（機械制造及其自動化專業(yè)論文）納米改性金屬陶瓷刀具的研制及其幾何參數(shù)的數(shù)字化設計.pdf

摘要 t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷是一十世紀七十年代出現(xiàn)的一種新型刀具材料。由于其具 有密度低、硬度和紅硬性高于硬質合金、化學穩(wěn)定性和抗氧化性好、對鋼的摩擦 系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)高于硬質合金等性能特點，再加上其不含或少含資源有限、 價格昂貴的w c 、c o 物質應用于工業(yè)生產(chǎn)有利于提高工效、降低成本，因而國 內外對t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷進行了大量的研究同時其作為新型的刀具材料在金屬 切削領域內也得到了廣泛地麻用。但該類刀具材料表現(xiàn)出來的問題是強韌性不足， 因此如何提高t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷的強韌性就成為材料和切削加工工作者所關注 的問題。 本文正是圍繞著該問題而開展研究的，作者采用納米技術研制出了納米t i n 改性的t i c 基金屬陶瓷刀具材料：然后對所研制出的納米改性金屬陶瓷刀具的切 削性能進行了研究，并對造成其磨損的原因及該刀具材料磨損的規(guī)律進行了分析 晟后采用有限元的方法對維金屬切削過程進行了數(shù)值模擬，并據(jù)此得出所研制 刀具材料體內的受力狀況，優(yōu)化出刀具的最佳幾何參數(shù)。 本論文的主要內容幣創(chuàng)新點如下： 在第一章里首先綜述了金屬陶瓷刀具材料的發(fā)展和研究概況，對其材料特 性、組織和性能特性、制備工藝和其在工業(yè)上的應用進行了分析：介紹了納米技 術及納米材料所固有的特性，重點對在常規(guī)材料中通過添加納米粉末使材料性能 改善( 納米改性技術) 的原理和研究狀況進行了闡述：隨后介紹了有限元技術在 金屬切削研究中的應用及最新進展。晟后對本論文的來源、研究目的及主要研究 內容進行了說明。 第二章為制備性能優(yōu)異的納米改性t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷刀具材料，就納米粉 體合適的分散手段及其臺適的分散介質進行了研究，并對納米改性t i ( c ，n ) 基金屬 陶瓷刀具材料的制備工藝進行了探討和制訂，以充分發(fā)揮納米粉體的改性效果。 利用研究得到的分散手段和制各工藝，研究了納米t i n 改性的與納米一微米t i n 復合改性的兩種添加方式下t i c 基金屬陶瓷刀具材料的性能，發(fā)現(xiàn)兩種改性方式 對其力學性能均有一定的改善，并通過實驗得出合適的納米添加量；同時對納米 顆粒添加所引起刀具材料韌性提高的機制進行了分析。本章最后用優(yōu)化出的分散 工藝及納米添加量制備出納米改性t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷刀具材料，對其力學性能進 行測試和分析。 第三章用所制備的納米改性金屬陶瓷刀具進行了實際的切削試驗，并參考國 內外相關的文獻報道，對其與加工對象的臺理匹配問題以及其切削加工時的磨損 等問題進行全面的闡述。通過切削試驗表明：所研制的納米改性金屬陶瓷刀具在 加工塑性材料時表現(xiàn)出較優(yōu)異的切削性能；但在切削鑄鐵類脆性材料時，優(yōu)勢 不明顯。在本章還通過切削實驗得出納米改性金屬陶瓷刀具在加工4 5 鋼時，切削 用量三要素對該刀具使用壽命的影響規(guī)律并對造成刀具磨損的原因進行了分析。 第四章在充分分析了金屬切削過程的變形原理之后，建立了直角自由切削過 程的有限元模型，并利用國際通用的大型有限元計算軟件對其進行了數(shù)值模擬； 并研究了數(shù)值模擬過程中所涉及到的非線性、切屑分離標準、刀具前后刀面的摩 擦等問題。為了驗證所使用的數(shù)值模擬方法的計算精度作者用應變式測力儀測 出了切削過程中刀具從起始階段到穩(wěn)定階段切削力的變化，并用快速落刀的方式 得出變化不同前角時剪切角的數(shù)值；將這些實驗結果與數(shù)值模擬出的結果進行比 較，發(fā)現(xiàn)兩者表現(xiàn)出較好的一致性。 第五章采用有限元的方法同時結合具體的切削實螗對所研制的納米改性金 屬陶瓷刀具的兒何參數(shù)進行了優(yōu)化。從增強刀具強嚏鴨角度來看，發(fā)現(xiàn)對納米改 性金屬陶瓷刀具而言，正前角下帶負倒棱的刀具刃e j 形式。是一個較為合理的選 擇。井分析了用所研甫的金屬陶瓷刀具進行斷續(xù)切削時，最佳的刃區(qū)倒棱參數(shù)及 刀具刃區(qū)的強化機理。 第六章總結了本文主要的研究結果和結論對該刀具在實際生產(chǎn)應用的情況 進行了說明，并對該諜題以后進一步的1 二作進行了展望。 關鍵詞：t i c 基金屬陶瓷，納米t i n 改性，金屬陶霞制備，金屬切削，刀具 使用壽命，刀具磨損，有限元方法，金屬切削過群數(shù)值模擬，刀具幾何參數(shù)優(yōu)化 a bs t r a c t t i ( c ，n ) b a s e d c e r m e ti san e wk i n d o ft o o lm a t e r i a la n dw a s d e v e l o p e d i n 1 9 7 9 s b e c a u s ei to w n s m a n y e x c e l l e n t p r o p e r t i e s s u c ha sl o w d e n s i t y ，h i g h e r h a r d n e s sa n dr e d - h a r d n e s st oc a r b i d e ，c h e m i c a ls t a b i l i t y ，g o o d i n o x i d i z a b i l i t y , l e s s f r i c t i o nc o e f f i c i e n tt o s t e e l ，h i g h e rt h e r m a le x p a n s i o nt oc a r b i d e ，a n dc o n t a i n sn oo r l e s sr e s o u r c e i i m i t e da n de x p e n s i v ew ca n dc o ，i tisa p p i i e dt oi n d u s t r i a lp r o d u e t i o n t op r o m o t ew o r ke f f i c i e n c ya n dd e c r e a s e st he c o s t t h e r e f o r e ，t i ( c ，n ) b a s e dc e r m e t i ss t u d i e dd e e p l yh o m ea n da b r o a d 。a n dh a sw i d eu s ei nm e t a lc u t t i n ga s an e w t y p e o fc u t t i n gt o o l sm a t e r i a l i t sd is a d v a n t a g eist h a ti th a sl e s s s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， s ot h e p r o b i e mf o r r a is i n gi t s s t r e n g t h a n d t o u g h n e s sh a s b e e n p a i da t t e n t i o nb y m a t e r i a la n dm e t a l - c u t t i n gr e s e a r c h e r s i t i st h isp r o b i e mt h a t iss t u d i e di nt h isd is s e r t a t i o n t h ea u t h o rd e v e l o p san e w k i n do ft o o lm a t e r i a lo fn a n o - t i nm o d i f i e dt i c - b a s e dc e r m e t sb yn a n ot e c h n o l o g y ， t h e nr e s e a r c h e st h e c u t t i n gp r o p e r t i e sf o ru s i n gt h i sc u t t e ra n da n a l y z e si t s w e a r i n g r e a s o n s ，a p p r o a c h e s i t s w e a r i n gr u l e s ，i nt h ee n ds i m u i a t e st h e2 - dm e t a l - c u t t i n g p r o c e s sa d o p t i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，g e t st h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e d e v e l o p e dc u t t e rb o d y ，a n do p t i m i z e si t sg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s m a i ns t u d ya n dc r e a t i v ew o r ki n c i u d et h ef o l l o w i n gp a r t s ： c h a p t e ro n ef i r s t l yo v e r v i e w st h ed e v e l o p m e n to fc e r m e tc u t t era n di t sg e n e r a l s i t u a t i o ni n r e s e a r c h ，a n a l y z e si t s m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sc h a r a c t e r i s t i c s s t a t e s i t s a p p l i c a t i o n s i n i n d u s t r y ，i n t r o d u c e s t h ei n h e r e n t p r o p e r t i e s o w n e d b y n a n o t e c h n o l o g y a n d n a n o m a t e r i a l ，e s p e c i a l l yr e p r e s e n t s t h em e c h a n i s m sa n d r e s e a r c h i n g s t a t u so nn a n o - m o d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y ( m o d i f y i n g t h em a t er i a l s p r o p e r t i e sb ya d d i n gn a n o - p o w d e ri nc o n v e n t i o n a lm a t e r i a l ) i nt h ef o l l o w i n gp a r ti t s u m m a r i z e st h e a p p l i c a t i o n a n d u p d a t ed e v e l o p m e n t o ff e mi n m e t a l c u t t i n g p r i n c i p l e f i n a l l y ，t h eb a c k g r o u n d so ft h er e s e a r c h p r o j e c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ， p u r p o s e sa n dm a i nj o b so ft h ep r n j e c ta r eg i v e n i n c h a p t e rt w o ，i no r d e rt od e v e l o pe x c e l l e n tn a n o t i nm o d i f i e dt i c b a s e d c e r m e n tc u t t e r ，t h ed i s p e r s i o np r o c e s sa n ds u i t a b l ed i s p e r s i n gm e d i a t o ra r es t u d i e d ， a n di t s f a b r i c a t i n gt e c h n i q u ei sa l s oe x p l o r e da n ds p e c i f l e dt oe x p l o i tt h ea d v a n t a g e s o fn a n o - p o w d e rm o d i f i c a t i o ne f f e c t u s i n g t h e d e v e l o p e d d is p e r s i n g a n d m a k i n g p r o c e s s ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ep r o p e r t i e so ft i c - b a s e dc e r m e tc u t t e rm a t e r i a l w h e nn a n o - t i nw a sa d d e ds o l e l ya n dm i x e dw i t h “m t i n d is c o r e r st h a tb o t ho ft h e t w on a n o p o w d e rm o d i f i c a t i o n sc a nm a k ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t t e rt os o m e e x t e n d ，f i n d st h eo p t i m a la m o u n to ft h ea d d i t i v en a n o t i np o w d e rb ye x p e r i m e n t s ，i n t h es a m et i m ea n a l y z e st h ef u n d a m e n t a l sf o rp r o m o t i n gt h et o u g h n e s so fd e v e i o p e d c u t t e rb y a d d i n gn a n o - p o w d e r i nt h ee n dt h en a n o - t i nm o d i f i e dt i c - b a s e dc e r m e t c u t t e ri sf a b r i c a t e dt ou t ili z et h eo p t i m i z e dd i s p e r s i n gp r o c e s sa n da d d i t i v ea m o u n t o fn a n o - p o w d e r ，a n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e d e v e l o p e d c u t t e ra r ea l s o t e s t e da n da n a l y z e d i nc h a p t e rt h r e e ，v a r i o u sc u t t i n gt e s t sa r ed o n eu s i n gd e v e l o p e dc e r m e tc u t t e r d e p e n d i n g o nt h e p r e s e n ts t u d y s i t u a t i o na th o m ea n d a b r o a d ，t h e r e a s o n a b l e m a t c h i n g o f d e v e l o p e dc u t t i n g t o o lw i t h w o r k p i e c e m a t e r i a lsa n di t s w e a r i n g m e c h a n is mw h e nm a c h i n i n ga r ed i s c u s s e df u l i y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e v e l o p e dc e r m e tc u t t e ri ss u i t a b i et om a c h i n ep l a s t i cm a t e r i a l sa n ds h o w se x c e l l e n t t u t t i n gp r o p e r t i e s ，b u ti t h a sn oa d v a n t a g ew h e nm a c h i n i n gb r i t t l em a t e r i a l ss u c ha s g r a yc a s ti r o n b e s i d e s ，t h r o u g hc u t t i n gt e s t st h e1 i f e sp a t t e r no ft h ec e r m e tc u t t e r w h i c hi sa f f e c t e db yt h r e ec u t t i n gp a r a m e t e r si s g o t t e nw h e nt h e ya r eu s e df o rc u t t i n g n o r m a i i z e d4 5s t e e i a n dt h ec a u s e st og e n e r a t et h ec u t t e r sw e a ra r ea l s od i s c u s s e d i n c h a p t e rf o u r ，a f t e rt h e d e f o r m i n gp r i n c i p i e o f m e t a l c u t t i n gp r o c e s s i s s u f f i c i e n t l yi n v e s t i g a t e d ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h et w o d i m e n s i o n a l m e t a l - c u t t i n gp r o c e s si sb u i l ta n ds i m u l a t e dt h r o u g hu s i n g t h ei n t e r n a t i o n a l l a r g e s c a l eu n i v e r s a lf e ms o f t w a r e s o m ep r o b l e m sm e ti nt h es i m u l a t i o n a r ea l s od i s c u s s e ds u c ha sn o n - l i n e a r i t y ，c h i pd e p a r t i n gc r i t e r i a ，f r i c t i o no n t h et o o lf a c ea n dt 0 0 1f l a n k a n ds oo n i no r d e rt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f s i m u l a t e dr e s u l t ，t h ev a r i a t i o n a lp a t t e r no fc u t t i n gf o r c ef r o mt h e s t a r t i n g p r o c e s so fm e t a lc u t t i n gt ot h es t e a d yp r o c e s so fm e t a lc u t t i n gi so b t a i n e dt o u s et h es t r a i nt y p ed y n a m o m e t e r ，a n dt h es h e a ra n g l ev a l u e si nd i f f e r e n tt o o l r a k e sa r ea l s o g o t t o a p p l yf a s tt o o l - d r o p p i n ge q u i p m e n t c o m p a r e dt h e s i m u l a t e dd a t aw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ev a l i d i t yo fs i m u l a t e dr e s u l ti s p r o v e d c h a p t e r f i v e a d o p t s f e ma n dr e a l c u t t i n g t e s t st o o p t i m i z e t h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sf o rt h ed e v e l o p e d n a n om o d i f i e dc e r m e tc u t t e r i ti s d i s c o v e r e dt h a tf o rt h ec e r m e tc u t t e ri t i sar e a s o n a b l et o o l sc u t t i n ge d g e s h a p et oh a v eal a n do ni t st i p a sw e l la sp o s i t i v er a k ea n g l e ，a n dt h isw i l l e n h a n c et h et o o l s s t r e n g t h t h e t o o l s c u t t i n g t e s t si n i n t e r r u p t e d m a c h i n i n ga r ea l s od o n e ，a n df r o mt h i s t h eo p t i m a lc h a m f e r i n gp a r a m e t e r s o ft o o lt i pa r eg i v e na n di t ss t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mi sa n a l y z e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t b e e ns u m m a r i z e di n c h a p t e r p r o d u c t i o np r a c t i c eh a v eb e e n t h i sr e s e a r c hs u b jc o ti nt h el a t e sa n dc o n c l s i x t h ed e i n t r o d u c e d rw o r ka r ea u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i 0 v e l o p e d c u t t e r s a p p l i c a t t h ek e y s t o n e sa n dd i r e c t i l s op o i n t e do u t k e y w o r d ：t i c b a s e dc e r m e t ， n a n o - t i nm o d i f i c a t i o n ，c e r m e td e v e l o p m e n t m e t a l c u t t i n g ，t o o l sl i f e ，t o o l s w e a r ， f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， m e t a l - c u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o f c u t t i n gt o o l i 缸 h 坫“ n k o 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù) 我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果，也不包含為獲得盒蟹互些太堂或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：字 專 簽字日期：一；年， 月r 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解蟲國堂盔翅王! | ( 出宣題2 有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 有權保留井向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人 授權蟲亙鱟查翅9 ( 當窒題2 電王盤查扯可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù) 庫進行檢索。可以采用影印、索引或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：沏瞎導師簽名： 、 廁驢 簽字日期：；年t 2 月廠日 簽字日期：一舜i 月j 、日 學位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位： 通信地址： 電話： 郵編： 致謝 在論史完成之際，謹向我的導師劉正士教授表示深深的敬意和裹心的感謝 在攻讀博士的這些年里，自始自終都得到了劉老師的關心和鼓勵。導師在論文的 選題、研究、撰寫等方面都給予了悉心指導，劉老師縝密的科學態(tài)度、淵博的學 術水平、嚴謹?shù)闹螌W思想、認真細致的工作作風和誨人不倦、為人師表的道德品 質，深深地感染著作者，是作者完成學位論文最有力的保障，并將永遠鞭策著我 將來在事業(yè)上的發(fā)展。 在論文的研究中，同樣一直得到張崇高教授和劉寧教授的悉心指導和幫助 并為我提供了良好的研究條件和課題來源保證，兩位老師認真、細致的工作作風 和堅忍不拔的研究毅力是我除學業(yè)外又一珍貴的收獲，在此表示真摯的感謝。 論文的順利完成與整個課題組的支持和幫助是分不開的。謝謝曾經(jīng)在一起做 課題研究的我校機汽學院楊海東工程師及碩士生趙吉文、錢昌明和材料學院的許 育東老師及碩士生李華、李振紅的支持和幫助。在實驗過程中，我院的許少平， 王從周、邢庭元、茅庭章高級實驗師，材料學院的王強老師、程娟文老師、鄭玉 春老師，電氣學院的葉銘博士等都給予了很大幫助，在此一并表示感謝i ， 在調研和實驗過程中，作者還得到了德國斯圖加特大學a l u n k 教授、山東 大學機械學院張建華教授、清華大學紫光集團仇啟源教授、上海交通大學袁人煒 博士，華南理工大學的湯勇教授，中科院固體研究所李廣海研究員及中國科技大 學力學和機械工程系傅玉燦博士后的極大支持，在此致以深切的謝意! 最后，謝謝我愛人的鼓勵和我家人的全力支持。正是因為有他們作為強大的 后盾，使我能夠拋開一切家庭瑣事，一心一意地潛心于學習和研究工作中，論文 里同樣浸透著他們的心血和汗水。 謝謝所有關心和幫助過我的老師和朋友! 謝峰 2003 年1 0 月20 日 本論文的研究得到國家。九五”科技攻關項目( 編號9 9 - d0 49 ) 和安徽省 自然科學基金項目( 編號0 10 44 107 ) 的資助，在此，謹向國家科技部及安徽省科 技廳表示深深的感謝。 第一章緒論 第一章緒論 1 1 金屬陶瓷刀具的研究和發(fā)展概況 1 1 1 切削刀具的研究進展 刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質量、切削效率、刀具壽命的基本因素。刀具新 材料的出現(xiàn)，往往能成倍的提高生產(chǎn)率，并能解決某些難加工材料的加工。同時，隨著切 削技術的不斷發(fā)展，人們對刀具材料的性能也提出了越來越高的要求，因此研制高性能 的刀具材料一直是刀具研究的熱點。 如新型高速鋼刀具材料的研制，在普通高速鋼w 1 8 c r 4 v 成分基礎上可改進得到高碳 高速鋼、高鈷高速鋼、高釩高速鋼和鋁高速鋼。如我國研制的無鈷廉價含鋁高速鋼5 0 1 ， 切削3 0 g r m n s i a 時加工零件數(shù)為w 1 8 c r 4 v 刀具的3 2 倍i i “j 。 粉末冶金高速鋼也是近2 0 年來研制出的先進刀具材料，用粉末冶金方法制造高速鋼。 可消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性，當釩含量高時亦能較好地被刃磨成形1 1 4j ，在加 工高強度高溫合金、鈦合金和其它難加工材料中有很大的優(yōu)越性。如粉末冶金高速鋼g f 3 被認為是拉削膛線最好的刀具材料。 物理氣相沉積涂層高速鋼是近十余年發(fā)展起來的。在高速鋼基體上，用物理氣相沉積 ( p v d ) 法涂覆耐磨材料薄層，可顯著提高刀具壽命和加工表面質量，降低切削力。 此外，硬質合金刀具材料也在不斷發(fā)展，在幾種普通硬質臺金刀具材料y t 、y g 系列 產(chǎn)品基礎上，推出了一系列新型硬質合金。如；添加t a c 、n b c 的硬質合金，添加后能有 效地細化晶粒，提高其高溫強度和高溫硬度以及抗擴散和抗氧化的能力：細晶粒和超細晶 粒硬質合金，晶粒細化后可提高合金的硬度與耐磨性：t i c 基和t i ( c ，n ) 基硬質合金，與 w c 基合金相比，這類合金的密度小硬度更高；添加稀土元素的硬質合金，添加少量鈰、 釔等稀土元素，可以有效地提高臺金的韌性與抗彎強度。耐磨性亦有一定提高：表面涂層 硬質合金，用c v d 或p v d 等方法，在硬質合金刀片表面上涂覆t i c 、t i n 、t i ( c n ) 、a 1 2 0 l 等薄層，以提高刀具壽命和加工效率：梯度硬質合金，使硬質合金從芯部到表面具有不同 的硬質相和粘接相的成分，以達到硬質合金的表面硬度高。芯部抗彎強度高的目的【i o 】。 與此同時，近年來陶瓷刀具也得到了廣泛地應用，陶瓷刀具材料主要分為三類，氧化 鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷和復合氮化硅一氧化鋁陶瓷( 又稱賽阿龍一s i a l o n ) 。工業(yè)發(fā)達國 家的陶瓷刀具發(fā)展很快，品種多且性能穩(wěn)定。美國陶瓷刀具約占刀具總量的2 3 ，德國占 8 ，個別汽車制造廠甚至占4 0 【i 1 】。美、日已研制成功加入w c 的黑色陶瓷其斷裂韌 性提高約3 0 。德國產(chǎn)高密度混合陶瓷刀具的切削刃強度極高可與c b n 媲美。日本在氮 化硅上涂覆氧化鋁而研制的陶瓷刀具s p 4 用于銑削時?？杀萢 1 2 0 3 + t i 陶瓷刀具的耐用度提 高3 “倍，崩刃率僅5 i “i 。 金剛石和立方氮化硼( c b n ) 刀具的研制和應用也有很大進展。自六十年代研制成功 人造聚晶金剛石以來。經(jīng)過近三十年大發(fā)展，現(xiàn)在已推出了可整體或剖成小塊用的聚晶金 剛石片；在k ( y g ) 類硬質合金刀片基體上鋪設人造聚晶金剛石細粉再經(jīng)高溫高壓可制成 新型金剛石刀具復合片；此外還可采用在硬質合金刀片基體上涂覆金剛石薄膜。以及在硬 2合l e t 業(yè)大學博士學位論文 質合金刀片上焊金剛石厚膜等各種金剛石刀具形式。另外，當今常用的金剛石為c - 1 2 ：而 美國g e 公司已研制出同位素c 一1 3 的金剛石，其硬度、強度等均高于現(xiàn)有的金剛石。 立方氯化硼刀具的制造方法與金剛石刀具的制造方法相似，它在加工鋼鐵及其它鐵族 金屬具有優(yōu)勢。近年來武漢大學采用r f p e c v d 法在麻花鉆上涂覆c 3 n 4 薄膜膜的硬度 接近超硬材料，使鉆頭的使用壽命大為提高”。i 。 上述這些刀具材料方面的新發(fā)展都能在一定程度上解決由于兼顧刀具材料的高硬耐磨 性與強韌性而存在的矛盾，故很有發(fā)展前途。 據(jù)有關專家預計，在2 1 世紀刀具材料的發(fā)展中，刀具的硬度、耐磨性與其強度、韌性 間難以兼顧仍是主要矛盾。有可能在2 1 世紀中研制出既具有高速鋼、硬質合金的強度和韌 性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料i l 。j 。在未來，刀具材料將接受工件方面( 如 新的難加工材料的出現(xiàn)) 及制造系統(tǒng)方面( 如高速切削i 】叫等新型加工方式的采用) 更新、 更嚴峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面， 將成為未來刀具材料發(fā)展的特點。 1 1 2 金屬陶瓷刀具的發(fā)展簡史及其在工業(yè)上的應用 硬質合金是用粉末冶金方法生產(chǎn)，由難熔金屬化合物和粘縮金屬所構成的組合材 料【l 。7 】。1 9 2 3 年k 施律泰爾( k s c h r l c s t e r ) 用粉末冶金方法研制成w c - c o 硬質合金1 1 4 j 。硬 質合金具有很高的硬度、耐磨性、彈性模量和抗壓強度。較穩(wěn)定的化學性、低的熱膨脹系 數(shù)和高的導熱系數(shù)。由于硬質合金具有上述特點，使得它在現(xiàn)代工具材料、耐磨材料、耐 高溫和耐腐蝕材料等方面占據(jù)了重要地位。硬質合金刀具的使用引起了金屬切削加工工業(yè) 的技術革命，大大地提高了工具壽命及加工效率”4 j 。 金屬陶瓷是指用粉末冶金方法制取的金屬與陶瓷的復合材料。英文c e r m e t ( 金屬陶瓷) 就是由c e r a m i c s ( 陶瓷) 中的c e r 與m e t a l ( 金屬) 中的m e t 結合起來構成的p 1 0 ?，F(xiàn)在一 般將用n i 粘結的t i ( c n ) ( 碳氮化鈦) 基硬質合金稱作金屬陶瓷，仍將c d 粘結的w c 基 材料稱為硬質臺金。 t i c - n i 金屬陶瓷問世于1 9 2 9 年，但直到二十世紀中期仍發(fā)展很少。五十年代為了研 制噴氣發(fā)動機的葉片所用的高溫材料，發(fā)現(xiàn)t i c - n i 系金屬陶瓷具有優(yōu)良的高溫強度和韌性、 適當?shù)目寡趸约翱篃嵴鹦缘仍S多重要的高溫材料所需的性能i l j 。與此同時。對t i c 基 金屬陶瓷的研究工作已經(jīng)深入液態(tài)金屬對碳化物相的潤濕性的階段。美圈研究發(fā)現(xiàn)，用c o 、 n i 或f e 粘結的t i c 基金屬陶瓷在燒結時的晶粒過分長大現(xiàn)象與濕潤性有關。在不完全濕 潤的情況下，碳化物顆粒園表面張力作用而發(fā)生聚集，然后再由溶解析出機理使聚集顆粒 長大“。 1 9 5 6 年美國福特汽車公司發(fā)現(xiàn)在t i c - n i 基金屬陶瓷中添加m o 之后可改善液態(tài)金屬 n i 對t i c 的潤濕性，使t i c 晶粒變細，井使合金強度大大提高 1 2 - 1 4 這極大地推動了t i c 基金屬陶瓷在相關領域，特別是工具領域的應用。美國在1 9 5 9 年就制成一個精加工用的 t i c - n i 基金屬陶瓷刀具材料牌號。隨后，在1 9 6 0 年到1 9 6 3 年間，美國的維爾偉松公司、 肯納金屬公司和亞當斯碳化物公司分別制成了牌號為v r 6 5 、k 6 5 、t i t a n $ 0 的金屬陶瓷刀 具。同時，日本的東芝公司、三菱公司和住友公司也分別研制成功了t i c - n i 基金屬陶瓷刀 具。通過合適的成分優(yōu)選、嚴格的工藝條件和組織控制。可使金屬陶瓷刀具材料的力學性 能。特別是韌性，得到了較大的改善其應用場合也從單一的鋼材精1 j n - r 擴展到了鋼材及 可鍛性鑄鐵的半精加工、租加工和間斷加工中1 1 “”。 進入七十年代以后，金屬陶瓷的發(fā)展日新月異。由于w 資源的缺乏及w 價格的不斷 上漲，以及機械工業(yè)上高速切削的發(fā)展要求：同時由于機夾不重磨刀具的推廣應用。避免 了t i c 基金屬陶瓷所存在的焊接、刃磨性差的缺點等原因l 再加上t i c 基金屬陶瓷刀具比 第一章緒論 重比w c 系硬質合金輕，用作不重磨刀具在成本上有利，因而國外對t i c 基金屬陶瓷的研 究十分重視品種牌號也迅速增加，t i c 基金屬陶瓷由原來的基本組成為t i c - n i m o 系發(fā) 展成t i c n i m o w c 系和t i c - n i m o - w c - c o 系等多種系列”“。 1 9 7 1 年奧地利維也納工業(yè)大學教授k i e f e e r e 等人i 】“”率先報道了添加t i n 會對t i c 基 金屬陶瓷的物理力學性能造成影響，并且指出t i ( c , n ) 基金屬陶瓷將成為一種大有發(fā)展前途 的工具材料，由此導致t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷的面世，氨的引入可以起到明顯的細化晶粒的作 用，其余的各力學性能都有明顯提高“”。此后不久，美國的r u d y 教授l l 。8 l 也報道了細晶 粒的( t i ，m o ) ( c ，n ) - n i m o 金屬陶瓷刀具在鋼材切削中具有優(yōu)異耐磨性、高韌性和良好的 抗塑性變形能力的試驗結果，從而促進了金屬陶瓷的發(fā)展。 日本是對此項科研成果最為重視的國家。1 9 8 8 年t i ( c , n ) 基金屬陶瓷已占日本硬質材 料工具總量的2 7 1 3 ，其余的比例是w c 系硬質臺金占3 1 1 ，a 1 2 q 系陶瓷占5 6 p v d 或c v d 涂層工具為晟多，占3 6 。從增長速度來看，t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷增長最快，由1 9 7 8 年占總量的1 l 增長為1 9 8 8 年的2 7 3 目前已達三分之一以上”“。 除日本外，其它一些國家也對金屬陶瓷刀具進行了研制和開發(fā)。如瑞典的山德維克公 司( s a n d v i kc o r o m a n t ) 就推出了一系列性能優(yōu)異的金屬陶瓷刀具，進一步擴展了其使用領 域。表1 1 列出了國外一些公司生產(chǎn)的金屬陶瓷刀具材料的牌號和性能表1 2 列出了國 內生產(chǎn)的一些金屬陶瓷刀具材料的牌號和性能。 表1 1 某些國家生產(chǎn)的金屬陶瓷刀具材料的成分和性能9 】 化學成分( 質量分數(shù)) 惕性能 牌號 制造廠家 巒宣 硬度抗彎強 t i ct i nn im o其它 電鉀 h r a度，m p a 7 g 美f o r d 6 7 2 2 4 1 00 6 c5 89 1 01 9 0 0 v r 6 5 美v r w c s s o l l 7 5 n q i + m o ) 2 5 5 99 2 11 4 0 0 v c - 8 5 美v a l c n i t e 7 881 0 l w , 3 t a c 5 89 3 09 0 0 m c t a l s h i m ct s l h日三菱金屬礦業(yè)f e 和其它金屬 5 59 3 51 1 0 0 h i m et s 3 h l ：i 三菱金屬礦業(yè) f e 和其它金屬56 59 2 o1 3 0 0 h i m et s 4 h 日蘭菱金屬礦業(yè) 其它碳化物 5 7 9 1 51 5 0 0 t t m 鰣c t c l 日東芝坦葛洛依 9 0555 39 嗡哪9 0 0 t 州c t c 2日東芝坦葛洛依 8 01 01 05 69 2 9 31 2 0 0 t 刪c i l - 3 日東藝坦葛洛依 7 5 1 5j 0 5 8 9 l 9 2 5 1 3 0 0 x 4 0 75 0m g 坩岍q 刪6 59 i 9 21 6 0 0 d u x 4 0 一日本鎢 t a n 6 69 i ，9 1 7 0 0 t 2 3 a 日本住友電氣t a n w c7 39 1 d1 8 0 0 t i z i f 0 5 t 奧地利金屬公司 7 5 ( t i c + t a c ) 2 5 ( n i + m o ) 6 0h v1 4 0 0 1 7 0 0 wz i f l 0 t奧地利普蘭西 7 0 ( t i c + t a c ) 3 0 ( n i + m o ) 6 0h v1 7 0 0 公司 1 7 0 0 t m 俄羅斯 9 0 55n b c5 78 0 0 t h m - 2 0俄羅斯8 01 64 5 59 l1 1 5 0 k r r - 1 6 俄羅斯7 41 96 58 9 01 1 5 0 刪帆 俄羅斯2 64 2 3 2 ( n i + m 曲8 8 01 5 0 0 i m 柵 俄羅斯4 32 5 3 2 ( n i + m o ) 8 7 51 7 0 0 4 臺肥工業(yè)大學博士學位論文 表1 2 國內生產(chǎn)的一些金屬陶瓷刀具材料的成分和性能m 9 】 化學成分( 質量分數(shù)) ，性能 合金牌號 w c前c t a c f n b c ) n i - m o 蜮g 甜 抗彎強度i v l p a硬度h r a y n 0 5 8 7 l - n i 7 m o - 1 45 5 “o9 5 09 3 y n l 01 56 2ln i - 1 2 m o 1 06 2 巧41 1 0 09 2 1 h 7 - - 余一n i 7 m o 一1 45 5 68 0 肚9 5 09 33 1 1 1 2 - _ 余一n i 12 m o - 1 05 61 2 0 0 1 3 0 0 9 2 j 近年來，美國、歐洲和我國對t i c 基金屬陶瓷材料的研究和應用急劇增多，各種新工 藝、新配方層出不窮，理論研究也進一步深入【j “。圳。如新加坡南洋理工大學的s z h a n g 等 人拋開了傳統(tǒng)配方和工藝路線，對無m o 金屬陶瓷的燒結動力學、工藝過程、機械合金化 和燒結中的反應、力學性能等進行了系統(tǒng)研究【l “”j 。合肥工業(yè)大學的劉寧等人系統(tǒng)地研究 了y 、e r 等稀土元素對材料性能的影響，并提出了稀土在材料中的分布和作用機理4 。2 ”。 清華大學的苗赫濯通過加入s i ，n 4 或a 1 2 0 3 ，來有效提高t i ( c ，n ) 基金屬陶瓷刀具材料的硬 度和切削能力，解決了一系列超硬難加工材料的加工問題i l 。北京有色金屬研究總院的 余明、賀從川等人也研制出了兩種具有應