雷旭霞[1]2000年在《陶瓷、硬质合金刀具激光强韧化机理及技术研究》文中进行了进一步梳理本论文主要对陶瓷、硬质合金刀具材料进行了刃口激光强韧化机理研究。 本文探讨了激光强化Si_3N_4陶瓷刀具的机理，照射后的刀刃虽有裂纹产生，但表面硬度有所提高；研究了各激光参数对产生裂纹的影响规律，并在此基础上对裂纹产生的原因进行了理论分析，提出了消除裂纹的措施；研究表明陶瓷材料的激光表面改性宜采用低功率慢扫描，得出了照射Si_3N_4陶瓷刀具刃口的最佳激光参数。 对激光强化YG8硬质合金刀具的研究表明，激光处理后刀具表面硬度得到明显提高，平均提高了50％；通过表面显微硬度、显微金相和X射线衍射等分析手段深入分析了处理带的宏观特征和微观相组成、相结构，探讨了YG8硬质合金刀具在激光照射下的强化机理及技术。
李华平[2]2004年在《氧化铝基复相陶瓷的显微结构与强韧化机理》文中研究说明氧化铝基陶瓷材料具有优异的力学性能，它的研究对于现代机械加工技术有着重要的意义。本论文简要介绍了Al_2O_3-TiC复相陶瓷刀具的研究发展近况。 颗粒弥散增强复相陶瓷是经常使用的材料复合方法。大量研究表明：采用Ti(C，N)、TiC或TiN作为第二相弥散颗粒所制备的氧化铝基复相陶瓷相对Al_2O_3单相陶瓷而言，性能有了显著的提高这类复相陶瓷性能优良，在机械加工领域有着广泛的应用前景本实验采用气压烧结(GPS)以及GPS结合热等静压(HIP)后处理两种工艺制备氧化铝基复相陶瓷。 Al_2O_3-TiCN体系，致密化过程主要为固相烧结机理；在高温高压烧结条件下，Al_2O_3与TiC之间的反应均被抑制，而TiCN的分解反应在一定程度上有所进行。Al_2O_3-TiC／TiN体系的致密化过程为液相烧结；在Al_2O_3-TiC烧结体中，有气孔以及晶粒的异常长大现象存在，从而导致所制备的Al_2O_3-TiC复相陶瓷性能不稳定。 HIP处理后，材料的各项性能指标均有所改善，特别是可以大幅度提高抗弯强度，强度分散性有所降低，材料的性能趋向稳定HIP处理后，晶界在高温高压下得到增强，断口呈典型的熔蚀行貌，断口晶界变得模糊。断裂方式由沿晶断裂为主变成以穿晶断裂为主。晶界的增强乃至断裂方式的改变是力学性能改善的根本原因。 利用扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)观察材料的微观形貌和晶界显微结构特点，用电子能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)分析了材料晶界的相组成。系统研究了氧化铝陶瓷的力学性能、微观形貌、晶界显微结构，并讨论了各添加组分的作用、材料显微结构与力学性能的关系以及材料的烧结机理和影响材料结构与性能的影响因素。 本论文探讨了氧化铝基复相陶瓷的强韧化机理，实验表明Al_2O_3-TiCN体系主要是微裂纹韧化。最后在理论上对Al_2O_3-TiN-ZrO_2-MgO复相陶瓷的强韧化机理进行了理论上的探讨。 这些基础的研究工作对优化与稳定制备工艺，获得性能优良的陶瓷材料有着现实的指导意义。
郑立允[3]2006年在《表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能》文中提出为了适应对刀具材料日益苛刻的性能要求,开发适合高速切削和干式切削的高性能刀具,本文采用高温高压氮化、多弧离子镀和复合表面处理等先进表面处理技术对Ti(C,N)基金属陶瓷进行表面处理,制备了具有优异的表面性能和韧性基体的Ti(C,N)基金属陶瓷,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDS)、原子力显微镜等试验手段研究了制备工艺、基体材料和后处理工艺对材料近表面层组织结构、性能的影响。本文首先概述了Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和性能特点、金属陶瓷表面处理的发展趋势、热等静压技术和多弧离子镀技术的原理及特点,并阐明了本文的研究目的和意义。将含Ni量为32%的金属陶瓷进行了WC、Mo成分的微量调整,以及真空烧结工艺的微量调整。在1415oC进行烧结所得金属陶瓷具有最高的横向断裂强度,其显微组织均匀,为典型的芯-壳结构,具有较高的硬度和断裂韧性,并且断裂韧性随着WC含量的增加而提高。确定了制备Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料的真空烧结工艺为1415oC保温60min。在高温高压条件下,利用热等静压炉对Ti(C,N)基金属陶瓷进行了氮化处理。热等静压氮化处理使金属陶瓷表面形成了一层大约15μm厚、富含TiN的金黄色表面反应及影响区,提高了表面显微硬度和断裂韧性。另外,在高温高压极限条件下,氮化处理温度不宜太高,否则将引起晶粒长大,降低材料的性能。首次对Ti(C,N)基金属陶瓷进行多弧离子镀制备TiN涂层。金属陶瓷多弧离子镀处理后,表面呈现致密的金黄色,镀层主要为具有(111)择优取向的TiN相,使金属陶瓷表面的显微硬度大幅度提高,不影响其抗弯强度。基体表面粗糙度值越高,涂层与基体的结合强度越低;粗糙度值越低,涂层与基体的结合强度越高。Ti(C,N)基金属陶瓷的涂层结合强度高于硬质合金基体的涂层结合强度。TiN与Ti(C,N)基金属陶瓷之间润湿性良好,TiN涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN涂层不仅光滑致密,而且与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,表面具有许多岛状Ti液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙。首次探索了Ti(C,N)基金属陶瓷的多弧离子镀+热等静压后处理的复合表面处理。热等静压后处理显著提高了TiN涂层与基体之间的结合强度,同时使涂层的断裂韧性得到显著提高,而对TiN的相结构没有影响,材料的横向断裂强度基本不变。热等静压处理提高TiN涂层性能的机制是通过扩散形成的梯度变化界面和使材料致密化加强界面间机械互锁作用。首次对Ti(C,N)基金属陶瓷进行多弧离子镀制备了厚度约为3μm的TiN/TiAlN多层涂层,其努氏显微硬度均达到2808HK,涂层与金属陶瓷之间的结合强度高达57.52N,而横向断裂强度几乎没有变化。结构分析表明,金属陶瓷基体多弧离子镀后涂层最表层为TiN,中间层主要为TiAlN,基体金属陶瓷主要为Ti(C,N)和Ni,并且在最外层和中间层中都发现有基体的衍射峰,只是峰的强度不同。TiN相和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向。TiN/TiAlN涂层组织均匀,Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大,呈现梯度分布特征。当基体材料不同时,涂层的形貌差别很大。TiN相、TiAlN相与Ti(C,N)基金属陶瓷之间润湿性良好,涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN、TiAlN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN/TiAlN涂层不仅光滑致密,均方根粗糙度为20.6nm,而且涂层与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,形成许多岛状液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙,均方根粗糙度高达272.2nm,而且表面的Ti液滴还具有方向性。采用球-盘摩擦磨损试验机研究了TiN/TiAlN多层涂层的摩擦学性能和磨损机制。TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数均低于金属陶瓷基体的平均摩擦系数。在较高载荷下,金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数较大。随着滑动速度的增大,平均摩擦系数增大,材料的质量变化由增量减少变为减量,即由严重粘着向少量粘着变化,其磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数比相同载荷、相同滑动速度下金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数小。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层是由Ti液滴颗粒和颗粒间的凹坑所构成的表面,微观上呈雨滴状,这种表面形貌有利于减小摩擦系数,改善工件表面的耐磨损性。其磨损机制主要是粘着磨损和涂层的微剥落。通过对TiN、TiN/TiAlN涂层的膜层裂纹密度的分析,发现Ti(C,N)基金属陶瓷基体的TiN膜层的压痕边缘出现了大块的片状剥落,膜层的脆性较大,断裂韧性很低。而经热等静压处理后膜层-基体之间的结合力显著提高,具有最高的断裂韧性。金属陶瓷基体上TiN/TiAlN多层涂层的断裂韧性高于硬质合金基体的,其压痕形貌中没有涂层剥落,而且不同基体上的压痕裂纹其特点也不同,金属陶瓷基体膜层的径向裂纹非常短,并有裂纹偏转现象;而其侧向裂纹很长,分布压痕周围。硬质合金基体上膜层的径向裂纹很长,非常平直,从裂纹起始端到裂纹尖端,几乎为一直线;侧向裂纹很短,只有与颗粒方向垂直的压痕边缘才稍微有一点侧向裂纹。通过用TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具对0Cr18Ni9钢和45#钢进行铣削实验,发现TiN/TiAlN涂层金属陶瓷的切削性能明显优于未涂层金属陶瓷和硬质合金YW2,其平均寿命为硬质合金刀具的2倍。TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具的失效形式主要是磨损和崩刃,没有涂层剥落现象,TiN/TiAlN涂层与基体的结合强度很好。未涂层金属陶瓷刀具的磨损形式主要是磨损和粘着。
李彬[4]2010年在《原位反应自润滑陶瓷刀具的设计开发及其减摩机理研究》文中研究说明本文提出了原位反应自润滑陶瓷刀具的概念,即：利用刀具切削高温作用下的摩擦化学反应,在刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜,从而实现刀具的自润滑。研制成功以Al2O3为基体、ZrB2为增强相、ZrO2为弥散相的新型自润滑陶瓷刀具材料,并对其制备工艺、性能、微观结构、摩擦磨损特性及自润滑机理、切削性能及减摩机理进行了深入的研究。在对刀具切削加工的摩擦特点分析的基础上,提出了原位反应自润滑陶瓷刀具材料的设计原则,确定了自润滑刀具的材料体系；对原位反应自润滑陶瓷刀具材料配方进行了优选,并设计出Al2O3／ZrB2／ZrO2原位反应陶瓷刀具材料；对自润滑陶瓷刀具材料进行了化学物理相容性设计,结果表明在热压烧结过程中不会发生化学反应,同时确定了添加相的极限体积含量；对自润滑陶瓷刀具材料进行了摩擦学设计,热力学结果证明了切削中原位反应能够发生,同时分析了润滑膜的减摩机理。利用热压烧结工艺制备出Al2O3／ZrB2／ZrO2自润滑刀具材料(AZ系列自润滑材料),对材料的配比及烧结压力、保温时间等工艺参数进行了优选,并确定了最佳值。经研究发现,采用二次球磨工艺,当ZrB2／ZrO2含量为20%,在烧结温度为1700℃,烧结压力为30MPa,保温时问为20min时,可以制备出综合力学性能最好的自润滑刀具材料AZ20,其维氏硬度为23.1GPa,抗弯强度为760.9MPa,断裂韧性为6.19MPa·m1／2。在此基础上,进行了材料相组成扫描和显微结构观察,研究了球磨细化工艺对材料性能与微观结构的影响,并分析了原位反应自润滑陶瓷刀具材料内在的增韧补强机制。提出了自润滑陶瓷刀具材料高温氧化模型,根据复合材料的相关物性参数,模拟出Al2O3／ZrB2／ZrO2自润滑刀具材料在氧化温度θ<1000℃的氧化简图,并对AZ系列材料在900℃时氧化增重进行了预测。对AZ系列自润滑陶瓷刀具材料进行了高温氧化试验,研究了不同条件下自润滑陶瓷刀具材料的高温氧化特性,其氧化增重大体符合抛物线规律。理论预测曲线与实际氧化曲线的大体趋势相似,试验的氧化增重数值比理论预测的值要高,主要因为理论模型过于理想化,实际影响氧化增重的因素较多所致。随着氧化时间的增加,AZ系列自润滑材料氧化速率逐渐降低,氧化进程逐渐缓慢。主要因为氧化生成的ZrO2覆盖在材料的表面,一定程度上阻碍了复合材料继续氧化。AZ系列自润滑材料在不同温度下氧化20h后,力学性能均有不同程度下降,其中,当氧化温度为700℃时下降明显。氧化试验和X射线衍射结果表明复合材料在500～700℃时已开始氧化。对原位反应自润滑陶瓷刀具材料的摩擦特性及减摩机理进行了研究。建立了摩擦磨损过程中接触区平均压力与最高温度的解析计算式。研究了ZrB2／ZrO2含量、摩擦速度和环境温度对AZ系列自润滑刀具材料的摩擦磨损特性的影响,对润滑膜的转移与破坏机理进行了深入分析,同时探讨了不同摩擦条件下原位反应自润滑的作用。结果表明：AZ系列自润滑刀具材料的摩擦系数随ZrB2／ZrO2含量的增加而降低,当ZrB2／ZrO2含量为20%时,其磨损率最小,由于该陶瓷材料的综合力学性能在AZ系列材料中最好,并且在摩擦中其表面形成了一层润滑膜,改善了摩擦性能,有助于磨损率的降低。AZ20自润滑陶瓷材料摩擦系数和磨损率总体上随着摩擦速度和环境温度的升高呈现下降的趋势。主要因为原位反应后有ZrO2和B2O3的生成,其在高温下具有一定的润滑性,不易产生粘结磨损。研究了原位反应自润滑陶瓷刀具的切削性能及减摩机理。AZ20陶瓷刀具在空气中切削45号正火钢和淬火钢时,当切削深度ap=0.2mm,进给量f=0.1mm／r,切削速度v超过160m／min时,刀具表面可以发生原位反应自润滑,形成了ZrO2和B2O3自润滑膜,具有一定的减摩特性,不易产生粘结磨损,并使得切削时刀具的磨损较均匀,不易发生崩刃的情况。由于原位反应自润滑的作用,AZ20陶瓷刀具在空气中切削45号正火钢和淬火钢时,后刀面磨损、切削力、摩擦系数和已加工工件的表面粗糙度总体上要比AZ20在氮气环境和SG4在空气环境中切削时低。在切削深度ap=0.2mm,进给量f=0.1mm／r,切削速度v=160m／min的切削条件下,切削45号正火钢时,AZ20自润滑刀具的寿命较SG4陶瓷刀具提高了17.6%；切削45号淬火钢时,寿命较SG4陶瓷刀具提高了20%。提出了一种考虑材料与摩擦特性的切削温度场仿真方法,试验均值与仿真结果值相差不大且变化趋势较为一致。
刘雯[5]2012年在《电场激活和压力辅助法制备AlMgB_(14)基超硬复合材料及性能表征》文中提出AlMgB14超硬材料因具有较高的硬度、优良的耐磨性、化学惰性、低摩擦系数及廉价的原材料等特点,是继金刚石、立方氮化硼、碳化硼之后,硬材料中的又一新成员,近年来受到极大关注。AlMgB14基复合材料可承受大范围的温度变化,将主要应用于军工、金属切削、采矿、林产石油业及农业等行业的特殊机械。近期研究表明AlMgB14-TiB2复合材料的显微硬度可达到48GPa,且具有特殊的耐磨性、韧性和热传导性等重要性能。电场激活和压力辅助烧结合成技术(Field Activated and Pressure Assisted Synthesis, FAPAS)是在多物理场(电场、机械场、温度场、化学场)耦合条件下的新材料合成新技术,具有温度高、升温速度快、高效和节能等优点,已经成为耐高温功能块体材料合成的关键技术之一。本文采用机械合金化(Mechanical alloying, MA)与FAPAS工艺合成了AlMgB14块体及其复合材料,采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜手段对其进行了表征。研究了AlMgB14-TiB2复合材料及AlMgB14-CNTs复合材料的合成原理、制备工艺、致密化和力学性能；对烧结温度、压力等工艺参数对产物纯度及性能的影响进行了系统分析；采用显微硬度压痕法对合成金属陶瓷的断裂韧性进行表征,采用磨粒磨损试验和单点划痕试验对样品表面耐磨性进行分析。研究结果表明,以Al-Mg-B为反应体系,采用电场激活与压力辅助烧结法(FAPAS)技术可以制备致密的AlMgB14块体材料。本方法具有加热快、时间短、节能和纯度高的优点,为合成AlMgB14提供一条新途径。对Al-Mg-B体系的相图分析表明,烧结温度大于1000℃,加热速度为100℃/min以及足够的烧结时间是保证体系反应完全且获得致密AlMgB14块体材料的基本条件。通过研究获得的AlMgB14块体材料的优化工艺参数为：烧结温度1400-1500℃、升温速率100℃/min、轴向压力60MPa、保温时间8-10min；初始粉体最佳质量比例Al:Mg:B=0.1915:0.1363:0.6722,颗粒度在2μm左右。对于Al-Mg-B反应体系,由FAPAS法制备的AlMgB14材料中通常含有MgAl2O4,原因是来自初始粉和球磨过程中残留的氧与Mg、Al发生反应的结果。通过加入过量3wt.%Al和控制烧结温度,有利于降低MgAl2O4的含量。制备的AlMgB14的平均硬度27.2GPa,平均密度为2.62g/cm3,断裂韧性为3MPam1/2。将采用FAPAS法制备的AlMgB14预反应粉和TiB2粉混合,在烧结温度1500℃,轴向压力60MPa,升温速度1008/min、保温时间15min条件下制备了具有较理想组织结构的AlMgB14-TiB2复合材料；分析结果表明,AlMgB14-TiB2复合材料的显微硬度随TiB2含量的增加而增加；当TiB2含量为30%时,AlMgB14-TiB2复合材料的显微硬度31.5GPa,断裂韧性KIC值可达到3.65MPa·m1/2,比单一的AlMgB14提高20%。从微观结构分析AlMgB14-TiB2复合材料的增韧机制主要是硬质相弥散强化、高强界面结合及TiB2的高弹性模量和高硬度增韧补强,所以,把TiB2的颗粒尺寸降至纳米级是提高韧性和硬度的一种有效方法。常温摩擦磨损实验的研究结果表明,在AlMgB14中添加TiB2使得材料的抗磨损性能提高。单一AlMgB14的摩擦系数为0.45-0.55,而AlMgB14-TiB2复合材料的摩擦系数为0.4-0.45；在相同载荷下AlMgB14-TiB2复合材料的磨损量随TiB2添加量增加而降低,相同成分的AlMgB14-TiB2复合材料随着所加压力的增大使划痕的宽度增大。采用FAPAS法制备了AlMgB14-CNTs复合材料的实验结果表明,添加碳管不仅提高AlMgB14的硬度,也提高了韧性,添加0.5%碳纳米管的增强增韧效果最好。通过HRTEM、SEM和EDS对AlMgB14-CNTs的微观结构进行表征,发现AlMgB14-CNTs复相陶瓷硬度和断裂韧性均随碳纳米管含量的增加呈先升后降,最大值分别在CNTs添加量为0.5wt%时获得；然后随碳纳米管含量的继续增加而逐渐降低；对添加0.5wt%碳管的复合材料显微结构分析发现了这种机制：加入碳管细化了晶粒并形成混乱的网络结构,使裂纹沿着碳管和AlMgB14晶体之间的界而偏转延伸导致增韧,由此提出,高质量的碳纳米管均匀地分散、不被破坏及和基体的相容性是大幅度提高AlMgB14--CNTs复合材料断裂韧性的因素；另外,通过对比实验,发现0.5wt%碳管的AlMgB14--CNTs复合材料耐磨损性能最好,且这种材料具有一定的自润滑性能。
丁战辉[6]2006年在《ⅣB族金属氮化物及其纳米复合材料的合成与性能》文中研究说明本论文以探索新型超硬、耐磨、耐高温、导电的纳米复合陶瓷材料为出发点,对几种过渡族金属的氮化物、硼化物复合材料的形成规律、制备工艺、微观结构、力学和电学性能,以及Raman光谱进行了分析研究。研究了高能球磨法制备非晶和纳米晶体的机制。对压力和局域有效温度在合金化过程中的作用以及机械驱动非晶晶化的机制进行了讨论。本论文以钛粉(Ti)和六方氮化硼(h-BN)为原料,利用高能球磨和恒温热处理方法制备出δ-TiN_x纳米晶,提出机械驱动晶化过程是在球磨过程中碰撞引起的局域温度和压力共同作用的结果,其晶化机制与高压下无长程原子扩散的非晶晶化机制相似。TiB2/ TiN复合材料是一种具有高温硬度和延展断裂韧性都很高的复合材料。结合球磨和高温高压技术,原位制备出晶粒无异常长大的致密TiB2/ TiN复合材料并对其合成机制、结构和力学性能、热学性能、电学性能的变化进行了研究。对晶粒度和致密性对复合材料性能的影响规律进行了深入研究。采用高温高压原位反应技术合成ZrB2/ ZrN复合材料,对比不同原料配比对合成复合材料的影响,对材料的合成机理、强韧化机制,材料的显微结构特征及其与材料性能的关系进行了研究。
参考文献：
[1]. 陶瓷、硬质合金刀具激光强韧化机理及技术研究[D]. 雷旭霞. 大连理工大学. 2000
[2]. 氧化铝基复相陶瓷的显微结构与强韧化机理[D]. 李华平. 武汉理工大学. 2004
[3]. 表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能[D]. 郑立允. 华中科技大学. 2006
[4]. 原位反应自润滑陶瓷刀具的设计开发及其减摩机理研究[D]. 李彬. 山东大学. 2010
[5]. 电场激活和压力辅助法制备AlMgB_(14)基超硬复合材料及性能表征[D]. 刘雯. 太原理工大学. 2012
[6]. ⅣB族金属氮化物及其纳米复合材料的合成与性能[D]. 丁战辉. 吉林大学. 2006
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