振荡压力烧结Al2O3-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的研究

作     者：杨陆通 

作者单位：郑州航空工业管理学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张梦雯;王永凯

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Al2O3-Ti(C,N)-cBN 陶瓷刀具 振荡压力烧结 烧结锻造 力学性能 

摘      要：AlO-Ti(C,N)复相陶瓷是一种常用的黑色陶瓷刀具材料,具有优异的高温稳定性、化学稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等特点,但其韧性差仍是阻碍其发展的关键因素。硬度仅次于金刚石的立方氮化硼(cBN)作为一种硬质颗粒增韧相,可以在增韧的同时,不降低基体的硬度和耐磨性,因而受到广泛关注。但是cBN难烧结的特性使得制备物相稳定、致密度高的复相陶瓷成为难点。本文将采用振荡压力烧结技术制备高性能AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料以解决上述问题。首先以AlO-Ti(C,N)复相陶瓷为研究对象,分析其致密化过程和机理,为优选AlO-Ti(C,N)-cBN多相陶瓷的烧结工艺提供参考;然后研究不同烧结温度下AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的微观组织和力学性能的演变;最后采用振荡压力烧结锻造工艺进一步优化AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的性能。本文采用阿基米德排水法测量陶瓷材料的密度,采用压痕法测试其硬度和断裂韧性,采用三点弯曲法测试其弯曲强度,并通过XRD、SEM、EDS等表征多相陶瓷的物相和微观组织演变,最终建立振荡烧结工艺-组织-性能之间的关系。研究发现:振荡压力烧结AlO-Ti(C,N)复相陶瓷在1400℃下没有发生化学反应或相变。AlO-Ti(C,N)复相陶瓷的性能均随着振荡压力的增大而增加,当振荡中值压力为70MPa时,其相对密度、硬度和抗弯强度分别为99.99%、22.7GPa和693MPa;振荡压力烧结AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料中,烧结温度为1500℃时,AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的力学性能最好,其相对密度、维氏硬度、抗弯强度以及断裂韧性分别达到99.43%、21.45GPa、731MPa和5.69MPa·m。振荡压力烧结锻造工艺可以将AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的热稳定性提高到1600℃,其硬度达20GPa,弯曲强度达647MPa,断裂韧性达5.23MPa·m。当烧锻温度达到1800℃时,多相陶瓷中形成的弯曲晶界,促使AlO-Ti(C,N)-cBN陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性分别增加到877MPa和6.59MPa·m。振荡压力烧结技术能够显著提升氧化铝基陶瓷刀具材料的力学性能,优于热压烧结陶瓷材料的性能,而振荡压力烧结锻造技术更是能大幅度提升氧化铝基陶瓷刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。因而,振荡压力烧结技术和振荡压力烧结锻造技术有望制备出高性能氧化铝基陶瓷刀具,解决对高性能切削刀具的迫切需求。