含Mo/Mo2C添加剂的TiC0.7N0.3基金属陶瓷的制备与性能研究

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Ti(C,N)基金属陶瓷具有高硬度、良好的耐磨性、优异的化学稳定性和抗粘结能力等,是一种极具潜力的刀具材料。本文基于放电等离子烧结技术(SPS)制备了TiC0.7N0.3基金属陶瓷,系统研究了添加剂、烧结温度和热处理对其相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。在此基础上,将所制备的致密TiC0.7N0.3基金属陶瓷加工成刀具,以45#钢为被加工材料,研究了添加剂、烧结温度、热处理对其切削性能的影响,并以最佳金属去除量为目标进行了切削参数的优化研究。主要研究内容和结论如下:首先,利用SPS烧结技术,制备了添加Mo的TiC0.7N0.3-WC-NbC-Mo-Co-Ni体系和添加Mo2C的TiC0.7N0.3-WC-NbC-Mo2C-Co-Ni体系的TiC0.7N0.3基金属陶瓷,研究了烧结温度(1500-1900°C)和Mo的添加形式对其物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,在不同烧结温度下添加Mo和添加Mo2C的金属陶瓷物相组成基本相同。烧结温度从1500°C增加到1900°C时,两种金属陶瓷体系的致密度均先增加再降低,晶粒尺寸、环形相体积分数和白芯-灰环晶粒含量均逐渐增加,晶粒更加圆滑,其中添加Mo2C的金属陶瓷在低温(1500-1800oC)时硬质相晶粒固溶更充分。随着烧结温度的增加,金属陶瓷的硬度和断裂韧性均先增加后降低;与含Mo的金属陶瓷相比,在较低烧结温度下(1500-1750oC)含Mo2C的金属陶瓷的硬度较低,但断裂韧性更高,在较高的烧结温度下(1850-1900oC)含Mo2C的金属陶瓷硬度和断裂韧性均较低。在1800oC制备的含Mo2C的TiC0.7N0.3基金属陶瓷具有较好的综合力学性能,硬度为18.37±0.12GPa,压痕韧性为7.67±0.12MPa·m1/2。然后,在1300°C氩气气氛下对致密度高于98%、力学性能较好、烧结温度为1600-1800°C的TiC0.7N0.3基金属陶瓷进行热处理,研究了热处理对其物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,热处理前后两种体系金属陶瓷的致密度和物相组成没有明显变化,但是热处理后样品的硬质相晶粒尺寸和环形相的体积分数增加,并且含Mo2C的金属陶瓷增加更为显著。热处理后,不同烧结温度制备的金属陶瓷的硬度均明显增加,其中烧结温度为1800oC的含Mo和Mo2C的金属陶瓷热处理后硬度增加最为显著,分别增加到19.11±0.28GPa和19.68±0.23GPa。热处理后,烧结温度为1600-1700oC的两种金属陶瓷的断裂韧性仅轻微增加,而烧结温度为1750-1800oC的金属陶瓷的断裂韧性则显著降低,其中1800oC制备的含Mo和Mo2C的金属陶瓷热处理后的断裂韧性降低最为显著,分别减小到5.83±0.26MPa·m1/2和5.60±0.16MPa·m1/2。最后,将自制的致密度较高的金属陶瓷加工成刀具,进行干式车削45#钢试验,研究了烧结温度、Mo的添加形式、热处理、切削用量对TiC0.7N0.3基金属陶瓷刀具切削性能、磨损形貌和磨损机理的影响。结果表明,烧结温度为1800oC含Mo2C的TiC0.7N0.3基金属陶瓷刀具具有最长的切削寿命为230min,刀具的磨损形式主要为后刀面磨损、沟槽磨损、刀尖磨损,磨损机理主要为氧化磨损、扩散磨损、磨粒磨损。热处理后刀具寿命的增加或降低,与热处理后金属陶瓷的力学性能变化密切相关。建立了刀具切削寿命的Taylor公式:(?),表明切削速度对刀具使用寿命影响最大,进给量次之,切削深度的影响最小。
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