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基于超快速烧结的（Ti,W）C金属陶瓷刀具及其切削性能研究

基于超快速烧结的（Ti,W）C金属陶瓷刀具及其切削性能研究

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作者：王志勇齐鲁工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着高速切削加工的发展与应用,绿色、环保的干式切削备受人们青睐,而这无疑对刀具本身的机械性能提出了更严苛的要求。为了制备出与高速干式切削相适应的高性能金属陶瓷刀具,本文采用放电等离子耦合高频感应烧结(SPS-HF)技术,... 详细信息

近年来,随着高速切削加工的发展与应用,绿色、环保的干式切削备受人们青睐,而这无疑对刀具本身的机械性能提出了更严苛的要求。为了制备出与高速干式切削相适应的高性能金属陶瓷刀具,本文采用放电等离子耦合高频感应烧结(SPS-HF)技术,在超快速烧结条件下制备了具有致密微观组织和优异力学性能的(Ti,W)C金属陶瓷刀具。超快速烧结的金属陶瓷刀具具有结构、性能连续梯度分布的特征,且在刀具表层形成残余压应力,从而有效提高了刀具的力学性能和切削性能。首先,采用放电等离子耦合高频感应烧结技术制备了(Ti,W)C金属陶瓷刀具材料,研究了超快速烧结速率对金属陶瓷刀具烧结行为、微观结构和力学性能的影响。结果表明,慢速地烧结延长了晶粒长大的时间,导致金属陶瓷材料在保温过程中的晶粒粗化;而适当的快速烧结产生的电场加强了金属液相的传质,抑制了金属陶瓷的晶粒尺寸,改善材料的致密化过程。(Ti,W)C金属陶瓷刀具的最佳烧结速率为500℃/min,其抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度和相对密度分别为1340.90±23.55 MPa、11.96±0.23 MPa·m、18.42±0.46 GPa和99.56±0.15%。然后,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立了电-热-磁-力耦合有限元模型,将电流、固体传热、磁场和固体力学物理场进行耦合,研究超快速烧结速率下(Ti,W)C金属陶瓷刀具材料中电磁场、温度场和应力场的分布规律及变化情况。金属陶瓷材料表层及内部的电流密度大小不同,电流分布直接影响SPS-HF超快速烧结过程中的单位体积能量生成率,从而影响烧结过程中的温度梯度。此外,应力的分布依赖于与温度有关的晶粒长大。另一方面,分析了超快速烧结下(Ti,W)C金属陶瓷刀具的连续梯度分布规律。结果表明,由于“梯度”烧结效应,刀具材料的晶粒生长状态不同,(Ti,W)C陶瓷相的晶粒尺寸从材料表层到内部逐渐减小。此时,材料表层晶粒较大,金属液相主要集中在相邻晶粒的三叉交界处;内部晶粒较小,金属液相由于晶粒细化而弥散均匀分布于晶粒之间。综合上述因素,刀具表层形成了残余压应力,硬度较高;而内部界面结合强度优,强韧性好。最后,采用单因素试验法,在不同的加工参数条件下对奥氏体304不锈钢进行了高速干切削试验,探究了超快速烧结对(Ti,W)C金属陶瓷刀具切削性能的影响。结果表明,相较于常规烧结,超快速烧结的金属陶瓷刀具由于表层残余压应力的存在,减小了切削过程中的三向切削力,降低了剪切能和摩擦能,从而使得切削温度和摩擦系数显著下降,改善了工件表面加工质量。并且,超快速烧结形成的结构、性能连续梯度分布,增强了刀具的抗磨损能力,提高了其耐磨性能,刀具使用寿命提高了14.29%。与此同时,该刀具干切削奥氏体304不锈钢的优化切削参数为v=300 m/min、a=0.10 mm和f=0.102 mm/r。超快速烧结的(Ti,W)C金属陶瓷刀具前刀面主要为粘结磨损,并伴有轻微的扩散磨损;而后刀面主要是磨粒磨损和粘结磨损。

关键词：放电等离子烧结金属陶瓷刀具连续梯度分布力学性能切削性能

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