CNTs增強(qiáng)A12O3-TiC陶瓷拉拔模具的制備及摩擦磨損性能研究.pdf

1、拉拔加工過(guò)程中，拉拔模具工況條件惡劣，與拉拔線材摩擦劇烈，潤(rùn)滑狀態(tài)不穩(wěn)定，邊界潤(rùn)滑、流體潤(rùn)滑和干摩擦相互影響，造成模具磨損失效，嚴(yán)重影響線材的尺寸精度和表面質(zhì)量。因此，提高模具的耐磨性成為十分迫切的問(wèn)題，而模具的強(qiáng)韌化、自潤(rùn)滑及內(nèi)孔表面的減摩抗磨技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，是拉拔模具在工程應(yīng)用中最主要的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。由于 CNTs同時(shí)具有高強(qiáng)度和自潤(rùn)滑性能，本文將 CNTs添加到 Al2O3/TiC陶瓷中，經(jīng)過(guò)真空熱壓燒結(jié)，制備 Al2O3/

2、TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料，并對(duì)其模具結(jié)構(gòu)、物理機(jī)械性能、裂紋擴(kuò)展、增強(qiáng)增韌機(jī)理及摩擦磨損性能進(jìn)行了分析研究。
　　以TiC和Al2O3作為基體，添加CNTs和微量金屬，采用熱壓燒結(jié)工藝，制備出具有高硬度及耐磨性的 Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料，并對(duì)其進(jìn)行物理機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)以及顯微結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明：Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料具有較高的相對(duì)密度；Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料的顯

3、微硬度和抗彎強(qiáng)度均較未添加CNTs的陶瓷材料有所降低，隨著CNTs含量的增加，Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料的硬度和抗彎強(qiáng)度均逐漸降低；隨著CNTs含量繼續(xù)增加，KIC值先增大，最大達(dá)6.04±0.1MPa·m1/2，后逐漸減?。辉摬牧蟽?nèi)部晶粒分布均勻，材料在斷裂過(guò)程中主要為穿晶斷裂。
　　基于Ⅰ裂紋擴(kuò)展和Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋擴(kuò)展模式和裂紋擴(kuò)展理論，建立了 CNTs對(duì)Al2O3/TiC陶瓷裂紋尖端屏蔽的裂紋釘扎和偏轉(zhuǎn)模型

4、，分析了CNTs對(duì)Al2O3/TiC陶瓷裂紋尖端裂紋的影響。結(jié)果表明：裂紋釘扎在碳納米管上時(shí)，在碳納米管周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋尖端應(yīng)力隨著時(shí)間增加逐漸增大，碳納米管吸收基體裂紋尖端的大量應(yīng)變能，降低了復(fù)合陶瓷基體裂紋尖端的整體應(yīng)力，有效地阻止了裂紋的擴(kuò)展，增加了裂紋擴(kuò)展的阻力；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到碳納米管附近時(shí)，由于碳納米管的存在，影響了裂紋擴(kuò)展路徑上的應(yīng)力分布，裂紋選擇強(qiáng)度較低的區(qū)域斷裂，繞過(guò)碳納米后裂紋會(huì)沿著之前裂紋延長(zhǎng)線的方向繼續(xù)斷裂，碳

5、納米管的加入，增加了裂紋的總體長(zhǎng)度，如果不考慮材料的應(yīng)變能、勢(shì)能等，只考慮新生成裂紋的表面能，表面能明顯增加，從而消耗了斷裂能，增加了裂紋擴(kuò)展的阻力。
　　通過(guò)對(duì)Abaqus裂紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了裂紋經(jīng)過(guò)單元上符號(hào)距離函數(shù)值為0的點(diǎn)的坐標(biāo)，近似求解了裂紋偏轉(zhuǎn)情況下的裂紋長(zhǎng)度；通過(guò)計(jì)算可知單個(gè)碳納米管的添加使裂紋的長(zhǎng)度增加了1.8％左右。
　　利用有限元建立了 Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模在拉拔加工中的有限元分析模

6、型，發(fā)現(xiàn)陶瓷拉拔模的最佳工作錐角為7°，當(dāng)定徑區(qū)角度大于7°后，隨著角度的增加拉拔力逐漸增大；當(dāng)定徑區(qū)角度小于7°后，隨著角度的增加拉拔力逐漸減小。當(dāng)拉拔力大于一定值之后，由于拉拔力的施加使拉拔線材發(fā)生彈塑性變形，線材在定徑區(qū)不能完全接觸，定徑區(qū)出口處線材與模具出現(xiàn)了接觸間隙，與模具的摩擦力降低，拉拔力出現(xiàn)降低。拉拔模具工作區(qū)受力比定徑區(qū)大，受力最大位置在定徑區(qū)的最小直徑處。
　　干摩擦條件下對(duì) Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉

7、拔模具材料進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究分析其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明：Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料的摩擦系數(shù)比未添加CNTs的陶瓷材料小，CNTs起到了減磨的作用，摩擦系數(shù)隨CNTs含量的變化為0%>（1%，2%，3%，4%）>5%；在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)分別隨載荷和轉(zhuǎn)速的增加而減小；Al2O3/TiC/CNTs陶瓷拉拔模具材料的磨損量較小，不同載荷和轉(zhuǎn)速下磨損量變化不明顯，隨著CNTs含量的增加，磨損量先降低，后又開(kāi)始