原位合成晶须增韧纳米陶瓷刀具及其磨损破损行为研究

本项目克服传统晶须增韧和纳米颗粒增韧的缺点，拟采用原位合成技术，在微米或纳米基体材料上，利用价格低廉的晶须先驱体直接合成分散均匀的晶须，使晶须原位生长过程和陶瓷刀具烧结过程同时进行，充分发挥原位合成晶须增韧补强和纳米颗粒增韧补强的协同作用，研制具有优良力学性能的新型陶瓷刀具。系统研究原位分散合成晶须的生长机理和控制晶须生长数量及质量的制备技术。研究原位分散合成晶须增韧补强和纳米颗粒增韧补强的协同作用机理，揭示其增韧补强的特殊规律。研究原位分散合成晶须和纳米颗粒界面力学行为的特殊性及其与陶瓷刀具力学性能、磨损破损行为和切削可靠性的关系。建立原位分散合成晶须增韧纳米陶瓷刀具切削可靠性和刀具组分、微观结构、力学性能之间的力学模型。原位合成晶须增韧纳米陶瓷刀具的研制成功必将扩大现有陶瓷刀具的加工范围，提高陶瓷刀具的切削可靠性，促进高速切削技术的发展，具有重要的理论意义与实际应用价值。

本研究采用碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的方法，研制了Ti(CxN1-x)系晶须和LTW系列新型陶瓷刀具。提出了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的设计思路，对碳热还原合成晶须、晶须生长机理、材料力学性能、微观组织、增韧补强机理、切削性能等进行了系统研究。提出了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的设计方案和碳热还原合成碳氮化钛系晶须的设计方案。. 研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料粉末的制备。研制成功了三种碳热还原合成晶须，即TiC0.3N0.7、TiC0.5N0.5和TiC0.7N0.3，为碳氮化钛系晶须增韧陶瓷刀具材料粉末的制备奠定基础。研究了碳热还原合成碳氮化钛系晶须的生长机理。提出了碳氮化钛晶须的气-固(VS)生长机理，建立了碳氮化钛晶须的气-液-固与气-固微观生长机理模型。. 研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具的制备工艺及力学性能。研制成功了LTW310(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.3N0.7)w)，LTW510(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.5N0.5)w)和LTW710(Al2O3/Ti(C0.5N0.5)p/Ti(C0.7N0.3)w)等多种新型刀具材料。其中LTW310的力学性能为抗弯强度752.5MPa，断裂韧度8.83MPa•m1/2，硬度21.9GPa。LTW510的力学性能为抗弯强度812.9MPa，断裂韧度7.64MPa•m1/2，硬度20.0GPa。LTW710的力学性能为抗弯强度753.8MPa，断裂韧度8.12MPa•m1/2，硬度20.2GPa。并研究了LTW系列新型陶瓷刀具的力学性能与微观组织之间关系。. 研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具材料的增韧补强机理，建立了Ti(C,N)p和Ti(C,N)w协同增韧模型。研究表明，Ti(C,N)w与Ti(C,N)p协同增韧补强为主要增韧机制，纳米颗粒增韧补强为辅助增韧机制。. 研究了碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具的切削性能。连续切削淬硬40Cr合金钢的切削速度达到600m/min，断续切削淬硬45#钢的切削速度达到300m/min。LTW系列刀具与LT55刀具的抗磨损和抗破损性能良好且相当。刀具磨损以前刀面月牙洼磨损和后刀面犁沟状磨损为主，破损以前刀面贝壳状剥落和刀刃碎断为主要失效形式。