摘要
本文针对目前陶瓷刀具断裂韧度和抗弯强度低的难题，利用氮化硅材料的自增韧补强机理和纳米材料增韧补强机理，成功地研制出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料，并对纳米复合粉体分散技术、刀具材料组分配比、烧结工艺、力学性能、微观结构、烧结机理、增韧补强机理、抗氧化机理和切削性能进行了系统深入的研究。新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的研制成功为高性能陶瓷刀具的进一步开发与应用奠定了基础。 提出了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷粉体的均匀分散技术，制备出了无团聚体的Si<,3>N<,4>基纳米复合陶瓷粉体。根据α-Si<,3>N<,4>、纳米α-Si<,3>N<,4w>、纳米Ti(C<,7>N<,3>)和纳米TiN四种粉体的特性，以水作为分散介质，以PMAA-NH<,4>作为分散剂，采用球磨、超声搅拌、调节悬浮液pH值和分散剂化学吸附等多种方法，优化出了四种单相粉体和复合粉体的最佳分散pH值和PMAA-NH<,4>添加量，制备出均匀稳定地单相粉体和复合粉体悬浮液。 研制成功了纳米TiN复合氮化硅基陶瓷刀具材料GTl(Si<,3>N<,4>/TiN)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为1079.8MPa、9.1 MPa·m<'1/2>和15.34GPa。结果表明，纳米TiN可提高GTl复合粉体的烧结活性，降低烧结温度，提高力学性能。均匀的Si<,3>N<,4>长柱状晶粒有利于提高材料抗弯强度和断裂韧度。GT1材料中存在大量的内晶型纳米TiN颗粒和少量的晶间型纳米TiN颗粒，内晶型结构主要为I型(棱角形内晶TiN颗粒)和Ⅱ型(椭圆形内晶TiN颗粒)结构，且II型内晶型第二相颗粒的周围存在烧结助剂形成的晶间第三相晕圈。刀具的主要增韧机理是晶粒桥联和裂纹偏转，纳米内晶型结构与基体晶粒的桥联自增韧机制存在协同效应。 研制成功了纳米TiN和纳米Si<,3>N<,4w>复合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20T5(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,4w>/TiN)，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1650℃、保温40min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为978.68MPa、9.6MPa·m<'1/2>和18.00GPa。结果表明，纳米α-Si<,3>N<,4w>可提高刀具材料致密度和力学性能。该材料内晶型结构主要是I型。大量Al、Ce和Y元素富集于晶间相中，形成SiAION固溶体，提高刀具的力学性能。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹扭转和扭结、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。 研制成功了纳米Ti(c<,7>N<,3>)和纳米Si<,3.N<,4W>复合氮化硅基陶瓷刀具材料GG<,w>20TC25(Si<,3>N<,4>/Si<,3>N<,4w>/Ti(C<,7>N<,3.))，其最佳烧结工艺条件为烧结温度1750℃、保温60min和压力30MPa，其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为890.89MPa、9.51 MPa·m<'1/2>和18.08GPa。结果表明，该材料内晶型结构主要是I型。刀具的主要增韧机理是裂纹偏转、晶粒桥联、裂纹弯曲及内晶型结构桥联增韧等。 本研究得到了教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20030422012)和国家自然科学基金(50275086)资助。研究了纳米TiN、纳米Ti(C<,7>N<,3>)和纳米α-Si<,3>N<,4w>添加相，对材料烧结坯体空隙率、基体晶粒相变、成核和生长的影响，探讨了内晶型结构的形成机理以及纳米第二相颗粒对基体晶界的钉扎作用。结果表明，纳米第二相TiN或Ti(C<,7>N<,3>)颗粒可有效降低材料坯体的空隙率，提高材料的致密度。纳米第二相颗粒促进基体相在液相中的溶解，纳米α-Si<,3>N<,4w>提高β-Si<,3>N<,4>晶粒生长的驱动力。材料内晶型结构的形成机制是基体晶粒晶界扩张并吞噬纳米第二相颗粒。纳米第二相晶粒对基体晶粒晶界的扩展产生钉扎和阻碍作用。 深入研究了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理，首次建立了考虑品粒桥联方向的β-Si<,3>N<,4>晶粒桥联和拔出自增韧补强力学模型、晶问型和内晶型第二相颗粒产生残余应力的协同增韧补强力学模型、内晶型第二相颗粒产生残余应力的增韧补强力学模型、内晶型第二相颗粒桥联和拔出增韧补强力学模型、晶间型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强力学模型、内晶型纳米第二相颗粒尺寸效应增韧补强力学模型。建立了氮化硅自增韧补强和纳米颗粒协同增韧补强力学模型，并对此进行了实验验证，结果表明，协同增韧补强的实测值和理论值吻合较好，证明了协同增韧补强力学模型的正确性。 系统研究了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的抗氧化性能，建立了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料的抗氧化机理模型。结果表明，新型陶瓷刀具材料的氧化增重量随氧化时间的延长而增大，且纳米第二相含量越高，材料氧化增重量越大。850"C氧化50h后，晶间型纳米第二相发生氧化生成TiO<,2>相，刀具的抗弯强度没有明显下降。1150℃氧化50h后，纳米第二相和基体相都发生氧化，分别生成白色板块状TiO<,2>和针状SiO<,2>，氧化时间 30h 内，刀具的抗弯强度下降不大。低温时，内晶型第二相颗粒不发生氧化，而晶间型第二相颗粒发生氧化。高温时，晶间型第二相颗粒和基体相首先被氧化，分别生成TiO<,2>相和SiO<,2>相，随后内晶型第二相颗粒逐渐氧化。 研究了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具材料加工铸铁、45#钢和淬硬40Cr合金钢时的切削性能，并与商业化的SNM陶瓷刀具进行对比，分析了新型自增韧氮化硅基纳米复合陶瓷刀具的磨损机理。结果表明，在切削铸铁时，GT1、GGw20T5、GGw20TC25和SNM四种刀具均具有良好的抗磨损性能和刀具耐用度，刀具的主要磨损形式为后刀面磨损和边界磨损，主要磨损机理是磨粒磨损。在切削45#钢时，SNM刀具的磨损量最大，其次为GT1刀具，GGw20T5和GGw20TC25磨损最小，刀具的主要磨损形式为后刀面磨损，主要磨损机理是磨粒磨损和粘结磨损，同时伴有轻微的扩散磨损和化学磨损。在切削淬硬40Cr合金钢时，SNM刀具后刀面磨损较大，GT1刀具抗磨损性能一般，GGw20T5和GGw20TC25刀具具有较好的抗磨损性能，适合切削淬硬40Cr合金钢，刀具的主要磨损形式为后刀面磨损，主要磨损机理是磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损。
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