原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具的設(shè)計開發(fā)及其減摩機理研究.pdf

1、本文提出了原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具的概念,即:利用刀具切削高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng),在刀具材料表面原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜,從而實現(xiàn)刀具的自潤滑。研制成功以Al2O3為基體、ZrB2為增強相、ZrO2為彌散相的新型自潤滑陶瓷刀具材料,并對其制備工藝、性能、微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損特性及自潤滑機理、切削性能及減摩機理進行了深入的研究。
　　 在對刀具切削加工的摩擦特點分析的基礎(chǔ)上,提出了原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具材料的設(shè)計原則,確定了自潤

2、滑刀具的材料體系；對原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具材料配方進行了優(yōu)選,并設(shè)計出Al2O3/ZrB2/ZrO2原位反應(yīng)陶瓷刀具材料；對自潤滑陶瓷刀具材料進行了化學(xué)物理相容性設(shè)計,結(jié)果表明在熱壓燒結(jié)過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),同時確定了添加相的極限體積含量；對自潤滑陶瓷刀具材料進行了摩擦學(xué)設(shè)計,熱力學(xué)結(jié)果證明了切削中原位反應(yīng)能夠發(fā)生,同時分析了潤滑膜的減摩機理。
　　 利用熱壓燒結(jié)工藝制備出Al2O3/ZrB2/ZrO2自潤滑刀具材料(AZ系列

3、自潤滑材料),對材料的配比及燒結(jié)壓力、保溫時間等工藝參數(shù)進行了優(yōu)選,并確定了最佳值。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),采用二次球磨工藝,當(dāng)ZrB2/ZrO2含量為20％,在燒結(jié)溫度為1700℃,燒結(jié)壓力為30MPa,保溫時間為20min時,可以制備出綜合力學(xué)性能最好的自潤滑刀具材料AZ20,其維氏硬度為23.1GPa,抗彎強度為760.9MPa,斷裂韌性為6.19MPa·m1/2。在此基礎(chǔ)上,進行了材料相組成掃描和顯微結(jié)構(gòu)觀察,研究了球磨細化工藝對材料性能與

4、微觀結(jié)構(gòu)的影響,并分析了原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具材料內(nèi)在的增韌補強機制。
　　 提出了自潤滑陶瓷刀具材料高溫氧化模型,根據(jù)復(fù)合材料的相關(guān)物性參數(shù),模擬出Al2O3/ZrB2/ZrO2自潤滑刀具材料在氧化溫度θ<1000℃的氧化簡圖,并對AZ系列材料在900℃時氧化增重進行了預(yù)測。對AZ系列自潤滑陶瓷刀具材料進行了高溫氧化試驗,研究了不同條件下自潤滑陶瓷刀具材料的高溫氧化特性,其氧化增重大體符合拋物線規(guī)律。理論預(yù)測曲線與實際氧化曲線

5、的大體趨勢相似,試驗的氧化增重數(shù)值比理論預(yù)測的值要高,主要因為理論模型過于理想化,實際影響氧化增重的因素較多所致。隨著氧化時間的增加,AZ系列自潤滑材料氧化速率逐漸降低,氧化進程逐漸緩慢。主要因為氧化生成的ZrO2覆蓋在材料的表面,一定程度上阻礙了復(fù)合材料繼續(xù)氧化。AZ系列自潤滑材料在不同溫度下氧化20h后,力學(xué)性能均有不同程度下降,其中,當(dāng)氧化溫度為700℃時下降明顯。氧化試驗和X射線衍射結(jié)果表明復(fù)合材料在500～700℃時已開始氧化

6、。
　　 對原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具材料的摩擦特性及減摩機理進行了研究。建立了摩擦磨損過程中接觸區(qū)平均壓力與最高溫度的解析計算式。研究了ZrB2/ZrO2含量、摩擦速度和環(huán)境溫度對AZ系列自潤滑刀具材料的摩擦磨損特性的影響,對潤滑膜的轉(zhuǎn)移與破壞機理進行了深入分析,同時探討了不同摩擦條件下原位反應(yīng)自潤滑的作用。結(jié)果表明:AZ系列自潤滑刀具材料的摩擦系數(shù)隨ZrB2/ZrO2含量的增加而降低,當(dāng)ZrB2/ZrO2含量為20％時,其磨損率

7、最小,由于該陶瓷材料的綜合力學(xué)性能在AZ系列材料中最好,并且在摩擦中其表面形成了一層潤滑膜,改善了摩擦性能,有助于磨損率的降低。AZ20自潤滑陶瓷材料摩擦系數(shù)和磨損率總體上隨著摩擦速度和環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢。主要因為原位反應(yīng)后有ZrO2和B2O3的生成,其在高溫下具有一定的潤滑性,不易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。
　　 研究了原位反應(yīng)自潤滑陶瓷刀具的切削性能及減摩機理。AZ20陶瓷刀具在空氣中切削45號正火鋼和淬火鋼時,當(dāng)切削深度ap

8、=0.2mm,進給量f=0.1mm/r,切削速度v超過160m/min時,刀具表面可以發(fā)生原位反應(yīng)自潤滑,形成了ZrO2和B2O3自潤滑膜,具有一定的減摩特性,不易產(chǎn)生粘結(jié)磨損,并使得切削時刀具的磨損較均勻,不易發(fā)生崩刃的情況。由于原位反應(yīng)自潤滑的作用,AZ20陶瓷刀具在空氣中切削45號正火鋼和淬火鋼時,后刀面磨損、切削力、摩擦系數(shù)和已加工工件的表面粗糙度總體上要比AZ20在氮氣環(huán)境和SG4在空氣環(huán)境中切削時低。在切削深度ap=0.2m