納米CaF2改性自潤滑陶瓷刀具材料的制備及性能研究.pdf

1、在傳統(tǒng)切削加工技術(shù)中，通常采用切削液來降低加工過程中的摩擦磨損。盡管切削液可以達到潤滑和冷卻的目的，但其在存儲、使用及廢棄的過程中會造成環(huán)境污染等問題。因此，制造業(yè)的研究熱點趨向于綠色制造技術(shù)，實現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)是干切削加工技術(shù)。但干切削時刀具快速失效仍然是制約切削加工技術(shù)發(fā)展的一個重要因素，為解決這一問題，國內(nèi)外眾多學者不斷尋求開發(fā)新型刀具材料、優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和研究潤滑冷卻工藝等。其中，納米復合自潤滑陶瓷刀具材料已被證實是干切削條件

2、下提高刀具使用壽命的有效方法之一。
　　本文針對現(xiàn)有的添加微米固體潤滑劑的自潤滑陶瓷刀具材料不能兼顧力學性能及耐磨性能的問題，提出通過添加納米固體潤滑劑設(shè)計自潤滑陶瓷刀具，在實現(xiàn)自潤滑特性的同時，滿足陶瓷刀具對力學性能的要求。本文在亞微米 Al2O3基體中添加微米 TiB2作為增強相，以納米CaF2作為固體潤滑劑，通過調(diào)整納米復合陶瓷刀具材料中基體與增強相的體積比以及固體潤滑劑的體積含量，優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù),最終制備出 AL2O3/

3、 TiB2/ CaF2納米復合陶瓷刀具材料，并對其力學性能、微觀結(jié)構(gòu)進行了研究。主要工作包括：
　?。?）選擇TiB2作為復合陶瓷刀具材料的增韌相，是基于其高硬度、高熔點、高彈性模量、耐腐蝕性強、良好的導熱性和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良的特性。選擇納米CaF2作為固體潤滑劑，是基于納米顆粒對復合材料的韌性具有強化作用，避免出現(xiàn)由于普通固體潤滑劑在強度和硬度方面的薄弱導致復合材料整體性能下降的現(xiàn)象。最終通過添加微米 TiB2和納米 CaF2

4、實現(xiàn)對基體材料的增韌補強和實現(xiàn)自潤滑的特性。
　?。?）深入研究了化學反應(yīng)合成沉淀粉體方法，確定以硝酸鈣和氟化銨為原料，蒸餾水與無水乙醇的復合溶液為溶劑，聚乙二醇(分子量為6000)作為分散劑，用直接沉淀法制備出了平均粒徑為20nm，且單分散性良好的納米級CaF2。
　?。?）通過原料組分優(yōu)化和多組試驗驗證，最終確定了制備納米 CaF2自潤滑陶瓷材料的相關(guān)參數(shù)為，Al2O3、TiB2體積比確定為7:3，CaF2的體積含量為1

5、0％；燒結(jié)工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度為1550℃，保溫時間為20min，燒結(jié)壓力為30MPa。
　?。?）將燒結(jié)制備出的Al2O3/TiB2/CaF2自潤滑陶瓷材料制成試樣，經(jīng)測試，刀具材料的硬度、抗彎強度和斷裂韌性分別為16.5GPa、685MPa、3.6 MPa·m1/2。用掃描電鏡觀察 Al2O3/TiB2/CaF2自潤滑陶瓷材料斷口形貌和表面形貌，結(jié)果表明，當納米CaF2的體積含量為10%時，刀具材料各相顆粒分布相對比較均勻，內(nèi)部

6、氣孔較少，其致密性良好。分析X射線衍射圖，結(jié)果表明，在熱壓燒結(jié)過程中，Al2O3、TiB2、CaF2三種物質(zhì)之間沒有發(fā)生化學反應(yīng)。
　　（5）用銷盤配副式對Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/5%CaF2、Al2O3/TiB2/10%CaF2進行摩擦磨損試驗，結(jié)果表明，Al2O3/TiB2的磨損形式為典型的磨粒磨損，其摩擦系數(shù)較大；Al2O3/TiB2/5%CaF2的磨損表面開始形成大小不一的潤滑膜，添加納米 CaF2的復