高性能聚晶立方氮化硼刀具的制備及其切削性能研究

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1、學(xué)校代碼學(xué)號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺玻埃保埃保保保梗埃埃罚梗崳姡椋妫访芗?jí)ＩＭＨ支ｉ博士學(xué)位論文高性能聚晶立方氮化硼刀具的制備及其切削性能研究作者姓名：李劍導(dǎo)師姓名：張銳教授學(xué)科門類：工學(xué)專業(yè)名稱：材料物理與化學(xué)完成時(shí)間：２０１８年１０月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorPreparationandcuttingperformanceofhighperformancepolycrystalli

2、necubicboronnitrideinsertByJianLiSupervisor:Prof.RuiZhangMajor:MaterialsPhysicsandChemistrySchoolofMaterialsScienceandEngineeringOct2018學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明’？：所呈夂的７位論文本人鄭呎盧明，足本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研允所取得的成果６除文中１３經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰Ｈ過的科研成果。對(duì)木文的研宄作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人

3、和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)＝＝學(xué)位論文作者＾＼日期：２０丨８年Ｌ０月１５日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸Ｍ鄭細(xì)大學(xué)。根據(jù)鄭州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué)校保留或㈦Ｕ家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被杏閱和借閱：本人授權(quán)鄭州大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分編入：ｆｆ關(guān)數(shù)據(jù)庳進(jìn)丨」檢索，４以采Ｗ影印、縮印或苕其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。本人離校后發(fā)農(nóng)、使

4、州學(xué)位論文或與該學(xué)位論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)一，笫署名中位仍然為鄭州大學(xué)，保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。學(xué)位論文作者日期：２０１８年１０月１５日摘要摘要聚晶立方氮化硼(PcBN)具有高硬度、良好的導(dǎo)熱性和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性常被用作切削刀具材料，適合加工各種淬硬剛、耐磨鑄鐵和高溫合金，但其脆性大、難燒結(jié)和使用壽命短等缺點(diǎn)限制了PcBN的應(yīng)用發(fā)展。本文通過原位反應(yīng)技術(shù)和放電等離子體燒結(jié)新工藝降低PcBN的燒結(jié)難度，同時(shí)，在燒結(jié)過程中原位生成碳化硅（SiC）晶須提高PcBN的韌性，

5、從而實(shí)現(xiàn)高效低成本制備高性能的PcBN塊體材料；并結(jié)合離子注入工藝改善PcBN刀片表面特性，進(jìn)一步提升PcBN刀具的使用壽命。主要的研究成果如下：（1）利用溶膠-凝膠工藝將SiO2包裹到cBN粉體表面，然后與碳粉混合，在cBN粉體表面進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，原位合成SiC晶須。對(duì)原料的配方進(jìn)行了詳細(xì)的研究，也詳細(xì)研究了溫度、保溫時(shí)間等因素對(duì)生成SiC晶須的影響規(guī)律。對(duì)于含設(shè)計(jì)的20wt%SiC配方，在1500℃保溫2h可以在cBN粉體表面生成大量的SiC晶須。以該復(fù)合粉體為原料，選擇Al粉、B粉、C粉為燒

6、結(jié)助劑，采用高溫高壓燒結(jié)技術(shù)在5GPa壓力、1450℃保溫10min的條件下制備出致密的PcBN復(fù)合材料。經(jīng)測(cè)試該P(yáng)cBN復(fù)合材料的硬度為42.7±1.9GPa，其也有較高的強(qiáng)度和韌性，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到406±21MPa和6.52±0.21MPa·m1/2。高溫?zé)Y(jié)時(shí)Al粉、B粉與C粉之間發(fā)生原位反應(yīng)，在界面處生成Al3BC3有效的促進(jìn)立方氮化硼的致密化過程，SiC晶須是提升PcBN韌性的主要因素。（2）以表面包裹有SiC晶須的cBN粉體為原料，以Al粉、B粉和C粉為燒結(jié)助劑，采用放電等

7、離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)，在1650℃保溫10min和40MPa壓力的條件下成功制備出致密的PcBN材料，所制備樣品的相對(duì)致密度可以達(dá)到95％以上，燒結(jié)助劑Al在低溫下形成的液相、原位反應(yīng)和SPS的粒子活化等因素的共同作用提高了cBN的燒結(jié)動(dòng)力，加速物質(zhì)傳輸，從而促進(jìn)了cBN的燒結(jié)。（3）采用N離子注入和鋁離子注入相結(jié)合的復(fù)合處理工藝對(duì)高溫高壓合成的PcBN刀片進(jìn)行表面處理，對(duì)比不同注入劑量下PcBN刀片樣品的使用壽命，結(jié)果表明，當(dāng)N離子和Al離子注入劑量為9.0×1017ions/cm2時(shí)可將Pc

8、BN刀具摘要的使用壽命提高1.3倍。其主要機(jī)理是離子注入一方面在刀片表面形成壓應(yīng)力；另一方面，可顯著改良刀片的表面光潔度和硬度，從而提高PcBN刀片的使用壽命。（4）以QT800-2球墨鑄鐵件為切削對(duì)象，研究所制成的PcBN刀片的切削性能，并結(jié)合最終失效后的刃口處的磨損形貌分析其磨損機(jī)理。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)本文中所制備的PcBN刀片切削球墨鑄鐵件工程中，主要磨損是機(jī)械磨損。在相同的切削條件下，離子注入處理的刀具的切削力始終小于高溫高壓合成工藝制備的刀具。切削三向力都隨著