基于陶瓷刀具高溫力學行為演變的刀具失效機理研究

發(fā)布時間：2020-03-31 16:31

【摘要】：陶瓷刀具材料因其具有高的耐熱性、高的硬度、優(yōu)良的耐磨性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點,是21世紀最重要的刀具材料之一。目前大部分的研究只注重提高陶瓷刀具材料室溫下的綜合力學性能,而在高速切削時刀具處于高溫環(huán)境中,陶瓷材料的高溫力學性能好壞嚴重影響刀具的切削性能。若能在真正的服役條件下,對陶瓷刀具材料力學行為進行研究,更能從本質上揭示陶瓷刀具的失效機理。本文針對陶瓷刀具高溫力學行為演變的機理及其與刀具失效機理的關系展開深入研究,研究成果將對合理選擇刀具材料以及優(yōu)選切削參數(shù)具有重要的指導意義。本文選取了組分含量相同但添加相粒徑不同的兩種Al2O3/TiC陶瓷刀具材料進行對比研究,以排除物化相容性的不同對刀具失效的影響。首先制備兩種刀具材料,一種為微米TiC顆粒復合Al2O3基陶瓷刀具材料(簡記為AT55),另一種為微米、納米TiC顆粒復合Al2O3基陶瓷刀具材料(簡記為ATT5)。通過優(yōu)化二者的燒結工藝得到AT55刀具材料的室溫抗彎強度、斷裂韌度和硬度分別為842MPa、6.88MPa·m1/2和17.46GPa;ATT5陶瓷刀具材料的室溫抗彎強度、斷裂韌度和硬度分別為880MPa、7.00MPa m1/2和18.2GPa。對比研究了兩種室溫力學性能不同的陶瓷刀具材料AT55和ATT5高溫性能的變化規(guī)律。研究表明,兩種刀具材料的抗彎強度均隨溫度(20～1000℃范圍內(nèi))升高而減小,在800℃之后急劇下降。添加納米TiC顆粒的ATT5刀具材料雖然室溫抗彎強度高于AT55,但高溫抗彎強度反而較低。兩種刀具材料的斷裂韌度均隨著溫度(20～1100℃范圍內(nèi))的升高先減小后增大,在1000℃時,ATT5刀具材料的斷裂韌度升高出現(xiàn)峰值。兩種刀具材料的硬度均隨著溫度(20～1000℃范圍內(nèi))的升高呈近似線性下降的趨勢。對力學性能的演變機理進行分析認為:室溫下,納米TiC顆粒的加入使陶瓷刀具材料的晶粒細化,同時晶內(nèi)納米TiC顆粒的存在起到了增大穿晶斷裂比例、阻止裂紋擴展的作用,從而提高了材料室溫抗彎強度和斷裂韌度。而高溫下,納米TiC顆粒更容易被氧化,同時納米TiC顆粒細化了晶粒,增大了晶界比,材料更容易軟化,導致材料高溫力學性能降低。研究了 AT55刀具材料在不同溫度下的摩擦磨損特性。室溫下,在速度為50～150m/min的范圍內(nèi),摩擦系數(shù)隨滑動速度的增加呈近似線性下降的趨勢。摩擦界面粘附的金屬隨著滑動速度的升高越來越平整均勻,是摩擦系數(shù)逐漸降低的主因。在600～800℃的范圍內(nèi),隨著溫度的升高,材料的摩擦系數(shù)呈下降趨勢,趨勢逐漸變緩。與室溫相比,高溫下的摩擦系數(shù)更小。室溫下AT55陶瓷刀具材料主要磨損機理是粘結磨損附帶磨粒磨損;高溫下刀具材料的主要磨損機理為磨粒磨損和氧化磨損。對比研究了兩種高溫性能不同的AT55和ATT5陶瓷刀具在干車削H13鋼時的切削性能。首先,采用AdvantEdge軟件仿真分析了切削速度對陶瓷刀具表面溫度分布和切削力的影響;并結合陶瓷刀具高溫力學性能變化規(guī)律,擬定了切削實驗的參數(shù)范圍:切削速度50～150m/min,切削深度0.5mm,進給量0.1mm/r。切削實驗結果表明:隨著切削速度的提高,兩種陶瓷刀具的壽命都先升高后降低,在100m/min的切削速度下刀具壽命最長;并且高溫力學性能較高的AT55陶瓷刀具切削性能優(yōu)于室溫力學性能較高的ATT5陶瓷刀具�？梢姷毒叩那邢餍阅芘c刀具材料高溫力學性能直接相關,而與室溫力學性能關系較小�；谔沾傻毒吒邷亓W行為演變,分析了刀具的失效機理。在低速下,切削溫度相對較低,工件硬度較高,切削力大,刀具的主要失效形式為破損崩刃,破損前主要的磨損機理為粘結磨損和磨粒磨損。中等速度時,由于切削溫度的升高,工件材料軟化,切削力降低,此溫度下陶瓷刀具材料氧化較輕,高溫力學性能雖有下降但仍保持在較高的水平,刀具失效形式以磨損為主,主要包括后刀面磨損、月牙洼磨損和邊界磨損,主要的磨損機理為粘結磨損、磨粒磨損和輕微的氧化磨損。高速下,切削溫度達到900℃,由于陶瓷刀具材料在該溫度下晶界軟化引起抗彎強度的嚴重下降,導致刀具失效形式以破損為主,并伴有高溫下刀具材料氧化反應引起的后刀面磨損和前刀面月牙洼磨損。
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