氮化硼纳米管增韧陶瓷刀具及其高效切削性能研究

研究新型高性能陶瓷刀具是高效高质量切削高温合金、高强度钢等难加工材料亟待解决的关键问题之一。鉴于氮化硼非碳纳米管具有超强力学性能、极高的纵横比、高导热性、高温化学稳定性等特点，提出将新型一维材料氮化硼纳米管用于复合陶瓷刀具的研究。通过对刀具材料体系设计、工艺优化、增韧补强机理的系统研究，研制出具有优良高温力学性能和切削性能的新型纳米管增韧陶瓷刀具，并应用于难加工材料的高效干式切削。深入研究纳米管材料的特殊增韧机制，建立增韧补强机理模型；系统研究新型陶瓷刀具的失效机理，建立基于刀具失效机理的刀具寿命与刀具材料高温力学性能和切削用量之间的力学模型、工件材料去除率与切削用量之间的优化模型，优化出最佳切削工艺参数，指导实际应用。新型高性能纳米管增韧陶瓷刀具的研制成功必将极大提高难加工材料的切削效率和刀具寿命，对提升我国刀具技术的自主创新能力和先进加工技术的进步具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目提出了将新型一维材料氮化硼纳米管（BNNTs）作为复合陶瓷刀具材料的增强相，成功制备了新型高性能Ti(C,N)基金属陶瓷刀具并研究了相关增韧补强机制。通过研究，优化出了以模板法制备多壁氮化硼纳米管的最佳工艺；实现了氮化硼纳米管的均匀分散；通过优化组分和烧结工艺制备了两种新型刀具材料：Al2O3/BNNTs以及Ti(C,N)/BNNTs复合陶瓷刀具材料，其中氮化硼纳米管复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的抗弯强度得到显著提高；结合微观形貌分析，研究了一维材料氮化硼纳米管复合陶瓷刀具材料的增韧补强机制；研究了氮化硼复合陶瓷刀具的切削性能及刀具失效机理。该研究对新型一维材料增强陶瓷刀具的研发与应用具有重要的指导意义。.研究了模板法制备多壁氮化硼纳米管的具体工艺，以碳纳米管(CNTs)作为模板，实验优化并分析了反应温度、反应时间和反应压力对BNNTs形貌的影响。优化的具体工艺为：使用30ml的反应釜，CNTs的含量定为0.5g，压力为30MPa，反应温度为600℃，反应时间15h，此时获得的产物在750℃左右空气气氛中氧化即可获得所需的BNNTs。.确定了氮化硼纳米管的分散方法，优化后决定采用油酸铵功能化BNNTs分散法并结合超声处理解决纳米管缠绕问题，以使纳米管均匀分散，利于达到更好的增韧补强效果。.通过材料设计，确定了Al2O3 和Ti(C,N)两种基体及其他添加组分的刀具材料体系。重点研究了BNNTs含量及烧结工艺对Al2O3基和Ti(C,N)基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响，其中当BNNTs含量为0.5wt%～1.5wt%时，在烧结温度为1500℃、保温时间为30min和烧结压力为32MPa的烧结工艺下，Ti(C,N)基复合刀具材料TMNB0.5的综合力学性能最好，其抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为1785MPa、18.49GPa和5.69MPa.m1/2，尤以抗弯强度的提高最为显著，该成果已获得授权国家发明专利。.对一维氮化硼纳米管复合陶瓷刀具的增韧补强机理分析认为，其增韧补强机理为裂纹偏转、裂纹分叉、晶粒桥联、断裂方式改变和残余应力增韧等。.对比研究了氮化硼复合Ti(C,N)基陶瓷刀具连续切削奥氏体不锈钢时的切削性能，优化了切削参数，刀具主要磨损机理为粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损和磨粒磨损。