【摘 要】
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氮化硅陶瓷刀具由于其优良的机械、化学性能而在高速切削领域得到了广泛关注。但目前,氮化硅陶瓷刀具仍面临一些问题,如性能仍不够高、无法制备复杂刀具表面结构等,这限制了氮化硅陶瓷刀具的更广泛应用。本文基于放电等离子烧结技术,制备出高性能氮化硅陶瓷刀具材料,研究两步烧结对刀具材料的影响,在SPS技术下进行了异形车刀制备工艺研究,并进行了异形氮化硅基陶瓷刀具切削镍基高温合金试验。添加10wt%Ti（C,N）
【基金项目】
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国家自然科学基金所支持项目—新型PST高温钛铝合金弱刚度曲面切削加工机理与过程稳定性时变特征研究（51775280）
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氮化硅陶瓷刀具由于其优良的机械、化学性能而在高速切削领域得到了广泛关注。但目前,氮化硅陶瓷刀具仍面临一些问题,如性能仍不够高、无法制备复杂刀具表面结构等,这限制了氮化硅陶瓷刀具的更广泛应用。本文基于放电等离子烧结技术,制备出高性能氮化硅陶瓷刀具材料,研究两步烧结对刀具材料的影响,在SPS技术下进行了异形车刀制备工艺研究,并进行了异形氮化硅基陶瓷刀具切削镍基高温合金试验。添加10wt%Ti（C,N）的Si3N4/Ti（C,N）刀具复合材料在1650℃时获得最好的综合性能,其相对密度、维氏硬度和断裂韧性分别为99.76±0.07%,17.11±0.38 GPa和7.35±0.64MPa?m1/2。Ti（C,N）可以加速复合材料的致密化。高含量的Ti（C,N）可以显著提高1500℃烧结温度下的致密度,Si3N4/Ti（C,N）复合材料的增韧机理为高长径比晶粒的拔出作用、裂纹偏转和裂纹桥接的复合作用。两步法烧结最佳烧结工艺为第一步烧结温度1750℃,第二步烧结温度1400℃,保温时间4min。在1400℃保温温度下制得了与1650℃一步烧结质量相当的样品。晶粒尺寸由一步法的3.49减少到2.81,减少了19.48%。第二段烧结温度对两步法烧结影响显著,第二段烧结温度提升200℃,长径比增加32%而晶粒尺寸增加76%。增加保温时间,晶粒尺寸更加均一,但晶粒尺寸增加27%。使用Advant Edge有限元仿真软件进行异形氮化硅基陶瓷刀具车削镍基高温合金研究,切削力随着前角的增大而先减小再增大,三种刀尖圆弧半径下均在5°前角时取得最小切削力,在同一刀具前角下,切削力随着刀尖圆弧半径的减小而减小,背吃刀量是影响切削力的最主要因素,切削速度是影响切削温度的最主要因素。最优刀具角度为前角5°,刀尖圆弧半径0.8mm。氮化硅基异形陶瓷刀具最佳制备工艺参数分别为烧结温度1650℃,烧结压力70MPa,保温时间6min,石墨填充量0.5g。刀具表面形貌完好,并未发生石墨粉体与氮化硅粉体的掺杂固结。通过正交实验（L9（3~3））确定异形刀具切削镍基高温合金最佳工艺参数为切削速度vc=75m/min、背吃刀量ap=1.0mm和进给量f=0.06mm/r。添加10wt%Ti（C,N）的10°异形车刀具有最大刀具寿命,此时刀具实际切削前角为5°,刀具寿命为280s。在此刀具参数和加工参数下,实现断屑功能,切屑为环形螺旋切屑。异形车刀的寿命为平面车刀的3.5倍,证明异形工艺能够有效地提升氮化硅陶瓷刀具的寿命。与商用刀相比,在高切削参数下,SNT20的刀具寿命是商用刀的五倍,即使将切削速度降低1/3,SNT20异形车刀的材料去除量依然比商用刀高42.8%。
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