（材料加工工程专业论文）原位自生ticpfe、vcpfe复合材料切削加工性能的研究.pdf

原位自生t i c r f e 、v c p f e 复合材料 切削加工性能的研究 摘要 原位自生t i c c f e 、v c p f e 复合材料是一种良好的耐磨材料，展开对 原位自生t i c r f e 、v c p f e 复合材料的研究有重大的现实意义。目前，尽管 近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但大部分金属基复 合材料在制造过程中不能一次直接达到所需零件的净形状、精度及表面粗 糙度要求，还需要再进行一定的机械加工。因此本文展开了对原位自生 t i c p f e 、v c p f e 复合材料的切削加工性能的全面系统的研究，为这种材料 进入商业化生产提供理论依据。 本文首先介绍了t i c p ：f e 、v c r c f e 复合材料的制备工艺、组织及其机械 性能。然后测量其切削力，分别建立了切削力经验公式，并分析了各要素 对切削力的影响。又通过观察t i e p f e 、v c r c f e 复合材料的切屑形态，测量 不同刀具切削材料后的表面粗糙度，分析了t i c p f e 、v c r c f e 复合材料的切 削机理。 原位t i c p f e 复合材料的切削性能与材料的含钛量和机械性能有关。含 钛量高的材料其强度硬度较低，因此切削时切削力较小，但其切屑形态和 表面质量较差，加工硬化较严重，且切削力波动幅度大。而含钛量低的材 料强度硬度较高，因此切削时切削力较大，但其切屑形状和表面质量较好， 切削力波动幅度和加工硬化相对较小。 原位v c p f e 复合材料由于硬度较大，切屑变形系数小，不适合小吃深 加工，加工时切削力较大，表面粗糙度值较小。 退火处理可明显改善t i c j f e 、v c 卵e 复合材料的切削加工性能，加工 时的切削力降低，表面粗糙度值减小，切屑更容易控制。 关键词：原位自生碳化钛碳化钒复合材料切削加工 r e s e a r c ho nc u t t i n gp r o p e r t yo f i n s i t ut i c p f e ，v c p f ec o m p o s i t e s a bs t r a c t i n - s i t ul r o nm a t r i xc o m p o s i t er e i n f o r c e dw i t ht i co rv c p a r t i c l e si sak i n d o fg o o dw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l ，s oi ti so f g r e a ti m p o r t a n c et os t u d yo ni n s i t u t i c p f ea n dv c p f ec o m p o s i t e s a tp r e s e n t ，d e s p i t et h en e a r - f o r m i n ga n d a c c u m u l a t i v ef o r m i n ga r ep r o m i s i n gt e c h n o l o g i e s ，t h er e q u i r e ds h a p e ，a c c u r a c y a n ds u r f a c ef i n i s hc a nn o tb ea c h i e v e dd i r e c t l yi nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o r m o s tm e t a lm a t e r i a l s ，a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt om a c h i n et h em a t e r i a l s s o t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l ys h o w e dt h ec u t t i n gp r o p e r t i e so f i n - s i t ut i c p f e ，v c p f ec o m p o s i t e s ，a n ds u p p l i e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e c o m m e r c i a lp r o d u c eo ft h o s ec o m p o s i t e s t h i sp a p e rs h o w e dt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , m o r p h o l o g ya n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft i c c a ，v c p f ec o m p o s i t e sf i r s t t h e nt h ec u t t i n gf o r c e sw e r e m e a s u r e d ，o nt h eb a s i co fw h i c h ，e m p i r i c a le q u a t i o n so fc u t t i n gf o r c e sw e r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h ee f f e c t so fe a c he l e m e n t sw e r ea n a l y s e d t h ec u t t i n g m e c h a n i c so ft i c p f e ，v c p f ec o m p o s i t e sw e r ea n a l y s e db ym e a n so f o b s e r v i n gc h i ps h a p e so ft i c p f e ，v c p f ec o m p o s i t e sa n dm e a s u r i n gt h e s u r f a c ef i n i s h so ft h ec o m p o s i t e sa c h i e v i n gb yd i f f e r e n tt o o l s t h ec u t t i n gp r o p e r t yo fi n s i t ut i c f ec o m p o s i t ew a sr e l a t e dw i t hi t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ec o n t e n to ft i ，t h e s t r e n g t ha n dh a r d n e s so f c o m p o s i t ew i t hh i 曲c o n t e n to ft iw e r el o w s ot h ec u t t i n gf o r c e so ft i c p f e c o m p o s i t ew i mh i 曲t ic o n t e n tw e r el o w h o w e v e r , c h i ps h a p e sa n ds u r f a c e f i n i s hw e r eu n i d e a l ，a n dw o r k - h a r d e n i n gw a ss e r i o u s a n dc u t t i n gf o r c e sw e r e f l u c t u a t e ds e r i o u s w h i l et h es t r e n g t ha n dh a r d n e s so f t i c p f ec o m p o s i t e sw i t h m l o wc o n t e n to ft iw e r eh i g h ，w h i c hc a u s e dh i g h e rc u r i n gf o r c e s h o w e v e r , c h i p s h a p e sa n ds u r f a c ef i n i s ho ft i c p f ec o m p o s i t e w i t hl o wt ic o n t e n tw e r eb e t t e r , a n dt h e i rw o r k - h a r d e n i n gw a sw e a k e r , a n dc u r i n gf o r c e sw e r ef l u c t u a t e d s l i g h t l y w i t hh i g hh a r d n e s s ，a n ds m a l ld e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n to f c h i p s ，m a c h i n i n g w i ms m a l ld e p t ho fc u t t i n gd i dn o ts u i tf o ri n - s i t uv c p f ec o m p o s i t e c u r i n g f o r c e so f v c p f ec o m p o s i t ew e r el a r g e ，w h i l ev a l u eo f s u r f a c ef i n i s hw a sl o wi n m a c h i n i n gp r o c e s s a n n e a l i n gi m p r o v e dt h ec u r i n gp r o p e r t i e s o fi n - s i t u t i c p f e ，v c p f e c o m p o s i t e s ，c u t t i n gf o r c e sa n dv a l u eo fs u r f a c ef i n i s hd e c r e a s e d ，c h i ps h a p e s w a se a s i l yc o n t r o l l e dw h e nm a c h i n i n gt h o s em a t e r i a l s k e y w o r d s ：i n s i t u ；t i c ；v c ；c o m p o s i t e ；c u r i n gm a c h i n i n g i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：丁劳努 7 才年月多日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 硇即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一j 嬲一名痧k 月日 1 1 概述 第一章绪论 材料是人类用于制造生活和生产工具赖以生存和发展的重要物质基础，人类的文明 时代曾以其主导材料来命名，如石器时代、陶器时代、铁器时代等。这是因为材料表明 了人类的创造力与财富。随着现代科技的发展，人们对材料的要求日益提高，普通的材 料已越来越难以满足人们的要求，新材料的发展正朝着高性能化、复合化、多功能化和 智能化方向发展。 复合材料是2 0 世纪材料科学方面的一大进展，被称为2 1 世纪的新型工程材料。其 中的金属基复合材料( m m c ) 能充分发挥基体金属的导电、导热，以及高的强韧性和 增强体的高硬度、高强度、高耐磨性的优点，克服它们各自的不足，又具备可设计性， 即可根据不同的要求，通过组成相的调整而得到不同性能，满足不同使用场合的要求， 因此在当今新材料，乃至高科技发展中占有重要地位。目前金属基复合材料已形成铝基、 镍基、铜基、钛基、镁基、铁基等多种基体复合材料，而对于金属基复合材料的研究主 要集中在铝基、镁基、钛基等轻金属基复合材料，并且因其价格昂贵，主要集中在航空 航天等高科技领域。 目前我国在轻质金属基复合材料基础性研究方面与国际水平接近，但是在工业生产 及应用上存在着巨大的差距，而在黑色金属基复合材料的基础及应用研究两方面尚处于 初步探索阶段n 1 。然而，随着现代工业的发展，迫切需要在高温、高速和磨损条件下工 作的结构件。钢铁材料作为传统的结构材料，因为价格低廉，资源丰富，在工业中仍占 有不可替代的地位。国际材料研究会曾对“未来对材料和技术的要求”提出分类比较，其 中，钢铁材料以价格低占分最高。钢铁材料的比强度价格是除水泥之外最低的一种工程 材料，但其综合性能远较水泥优良。水泥的拉伸强度低，只适合做建筑材料。经济发展 的需要是科学研究的推动力，金属材料的发展也是如此。钢铁是创造人类铁器时代文明 的基础材料，在各国实现工业化进程中，都需要大量优质钢铁材料。钢铁材料是工程结 构材料中最重要的基础材料，也是产量最大的结构材料。钢铁材料制造成本低、规模产 量大；没有有机化合物的排放，与其他基础材料相比是与人类友好的材料：适应各种工 业部门需求，服务面广乜3 。因而铁基复合材料具有良好的发展前景。同时，钢铁企业已 具备成熟的工艺和设备，可以推动我们将复合材料理论应用于钢铁，研制出价格低廉、 性能优良的钢铁基复合材料，适应现代工业的需要。 2 0 世纪8 0 年代末期出现了一系列新的复合材料制备技术，原位反应合成技术，因 其工艺简单，材料性能优异、产品成本低、可近终成型等成为当今复合材料研究领域的 前沿课题之一。相对于其它制备工艺，原位合成有许多独到之处：由于增强体颗粒更细 小，因而具有更高的强度和疲劳、蠕变抗力；由于增强体是在金属基体中原位形核、长 大的热力学稳定相，因此可获得清洁的颗粒基体界面，以及更高的界面强度；增强体 在基体中直接生成，省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此工艺简单，可用 铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件，成本相对较低；在保证材料具有较好 的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。 m m c 按其增强体的形态特征可分为纤维增强型、晶须增强型和颗粒增强型三类。 其中，晶须增强复合材料的研究越来越少，这可能与近年认识到晶须对环境和人体有害 相关嘲。颗粒增强金属基复合材料具有良好的综合机械性能；且工艺简便，成本较低； 虽然在增强效果上不及连续纤维，却易于实现工业化生产，能较快地进入实际应用，因 而极具发展潜力旧。t i c 颗粒、v c 颗粒是两种高硬度的陶瓷颗粒，可以用来改善铁合 金基体的耐磨性璐1 ，且通过反应铸造原位自生工艺制备t i c j f e 、v c # f e 复合材料是容 易实现产业化的工艺技术之一，原位合成的t i c 、v c 增强颗粒具有热力学稳定、尺寸 细小、分布均匀且与基体界面洁净和结合良好等特点。因此通过反应铸造原位自生工艺 制备t i c j f e 、v c d f e 复合材料现已成为金属基复合材料的研究热点。 目前，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但大部分金属基 复合材料在制造过程中不能一次直接达到所需零件的净形状和精度及表面粗糙度要求， 还需要再进行一定的机械加工。m m c 的切削加工工艺决定着其制品的精度和机械性 能，但是传统的金属切削加工方法对于m m c 已不再完全适用嘲。近二十年来，m m c 的研制、开发、应用取得了较大的进展，有的材料已进入商业化生产阶段。但是，迄今 为止，关于原位生成m m c 的研究主要集中在其制备技术、组织、物理力学性能方面， 而其切削加工性能方面的研究却较少。国内外对t i c p f e 复合材料的研究局限于实验室 条件下，当前研究的热点集中于钢铁基复合材料的显微组织、界面、凝固过程、制备技 术、力学性能等方面，且多为基础理论性研究，对这种新型复合材料的应用研究和开发 很少见报道，其切削加工性能方面的研究工作很少，尚缺乏加工机理的研究，限制了该 材料的应用推广。而对v c d f e 复合材料的研究更是仅仅局限于其制备工艺、显微结构、 2 ! 查竺竺主竺竺竺查苎竺皇圭! ! 三亚! ：型兰! 苎! 兰竺竺竺苎竺兰竺竺 界面形态等方面，对其切削加工性能尚未见报道。因此，开展对这两种材料的切削加工 性能及加工方法的研究具有重要意义，这必将成为该复合材料今后研究的一个重要方 向。 目前虽然已有学者对t i c p f e 复合材料的切削性能从刀具、切削表面、切削力等方 面进行了一些研究，但只是简单涉及到而已，只是在论文中给出了一系列的实验数据， 而缺乏切削机理等系统的理论分析和研究。因此，探讨解决金属基复合材料的切削加工 问题显得十分必要和紧迫，机械加工方面的问题若得不到解决，那么这种材料的广泛应 用就是不可能的。 本课题旨在对原位自生t i c 、v c 颗粒增强铁基复合材料的切削性能进行全面系统 的研究，为这种材料进入商业化生产提供理论依据。 1 2t i c p f e 、v c p f e 复合材料的研究现状 t i c p f e 、v c v f e 复合材料具备了钢铁基体和n c 、v c 陶瓷颗粒的一些优良特性， 如钢铁材料的导热、导电性能良好、来源广泛、机械性能良好、制备工艺简单，以及 t i c 、v c 陶瓷颗粒硬度高、耐磨性能好等，最主要的是两者结合的复合材料耐磨性能好， 同时又克服了两者本身的一些缺点，如陶瓷颗粒的脆性，金属材料达不到硬度要求等。 最近十几年国内外学者开始了对t i c p f e 、v c 4 p e 复合材料的研究，而且研究越来越广 泛，越来越深入。 1 2 1 对t i c p f e 、v c p f e 复合材料的制备过程及组织结构的研究 在t i c # f e 、v c 4 f e 复合材料的制备工艺方面，最初是用粉末冶金法制备的，但粉 末冶金法存在着成本高、材料界面结合不良等缺点，因此，许多学者都采用新的工艺来 制备这种复合材料。卢德宏等口1 应用n 0 2 州+ c 、f e 2 0 3 + 砧两个体系的复合自蔓延高温 合成反应( s h s ) 法成功制备了t i c 栌e 复合材料。纪朝辉1 通过在消失模铸件模样需 耐磨的部位涂覆一层经压实的s h s 粉料，高温浇铸的铁水自动点燃s h s 粉料，反应生 成增强陶瓷相，并使铁水铸渗到反应后的s h s 陶瓷层中，使陶瓷增强相均匀的分散到 熔融的表层金属中，从而获得铸件表面自生复合材料层，反应合成的t i c 颗粒呈理想 球状弥散分布在基体上，复合层的硬度和耐磨性都得到了提高。张敏，杨尚磊等瓯加 以h 0 8 a 为焊芯，以钛铁、钒铁和石墨等为药皮组分，利用焊接电弧高温冶金反应，在 q 2 3 5 基体上制备t i c v c 复合超硬陶瓷颗粒增强f e 基熔敷层。钟元龙n 盯根据原位自生 原理制各了t i c p f e 复合材料，并通过对工艺条件的优化，使制备出的复合材料其增强 体颗粒细小，分布均匀，铸造缺陷和有害碳化物都较少，材料的强度、硬度、韧性和耐 磨性能都得到了提高。隆丹宁d 幻用低温加n 、低温加v 法成功制备了t i c j f e 、v c d f e 复合材料，发现低温法能降低n 元素和v 元素的烧损率。 在t i c p ，1 、v c p f e 复合材料组织结构的研究方面，钢铁基复合材料中的n c 相通 常是颗粒状，条状t i c 却很少见n 羽，刘志科等n 铂利用反应铸造法制备的原位t i c p f e 复 合材料，增强颗粒t i c 均匀分布在基体中，颗粒尺寸o 5 2 0 u m ，呈四方形或多边形。而 任英磊等n 叼用原位自生法制备了2 0 、1 0 t i c f e 复合材料，发现在2 0 t i c f e 复合 材料中，存在着大量的第二相，除了方块、枝晶和一些形态复杂较大的颗粒相外，基体 中还分布着大量细小的条状相，这些增强相都呈黑色，说明他们富钛。而1 0 1 f i c f e 复合材料中，t i c 是唯一的增强相，呈块状和条状两种形态，其中条状相分布较多，作 者分析块状、枝晶和一些形态复杂较大的颗粒相为先析出相，而条状相为共晶产物。熊 容廷等研究了原位合成v c 颗粒增强铁基复合材料的显微组织等，结果表明，原位自 生v c 颗粒均匀分布在基体中；颗粒直径4 u r n 左右；在组织中发现初生棒锤状和粒状 共晶v c 和二次析出粒状v c 。 在v c 、t i c 颗粒增强合金材料方面，徐文雷等n 刀采用反应铸造法制备了含v c 、 t i c 颗粒的f e 3 砧基合金，并研究了颗粒相的加入对f e 3 a i 合金组织结构和力学性能的影 响，研究表明，1 f i c p 可以细化f e a a l 合金铸锭组织，而v c p 的作用不明显，但可以细化热加 工后的再结晶组织；同时发现，颗粒相的加入提高了f e 3 a 1 合金的屈服强度，而延伸率有稍 许下降，并改变了合金的断裂模式，使得其室温拉伸断口为穿晶加沿晶状，高温拉伸断 口为韧窝加解理状。 1 2 2 对t i c p f e 、v c 4 f e 复合材料性能的研究 在t i c p f e 、v c p r f e 复合材料的性能研究方面，张修海n 町研究发现t i c p f e 、v c _ 4 f e 复合材料的线收缩率比普通低碳钢的小，倾向于产生集中缩孔，有利于补缩获得致密铸 件，v q l f e 复合材料的重熔性效果良好。随着反应温度的提高，t i c j f e 复合材料的硬 度和冲击韧性提高，随着反应时间的延长，冲击韧性会先升高后下降，冷却速度对材料 性能的影响不大n 9 制。李小平等口妇通过对原位自生t i c g f e 复合材料正火态冲击断口形 貌的观察，认为该材料的断裂为脆性断裂，并分析了脆性断裂的机理，提出了t i c d v e 4 复合材料减少断裂失效的途径为：控制复合材料的凝固组织中t i c 颗粒的数量、尺寸 和形状；通过微量合金化和不同的热处理工艺对基体的组织进行优化和调整。 在t i c v f e 、v c j f e 复合材料的性能中，最突出的优点是原位自生t i c p f e 、v c p f e 复合材料的耐磨性能好。严有为等陴1 在钢基体表面涂上8 m m 厚的t i c 涂层，经过原位 反应，材料将具有良好的抗磨粒磨损性能。胡丽娟等一1 对原位自生 l i c p f e 、v c 4 f e 复合材料的耐磨性进行了系统的分析，发现在冲击磨料磨损条件下，复合材料基体磨损 以凹坑和塑性流动为主，t i c 颗粒起到增强基体的作用，随着t i c 颗粒数目增多，t i c 颗粒对基体的保护作用越强，越能提高复合材料的耐磨性。若v c 颗粒分布均匀，则在 磨损过程中，磨料与增强颗粒接触充分，可以充分发挥v c 颗粒的抗磨损性能，从而可 以提高复合材料整体的耐磨性。若v c 颗粒分布成团状或只沿晶界分布而不呈现弥散分 布的情况，在磨损过程中，与磨料接触的部位大都是较软的金属基体，则不能很好的利 用v c 颗粒对磨损的抵抗作用。在润滑状态下，相同载荷下，v c p r f e 复合材料的磨损 量比t i c _ 4 f e 复合材料、4 5 # 钢的磨损量要小。在干摩擦状态下，在载荷较小的条件下， v c p f e 复合材料的磨损量比t i c p f e 复合材料的磨损量小，随着载荷的增大，t i c p f e 复合材料表现出良好的耐磨性。李小平等汹3 在中等冲击、高摩擦应力的磨料磨损工况条 件下，对铸造原位瓢c p f e 复合材料铸态和正火态的磨损机制进行研究，认为其机制主 要是凿削式磨粒磨损和疲劳磨损。 1 3 金属基复合材料的切削加工性能 所谓切削加工是用刀具切削工件的极其常用的加工方法，大致可定义为首先使刀具 接触工件，然后使刀具对工件作相对运动，由于工件内部局部发生较大的应力而引起断 裂，把不需要的部分作为切屑而剥离下来，加工出所需形状的崭新表面的成品。 工件材料的切削加工性一直是金属切削领域的一个热门研究课题，它主要取决于材 料力学、物理性能( 如硬度、强度、塑性、韧性和热导率等) ，而材料的化学成分、显 微组织又是影响力学、物理性能的主要因素，所以材料的切削加工性并不是一种单一的 基本属性，而是一次综合性能，是材料若干基本属性的综合反映，因此无法用一个单一 指标去度量它，而应该用一个指标体系去指导和评价它嘲。材料切削加工性是一个模糊 概念，戴彤焱啪3 等根据模糊数学的基本原理，应用模糊模式识别的直接方法，以材料的 物理、力学性能为依据，提出了一种对材料切削加工性进行综合评判的方法，采用模糊 综合评判方法评判材料的切削加工性可以总体上获得对每一种材料切削加工性的综合 5 认识。 对于颗粒增强金属基复合材料切削加工性能的研究，目前主要集中在从材料组织、 刀具材料、切削力、切削表面、切削参数等几个方面对s i c 颗粒增强铝基复合材料的研 究上。 材料组织方面：不同粗细s i c 颗粒增强的铝基复合材料的切削加工性能也不相同， s i c 颗粒尺寸越大、含量越多，对刀具的磨损速度越快汹。切削细颗粒s i c 增强铝基复合 材料比较类似于切削基体材料，常规刀具可以对其连续切削相当长的时间，并且允许比 较高的切削速度。 刀具方面：在相同材料、相同切削条件下，高速钢比硬质合金刀具磨损速度快【2 8 】。 k 类硬质合金刀具可用于s i c v a 1 复合材料的粗加工和半精加工，并须用较低切削速度和 较大进给量；而精加工时须采用聚晶金刚石刀具汹3 。耿林、n p h u n g 等油3 妇则认为c b n 刀具和金刚石刀具是切削s i c y a i l i 复合材料最好的刀具，这两种刀具耐磨性好、且对 基体材料的表面加工硬化层较小。p c d 刀具对大部分材料来说却是最经济的刀具，但 不能保证切削稳定性羽。用涂层硬质合金刀具切削金属基复合材料时，磨损首先发生在 涂层，然后逐渐扩展到硬质合金基体3 。而p c d 刀具主要用于有色金属基体复合材料 的切削加工，t i c j f e 复合材料的切削能不能使用p c d 刀具尚没有报道。 切削力方面，全燕鸣阻3 从切削力角度研究了s i c 颗粒增强铝基复合材料的切削机 理，传统刀具切削粗大颗粒增强复合材料的平均切削力随切削时间推移迅速增大，并且 径向和进给切削力的增长快于主切削力的增长，而切削细小颗粒增强复合材料的切削力 变化速度比较小，采用低速和较大切削深度时，复合材料的切削力比切削未增强合金时 更小，较高切削速度和较小切削深度时则反之。而c c 复合材料的切削力根据刀具前 角及纤维取向角度的变化而变化。主切削力取决于刀刃切入纤维层、压环、排屑的难易 程度，径向切削力取决于径向分力和被刀刃粉碎的纤维、基体挤压加工面而排出时的磨 光作用嘲。 在表面质量方面的研究有，切削s i c 增强铝基复合材料时，大切削速度、小进给量 和小切削深度可以获得最好的表面粗糙度。在切削2 0 s i c a i 复合材料时，进给速 度为o 4 5 m m r ，切削速度为8 9 4 m r a i n ，切削深度为1 5 聊所，会保护基体的进一步磨 损踟。超声振动切削表面产生残余压应力，能够提高工件的抗疲劳强度嘲。 在切屑形成机理方面的研究有，在切削力作用下，硬脆颗粒增强金属基复合材料内 部应力分布不均匀，基体发生弹性变形塑性变形，而增强颗粒发生弹性变形，两者变 6 形不协调，增强颗粒可能破碎，然后基体夹裹颗粒协调变形并流动。已加工表面形成过 程中存在着增强颗粒及其与基体结合界面发生破坏、表面容易被擦伤、易生积屑瘤和鳞 刺。在成屑的层积阶段剪切变形区和层积区中易生裂纹，其后裂纹在切削层中可能沿基 体增强颗粒结合界面扩展、颗粒穿晶解理或破裂、绕过颗粒只在基体中扩展啪剜。 另外，m k b u r n 和m l e e m 一叮研究不同材质的刀具切削4 0 v o ls i c p a 1 复合材料， 发现硬度大于s i c d 的刀具材料的磨损量与其纤维硬度成线性关系，且硬度越高，磨损 量越小，而硬度小于s i c p 的刀具材料则没有这种简单线性关系，而且磨损量也大很多。 珠光体显微硬度均匀性好时，其加工性能也较好池1 。 1 4 课题的提出 在矿山、冶金等许多工业生产部门，耐磨材料的应用十分广泛。据不完全统计，能 源的l 3 l 2 消耗于摩擦磨损。磨损不仅消耗能源和花费材料，而且由于磨损而更换 零部件所造成的人力物力损失，更是无法估算。因此，耐磨材料的研究意义重大，在国 民经济发展中占有重要的地位。而在y i c p f e 、v c _ j f e 复合材料的优良性能中，最突出 的是原位自生t i c p f e 、v c p f e 复合材料是一种良好的耐磨材料，t i c 4 f e 复合材料耐砂 粒磨损的性能比白口耐磨铸铁的还高。尽管近净成形技术、堆积成形技术可以生产各 种形状复杂的零件，但t i c p f e 、v c e 复合材料在制造过程中不能一次直接达到所需 零件的净形状和精度及表面粗糙度要求，还需要再进行一定的机械加工。因此，本文开 展了对原位自生t i c 加、v c p f e 复合材料的切削加工性能的研究，为这种材料进入商 业化生产提供理论依据。 1 5 论文主要内容 本课题的研究主要集中在t i c d f e 、v c p f e 复合材料切削加工性能和切削加工原理 的分析，分析各因素对切削加工性能的影响上，主要分为以下几方面： ( 1 ) 制备原位自生y i c p f e 、v c 加复合材料，观察其组织并测量其各项机械性能； ( 2 ) 对制备的材料进行切削加工，测量材料的切削力、表面质量、表面粗糙度等， 建立切削力经验公式； ( 3 ) 观察材料切削加工区的变形、加工硬化、切屑的形状等； ( 4 ) 通过以上测量及观察，探讨材料的切削加工性能及其切削机理，并探讨元素 7 广冒大攀硕士掌位论文 量位自生t i c 胛e 、v c j f e 复合材苒切朋加工性艇的研完 含量和切削要素对切削性能的影响。 ( 5 ) 初步探讨退火t i c p f e 、v c p f e 复合材料的切削加工性能。 8 第二章铸态原位自生t ic j f e 、v c 。f e 复合材料的 2 1 引言 制备、组织及性能测定 原位反应法与其它材料制备方法相比，因其具有工艺简单、成本低廉、易于实现工 业化生产、可利用现有设备、材料性能优异等特点，因而在技术和经济上更为可行。本 章中介绍了用原位反应法制备t i c p f e 和v c # f e 复合材料的过程，并对制备的复合材 料的组织和机械性能进行了测定。 2 2 试验用原材料及原位t i c p f e 、v c p f e 复合材料的制备 2 2 1 试验用原材料成分及样品成分 该试验采用的原材料主要是资源较丰富的钢、生铁、钛铁、钒铁合金等，其主要成 分见表2 1 。 表2 - 1 试验原材料的成分( w t ) t a b l e 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t h er a wm a t e r i a l s ( 啪) 材料c啊s im npsa lf ev 碳钢0 4 30 2 20 5 70 0 1 00 0 1 0余量 钛铁 0 0 7 22 6 2 23 5 l0 0 30 0 2 16 2 l 余量 生铁4 1 31 2 70 1 70 0 9 8 9 0 5余量 硅铁7 2 0 8 00 5 郢0 4郢0 2 余量 钒铁o 5 22 0 40 0 5 90 0 6余量7 3 2 3 根据刘志科、任素波、隆丹宁等堋1 2 1 的试验结果，表2 - 2 中1 撑、2 拌所示两种成 分的原位自生t i c 增强f e 基复合材料的性能最好，因此作者选取以下两种化学成分的 材料作为检测t i c p f e 复合材料切削加工性能的试样。而对于v c 增强f e 基复合材料， 当复合材料的化学成分为表2 2 中3 撑所示时，综合机械性能最佳，因此作者选取该成 分的v c d l ：e 复合材料作为检测其切削加工性能的试样，为3 群样品。 9 表2 - 2 复合材料的化学成分( w t ) t a b l e 2 - 2t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t h em a t e r i a l s ( 喇) 试验编号 c1 f is ivf e l 撑1 52 9 22 5 余量 2 群1 42 30 6 余量 3 撑2 oo 7 53 5 余量 2 2 2 制备样品的设备 试验过程中所用到的设备有：m c t - - 1 1 0 精密数字测温仪、上海实验电炉厂产l o k g 中频感应电炉，炉衬用镁砂、粘土、硼砂等制成，一方面减少了钢液中n 、v 元素 的烧损和n 、v 元素在钢液中渣化损失，使钢液更加纯净；另一方面提高了炉衬的耐 火度，提高炉体的使用寿命。 2 2 3 制备工艺 样品采用水玻璃砂造型，造型结束后通入二氧化碳气体使砂型硬化，然后放入烘干 箱中烘烤1 个小时。原材料按质量比例称量，采用下列工艺制备试样，过程为：先装入 铸造生铁和钢锭总量的3 4 ，升温熔炼，待炉内金属料全部熔化后( 此时温度1 5 0 0 左 右) ，加入剩余的协钢锭和硅铁合金降温，并均匀搅拌使炉内金属变为糊状，然后将 破碎至1 0 - 2 0m m 的钛铁合金( 或钒铁合金) 颗粒加入炉内，搅拌均匀，使糊状金属将 钛铁合金或钒铁合金颗粒全部覆盖，随后加入由木炭和草木灰组成的覆盖剂覆盖，升温 至1 6 0 0 1 2 ( 用m c t 一1 1 0 精密数字测温仪测量熔体温度) ，保温5 1 0 m i n 后扒渣浇注试 样。浇注前在浇包内用铝除氧。浇注试样尺寸见图2 1 ，其中0 5 0 的锥形部分为冒口， 0 3 0 的圆柱部分为试样。 图2 - 1 试样形状和尺寸 f i g 2 - 1s h a p e sa n dd i m e n s i o n so f t h es p e c i m e n s l o 2 3 原位自生t i c r f e 、v c r , f e 复合材料的组织结构 为了确定所制备材料的组织，对由以上工艺制备的三种样品进行光学金相显微镜分 析，其低倍放大的金相组织见图2 2 ，从图中可以看出，三个样品中增强相的颗粒度都 较小，且分布均匀。而从高倍放大的金相组织图2 3 中，可观察到增强相形状基本上为 四边形，采用计算机图像处理软件p h o t o s h o p 测量出1 f 样品中增强颗粒的尺寸为 4 - 1 0u m 。而2 存样品中的增强体形状也基本上为四边形，与l # 样品的相比尺寸较小， 基本集中在3 - 8u m ，且分布更弥散。3 撑样品的形状则为细长的骨骼状。为了确定其基 体和增强相的相成分，对1 # 样品和3 撑样品分别进行了x 射线衍射分析和扫描电镜分析， 结果分别见图2 4 和图2 5 。 。p鼻，。7 j 。j 簟 、 、；，秽 ：。j j 。声： 龟 。口 义” 、 0 。 0 “ v c ， 、二= 一 ? 。 ” ，。 7 于 t 。 广 ? 。 吣b ，一、，；二 ，7 * ” ，塾出丝。 图2 - 2 样品腐蚀前的光学金相组织( 低倍放大) ( a ) 1 拌( b ) 2 撑 ( c ) 3 f i g 2 2o p t i c a lc o n s t i t u t i o nd i a g r a m so fu n e r o s i v es p e c i m e n s ( m a c r o s c o p i c ) x 射线衍射分析是用日本理学d m a x2 5 0 0 v 型x 射线衍射仪进行的，图2 4 ( a ) 表明：1 挣样品的成分为铁基体和t i c 增强相，而图( b ) 则表明：3 拌样品的成分为铁基 体和v c 增强相。 ( c ) 图2 3 样品腐蚀前的光学金相组织( 高倍放大) ( a ) l 拌 ( b ) f i g 2 - 3o p t i c a lc o n s t i t u t i o nd i a g r a m so fu n e r o s i v es p e c i m e n s ( m i c r o s c o p i c ) 扫描电镜分析是用i n c a3 0 0 扫描电镜进行的，由图2 5 可以得出：基体组织为层片 状的珠光体。其中1 群样品中黑色的为t i c 相，3 撑样品中黑色的为v c 相。 综上所述，已确定1 撑和2 拌样品为t i c d v e 复合材料，3 撑样品为v c p f e 复合材料。 1 2 p 3 s 7 ，v t 口- y d i 州c 耐柏 0 e 龟6 b - 啪一“ 图2 - 41 静、3 撑样品的x 射线衍射图 f i g 2 - 4x - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so fs p e c i m e n1 # a n d 3 群 0 0 ) ( b ) 图2 - 51 撑、3 撑样品的扫描电镜图 ( a ) l 撑( b ) 3 拌 f i g 2 5s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yi m a g e so f s p e c i m e n l # a n d 3 撑 2 4 增强体的体积分数测定 增强颗粒的体积分数对材料的机械性能及破坏形式等都有着直接的影响，因此对其 进行测定有重要意义，本文采用定量金相法n 1 1 测得l # t i c p f e 复合材料的体积分数为 7 3 4 ，2 撑材料的为5 8 4 ，3 # v c o f e 材料的为6 1 7 。根据文献n 6 3 中对颗粒增强技术 及复合材料的定义，增强体的体积分数应占总体体积的5 以上，但若t i c 颗粒的体积 分数超过1 0 0 ，将使固液两相流体的粘度系数大为增加，严重恶化熔体的铸造性能。 故采取本工艺制备的复合材料其体积分数较为理想。 p o 款r个i脚一 j ，t h 一 ，l 一(、， rf j 嶝一 e 一 f p 一 一 聃一 q 1 1 。 拌 _塑 ) (rr 一一 ) c “一 b v 岫一 ( h ， |fl-ijji，1il誓：一丛 2 5 原位自生t i c p f e 、v c r c f e 复合材料的机械性能测定 2 5 1 宏观硬度 采用h r l 5 0 d 型洛氏硬度计测定材料的洛氏硬度，考虑到洛氏硬度检测的压痕较 小，相对于材料整体来说，代表性较差，因此采用测试5 个点的压痕，取平均值的方式 测定t i c p f e 复合材料的宏观硬度。测量结果见表2 - 3 。 表2 - 3t i c ，f e 、v c ，f e 复合材料的洛氏硬度 t a b l e 2 - 3r o c k w e l lh a r d n e s s e so ft i c p f e ，v c p f ec o m p o s i t e s 不同点的硬度值( h r c )平均值 试样 l 2 3 4 5 ( h r c ) l4 5 54 2 44 4 44 4 - 3 4 5 24 4 4 24 84 8 14 7 5 4 84 8 64 8 35 2 25 3 15 2 95 2 4 5 3 75 2 9 2 5 2 显微硬度 显微硬度用i - i v s 1 0 0 0 维氏显微硬度计测定，压头为面角1 3 6 0 的正四棱锥体金刚石 压头，在l o o g 的载荷下保压l o s 。经测定1 撑试样的基体显微硬度为4 8 7 3 6h v ，t i c 增 强颗粒的显微硬度为1 8 0 1 3 2 h v ；2 群试样基体的显微硬度为4 9 2 6 1 h v ，t i c 增强颗粒 的显微硬度为1 8 0 4 1 4 h v 。3 # v c p f e 复合材料基体的显微硬度为5 6 4 3 4h v ， v c 增 强颗粒的显微硬度为17 6 2 4 h v 。 2 5 3 拉伸强度 用w d w 电子万能试验机来测量材料的拉伸强度，试样形状和尺寸见图2 - 6 ，得到 三个样品的拉伸曲线见图2 - 7 。l # t i c p f e 复合材料的抗拉强度为3 5 0 m p a ，2 群材料的抗 拉强度为3 5 8 6 7 m p a ，v c p f e 复合材料抗拉强度为4 4 8 1 3 m p a 。 2 5 4 冲击韧性 冲击试验对材料使用中至关重要的脆性问题和材料冶金质量、内部缺陷情况极为敏 感，是检查材料脆性倾向和冶金质量的非常方便的办法。因此，这种试验方法在产品质 量检验、产品设计和科研工作中仍然得到广泛应用。 1 4 图2 - 6 拉伸试样的形状及尺寸要求 f i g