【摘要】：自潤滑陶瓷刀具使刀具實現(xiàn)了在干切削加工過程中具有減摩作用,但未能兼顧刀具材料的耐磨性能。本文采用表面包覆改性方法制備了納米CaF2@Al(OH)3固體潤滑劑,將其與Zr02晶須同時添加到Al2O3/Ti(C,N)陶瓷基體中,制備了添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3與ZrO2晶須須改性的自潤滑陶瓷刀具。主要研究內(nèi)容包括納米CaF2顆粒的制備,納米氟化鈣表面包覆改性,CaF2@Al(OH)3粉體的制備,添加CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶須的陶瓷刀具材料的制備和切削實驗。研究了納米CaF2的制備工藝,通過化學反應(yīng)的方法,制備了粒徑10 nm左右的CaF2顆粒。為防止顆粒團聚,利用分散劑對納米CaF2顆粒進行了分散,在混合溶劑中PVP的濃度為5g/L時得到分散性最優(yōu)的納米CaF2顆粒。采用非均勻形核法制備了包覆型納米CaF2@Al(OH)3顆粒。研究了工藝參數(shù)對包覆效果的影響,確定了工藝參數(shù)分別為pH=7,C(Al3+)=0.03mol/L時,取得了最好的包覆效果,CaF2@Al(OH)3平均粒徑30nm以下。HRTEM測試表明,作為核的CaF2粒徑為10nm以下,非晶Al(OH)3包覆層的厚度約為15nm。制備了同時添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,研究了同時添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須對刀具材料微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響。對添加CaF2@Al(OH)3包覆粉體體積含量分別為5%、10%和15%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料試樣測試表明,CaF2@Al(OH)3體積含量為10%時,材料的抗彎強度達最大值471 MPa,硬度和斷裂韌性分別為18.58GPa、6.50MPa·m1/2,較直接添加納米CaF2的陶瓷材料,硬度提升了 3.2%,斷裂韌性提高了 12%,抗彎強度提高9%。通過對塊體材料SEM和HRTEM測試,可以觀察到晶內(nèi)型納米顆粒的存在,晶內(nèi)納米顆粒分布均勻,粒徑低于10 nm,Al2O3外殼與基體材料融合,在燒結(jié)過程中納米顆粒彌散到基體晶粒內(nèi)部,表面包覆設(shè)計避免了納米顆粒團聚長大。制備了添加ZrO2晶須體積比3%、6%和9%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,試樣的致密度隨著ZrO2晶須的增加而下降。對燒結(jié)前粉體材料SEM檢測表明,球磨時間為6 h,晶須分散性較好,粒徑均勻。晶須添加量為6%時,試樣綜合力學性能達到最優(yōu),其硬度、斷裂韌性、抗彎強度值分別為:19.1 GPa、584 MPa和6.61 MPa·m1/2。相對于未添加ZrO2晶須的陶瓷刀具,硬度略有下降,但斷裂韌性提高14%,抗彎強度提升約5%。同時添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和Zr02晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須的含量分別為10%和6%時綜合力學性能最優(yōu),抗彎強度520 MPa,斷裂韌性7.16 MPa·m1/2,硬度為16.72 GPa。切削實驗表明,相對于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,同時添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具在切削加工中可獲得更低的表面粗糙度,在切削速度為200 m/min,背吃刀量ap=0.2 mm,進給量f=0.102 mm/r時,與Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具相比:切削溫度降低了 31%,主切削力降幅為21%,摩擦系數(shù)降低了 19.59%。刀具前刀面的磨損形式主要為粘著磨損,刀具出現(xiàn)微崩刃;后刀面的磨損區(qū)域平整,存在較為平整的條狀黏著區(qū),同時存在邊界磨損。切削過程中可以觀察到刀具表面形成了完整的潤滑膜,刀具的磨損面積小于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,起到了較好的減摩耐磨效果。
【圖文】：

—＼＿邋Ｊ逡逑圖１．１自潤滑陶瓷刀具的工作原理圖１７１逡逑１．１．２固體潤滑劑的添加對陶瓷材料的影響逡逑固體潤滑劑的添加，改變了陶瓷刀具干切削條件下的摩擦環(huán)境％但一般添逡逑加的潤滑劑，無論是金屬類還是非金屬類，因較低的力學性能是潤滑劑顯著的特逡逑點，所以當固體潤滑劑這種弱相彌散到陶瓷材料的基體當中時，勢必會造成陶瓷逡逑材料的綜合力學性能的下降。另外，潤滑劑材料與陶瓷基體的相容性，化學穩(wěn)定逡逑性也都直接影響了最終制備的刀具的性能，陶瓷刀具的機械性能隨著潤滑劑材料逡逑的大幅度添加將明顯下降，這在一定程度上制約著復(fù)合刀具材料最終的切削性能。逡逑Ｃａｃ＾建立了自潤滑刀具的減摩模型并制備了邋Ａｌ２０３／ＴｉＣ／ＣａＦ２自潤滑陶瓷刀具，研逡逑究表明刀具在摩擦界面上產(chǎn)生了固體潤滑膜

下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r，伴隨一定程度的體積膨脹，同時在陶瓷內(nèi)部單斜相顆粒的周逡逑圍會產(chǎn)生部分微裂紋［｜３］，這樣可以在裂紋擴展時，減少裂紋尖端的應(yīng)力集中來達逡逑到增幵效果。如圖１．２所示，在當裂紋擴展相變區(qū)域時，裂紋會受到相變產(chǎn)生的逡逑應(yīng)力，裂紋的擴展受到阻礙，以此來實現(xiàn)對裂紋的抑制和材料韌性的提高｜｜４］。逡逑／裂紋斷裂逡逑．７＼邐擴展區(qū)逡逑裂紋、逡逑裂紋＊邐￣顆粒逡逑圖１．２在２１0２陶瓷中裂紋擴展受抑制示意圖逡逑從上世紀七十年代設(shè)計制備出摻雜氧化鈣的部分穩(wěn)定Ｚｒ０２陶瓷以來，逡逑Ｍｇ－ＰＳＺ和Ｙ－ＰＳＺ相繼問世，但以Ｇｕｐｔａ邋Ｔ邋Ｋ＂６】設(shè)計的以三氧化二釔為穩(wěn)定劑的逡逑２！＊０２陶瓷在強度韌性的提高等方面取得進步較大。研宄表明，在Ｚｒ０２增韌陶瓷逡逑材料中，Ｚｒ０２的相變（由四方相轉(zhuǎn)化為單斜相）主要受三個方面的影響，其一，逡逑晶粒大小，，其二，基體的彈性模量，其三，穩(wěn)定劑。隨著穩(wěn)定劑含量的增加，ＺｒＣｂ逡逑甚至在在室溫下能完全保持四方態(tài)，這時卻無法起到相變增幵的作用。晶粒的大逡逑小和晶粒周圍物質(zhì)的彈性模量
【學位授予單位】：齊魯工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG711

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