚烧结成金属陶瓷刀具。烧结刀胚是整个制作过程 的关键,真空炉中的真空度、烧结的温度以及时间必须精确,精确 的温度与时间需要经过反复地实验以找到其最佳值。刀胚的烧结温 度与时间对刀片的物理与力学性能有重要影响。 ( 8 ) 使用m 6 1 2 型端面磨床将刀胚磨制成标准机夹可转位刀片。 2 2 2 纳米t i n 的分散 纳米粉对材料的改性性能及其它种种奇异性能与其具有的极微小粒度、高 比表面、高表面活性关系密切。随着纳米粉体颗粒尺寸的减小,其比表面和表 面能增大,在制备和应用的过程中,由于颗粒问普遍存在的范德瓦尔斯力和库 仑力,纳米颗粒极易凝并、团聚形成二次颗粒,使粒子粒径增大,形成软团聚 和硬团聚,在最终使用时失去超细颗粒所具备的功自基”因此,必须通过物理、 化学方法对纳米粉体进行表面处理,使其在液体介质中充分分散,以发挥纳米 粉体应有的性能。所以,纳米粉体在添加到混合粉木之前能否均匀、稳定的分 散是其应用所要解决的首要问题。纳米粉体,特别是陶瓷纳米粉体在液体中要 实现良好的分数应满足以下几个方面的要求: ( 1 ) 粉体的润湿 若粉体属亲液性的,表面能被液体湿润,软团聚体小的众多粉术往往会自 行解聚。因为液体进入粉末颗粒间的空隙后,大部分的s g 界面为s 1 界面 所取代y 孔隙处残存的气体体积受到压缩,雎力增大,迫使颗粒分丌。这就是 所谓的“劈楔作用”。对憎液性的粉术,则需使用分散剂( 即表面活性剂) 来润湿 颗粒的表面,使其具有亲液性。 ( 2 ) 团聚体的解聚 软团聚体中的众多粉末在表面被液体润湿后由于前述液体的“劈楔作用” 或由于颗粒的表面在巨大的表面能的驱使下吸附了离子型表面活性剂或其它无 机盐的离子而产生同神电荷相斥的效果而自行解聚。对于硬团聚体,则还需借 助机械力( 超声、球磨) 的作用才能解聚。 ( 3 ) 分散过程的稳定 即使液体介质对颗粒具有良好的润湿性,并辅以机械力处理制成了分散颗 粒的悬浮液,但是出于颗粒间的作用力较大,这种两相分散体系是热力学不稳 定体系,颗粒相遇后又可能产生团聚。因此,在体系中往往需要存在能降低彼 此不稳定性的物质或在动力学上提供位垒,从而抵抗颗粒的再次聚集,使分散 状念相对稳定。 本实验分散的t i n 纳米粉体属憎液性物质且易形成硬团聚,所以对它的润 湿和借助机械力分离两方面要进行重点研究。鉴于其分散后即可立即添加到混 合物料中进行球磨,所以对分散的稳定性的要求不是很高。考虑到t i n 易水解 的特性及水易通过氢键将颗粒结合在一起从而导致粉体产生硬团聚的特征,本 实验采用无水乙醇作为分散介质,主要考察t i n 纳米粉体在超声这种机械外力 作用下的分敞特性及分散介质、表面活性剂种类及用量、分散体系p h 值、超 声时间等工艺参数对分散效果的影响! 3 2 2 2 1 实验设计 1 实验材料 本实验使用的纳米粉系中国科学院成都有机化学所生产。表2 - 1 列出了纳 米t i n 粉各主要成分的含量。 表2 1 纳米t i n 粉符成分含昂= 2 分散工艺步骤 ( 1 ) 按粉末与分散介质1 :1 0 的比例称量粉末,量取分散介质无水乙,醇于烧杯 中,按预定配方加入分散剂。 ( 2 ) 对烧杯中分散体系进行搅拌后放入盛有4 5 c m 水的z b 2 2 0 t 超声波分散 器的容腔中,按设定时间对其进行超声分散。 ( 3 ) 将需对比分散效果的分散体系同时倒入2 5 m l 比色管中,观察分散情况, 比较相对分散效果。 t4 ) 用带支撑膜的铜网捞取各分散体系中的t i n 粉末,在h 8 0 0 透射电镜上 放大5 万倍观察分散效果。 2 2 2 2 超声作用对分散效果的影响 超声波是指频率超过4 1 0 4 h z 的声音。当它在介质中传播时可与电子、 原子、位错等发生相互作用,可在液体中导致空化,冲流,因此会带来某些力 学效应、热学效应、生物学效应。超声分散是常用的纳米粉分散手段之一,图 2 - 2 给出了未经超声分散和经超声分散后加入到混合粉末中之前的两种t 汛纳 米粉分散体系的t e m ( 透射电镜) 照片。 ( a ) 未经超声分散( b ) 经超声分散 图2 1 超声对纳米t i n 粉分散效果的影响 从图2 1 中可看出,经超声分散的t i n 纳米粉末分散体系中单个的t i n 颗 粒较多,呈较好的分散状态。但也有由数个或更多些的小颗粒结合成的团聚 体存在。而未经超声分散的t i n 纳米粉多呈较严重的团聚状态,多以几百个甚 至更多颗粒组成的团聚体或絮凝体的形式存在。 超声波对纳米粉的分散作用主要是基于超声波的空化作用。由于超声波的 作用,液体的某一区会形成暂时的负压区,于是液体中会产生非稳定的气泡或 空隙。气泡在超声波作用下的非线性振动和突然闭合时引起的激波而产生的巨 大压强可以破坏颗粒间的团聚。 但超声波的空化作用对其频率等有定的要求。对一定频率的超声波能产 生空化的半径有定的i 临界值。小于此临界值的气泡不能被拉丌,气泡的半径 也不能过大,过大气泡的谐振频率低于声波频率,气泡可被拉开但不会闭合。 由此可见,纳米粒子侧那些较小的孔隙处即使产生了气泡也不会有空化现象。 这些粒子
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