【摘 要】
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Al2O3–Ti（C,N）陶瓷刀具具有较好的韧性与摩擦磨损性能,而且刀具成本较低,适用于淬火钢的高速切削,需求量日益增加。本文选择纳米粒度的Al2O3粉与Ti（C,N）粉作为原料,探究Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷的热压烧结工艺。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、背散射电子显微镜等表征手段与维氏硬度计压痕法研究烧结工艺参数和Ti（C,N）的含量对Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷的组显微组织、力
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Al2O3–Ti（C,N）陶瓷刀具具有较好的韧性与摩擦磨损性能,而且刀具成本较低,适用于淬火钢的高速切削,需求量日益增加。本文选择纳米粒度的Al2O3粉与Ti（C,N）粉作为原料,探究Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷的热压烧结工艺。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、背散射电子显微镜等表征手段与维氏硬度计压痕法研究烧结工艺参数和Ti（C,N）的含量对Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷的组显微组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响规律,揭示其摩擦磨损的机理,优化Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷材料成分和制备工艺,以期开发出性能优异的高性能Al2O3–Ti（C,N）陶瓷刀具材料。研究结果表明,对采用一步热压烧结工艺制备的Al2O3–30wt%Ti（C,N）复相陶瓷,随着温度升高,晶粒尺寸逐渐增大,硬度与断裂韧性均发生下降,其硬度和断裂韧性分别达到19.8GPa和4.6 MPa?m1/2。通过热压烧结致密度曲线确定了1400oC+1550oC的两步法热压烧结工艺。发现随着高温保温时间的延长硬度与断裂韧性均发生下降。再通过实验确定了各温度点的保温时间,最后对比不同烧结工艺所制备的试样的力学性能,获得相对较好的烧结工艺为1400℃保温30min,再在1550℃保温10min,其硬度为20.1GPa,断裂韧性为5.2 MPa?m1/2。两步法热压烧结获得的Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷的力学性能远优于一步法热压烧结。对1400℃/30min–1550℃/10min热压烧结Al2O3–Ti（C,N）复相陶瓷,随着Ti（C,N）含量的增加,晶粒尺寸持续增加,硬度持续上升,但是断裂韧性先上升后下降。进行烧结制备,首先探究Ti（C,N）的含量对Al2O3–x Ti（C,N）微观形貌的影响。其中通过SEM、EDS与EBSD对材料的微观形貌进行了分析。通过SEM与EDS分析可知,五种试样中元素分布相对均匀,没有明显的气孔存在,即致密度较高。之后利用EBSD对Al2O3–20wt%Ti（C,N）、Al2O3–30wt%Ti（C,N）与Al2O3–40wt%Ti（C,N）进行分析,可以观察到三种试样中Al2O3与Ti（C,N）的粒径尺寸均在纳米尺度范围内,同时随着Ti（C,N）含量的增加,Al2O3与Ti（C,N）的晶粒尺寸也随之增大。而且,晶粒尺寸相对较小的Ti（C,N）分布在Al2O3晶界附近,抑制晶粒的增长。除此之外,在三种试样中均观察到存在小角度晶界与低CSL晶界,在这些低界面能界面作用下,可以抑制微裂纹的产生与扩展,由此提高材料的断裂韧性。最后探究Ti（C,N）的含量对Al2O3–Ti（C,N）力学性能与摩擦磨损性能的影响。通过压痕法对Al2O3–Ti（C,N）的硬度与断裂韧性进行测定,可知随着Ti（C,N）含量的增加Al2O3–Ti（C,N）的硬度也随之增加,但是断裂韧性先增加后下降。同时硬度与断裂韧性变化速率与材料中小角度晶界与低CSL晶界的含量变化相符合。将Al2O3–30wt%Ti（C,N）作为实验对象,探究不同载荷与转速在摩擦磨损实验中对试样产生的影响。随着载荷和转速的增加,摩擦系数和磨损率均先下降后上升,当载荷为2N,转速为200r/min时具有较好的性能。之后在确定的摩擦磨损实验条件下,探究Ti（C,N）含量对Al2O3–Ti（C,N）摩擦磨损性能影响。随着Ti（C,N）含量的增加,Al2O3–Ti（C,N）的摩擦系数与磨损率均先下降后上升,Al2O3–30wt%Ti（C,N）具有最佳的耐摩擦磨损性能。通过对磨损表面进行表征分析,可知,其中存在粘着、表面撕裂、裂纹、空腔与犁沟等磨损形貌,主要以粘着磨损与磨粒磨损为主。同时对磨屑进行表征可知,试样的磨损主要以滚动与滑动磨损相互作用为主。
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