原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及其減摩機(jī)理研究.pdf

1、本文提出了原位反應(yīng)自潤(rùn)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(rùn)滑作用的反應(yīng)膜,從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。研制成功以Al2O3為基體、ZrB2為增強(qiáng)相、ZrO2為彌散相的新型自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料,并對(duì)其制備工藝、性能、微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損特性及自潤(rùn)滑機(jī)理、切削性能及減摩機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。
　　 在對(duì)刀具切削加工的摩擦特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,提出了原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)原則,確定了自潤(rùn)

2、滑刀具的材料體系；對(duì)原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料配方進(jìn)行了優(yōu)選,并設(shè)計(jì)出Al2O3/ZrB2/ZrO2原位反應(yīng)陶瓷刀具材料；對(duì)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料進(jìn)行了化學(xué)物理相容性設(shè)計(jì),結(jié)果表明在熱壓燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),同時(shí)確定了添加相的極限體積含量；對(duì)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料進(jìn)行了摩擦學(xué)設(shè)計(jì),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(shí)分析了潤(rùn)滑膜的減摩機(jī)理。
　　 利用熱壓燒結(jié)工藝制備出Al2O3/ZrB2/ZrO2自潤(rùn)滑刀具材料(AZ系列

3、自潤(rùn)滑材料),對(duì)材料的配比及燒結(jié)壓力、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)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(shí)間為20min時(shí),可以制備出綜合力學(xué)性能最好的自潤(rùn)滑刀具材料AZ20,其維氏硬度為23.1GPa,抗彎強(qiáng)度為760.9MPa,斷裂韌性為6.19MPa·m1/2。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了材料相組成掃描和顯微結(jié)構(gòu)觀察,研究了球磨細(xì)化工藝對(duì)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(rùn)滑陶瓷刀具材料內(nèi)在的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制。
　　 提出了自潤(rùn)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(rùn)滑刀具材料在氧化溫度θ<1000℃的氧化簡(jiǎn)圖,并對(duì)AZ系列材料在900℃時(shí)氧化增重進(jìn)行了預(yù)測(cè)。對(duì)AZ系列自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料進(jìn)行了高溫氧化試驗(yàn),研究了不同條件下自潤(rùn)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(cè)曲線與實(shí)際氧化曲線

5、的大體趨勢(shì)相似,試驗(yàn)的氧化增重?cái)?shù)值比理論預(yù)測(cè)的值要高,主要因?yàn)槔碚撃Ｐ瓦^(guò)于理想化,實(shí)際影響氧化增重的因素較多所致。隨著氧化時(shí)間的增加,AZ系列自潤(rùn)滑材料氧化速率逐漸降低,氧化進(jìn)程逐漸緩慢。主要因?yàn)檠趸傻腪rO2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(rùn)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(shí)下降明顯。氧化試驗(yàn)和X射線衍射結(jié)果表明復(fù)合材料在500～700℃時(shí)已開(kāi)始氧化

6、。
　　 對(duì)原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的摩擦特性及減摩機(jī)理進(jìn)行了研究。建立了摩擦磨損過(guò)程中接觸區(qū)平均壓力與最高溫度的解析計(jì)算式。研究了ZrB2/ZrO2含量、摩擦速度和環(huán)境溫度對(duì)AZ系列自潤(rùn)滑刀具材料的摩擦磨損特性的影響,對(duì)潤(rùn)滑膜的轉(zhuǎn)移與破壞機(jī)理進(jìn)行了深入分析,同時(shí)探討了不同摩擦條件下原位反應(yīng)自潤(rùn)滑的作用。結(jié)果表明:AZ系列自潤(rùn)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(shí),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(rùn)滑膜,改善了摩擦性能,有助于磨損率的降低。AZ20自潤(rùn)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(shì)。主要因?yàn)樵环磻?yīng)后有ZrO2和B2O3的生成,其在高溫下具有一定的潤(rùn)滑性,不易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。
　　 研究了原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具的切削性能及減摩機(jī)理。AZ20陶瓷刀具在空氣中切削45號(hào)正火鋼和淬火鋼時(shí),當(dāng)切削深度ap

8、=0.2mm,進(jìn)給量f=0.1mm/r,切削速度v超過(guò)160m/min時(shí),刀具表面可以發(fā)生原位反應(yīng)自潤(rùn)滑,形成了ZrO2和B2O3自潤(rùn)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(shí)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(rùn)滑的作用,AZ20陶瓷刀具在空氣中切削45號(hào)正火鋼和淬火鋼時(shí),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?dú)猸h(huán)境和SG4在空氣環(huán)境中切削時(shí)低。在切削深度ap=0.2m