纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的研究

摘要

本文针对自润滑陶瓷刀具减摩和耐磨性能不能兼顾的难题，提出采用纳米尺度的固体润滑剂替代传统微米尺度的固体润滑剂并形成晶内型纳米结构，结合梯度设计技术使纳米固体润滑剂的含量由表及里逐渐减少，且在刀具表层形成残余压应力，利用纳米固体润滑剂与梯度设计对陶瓷刀具的协同改性效应，研制成功兼具高减摩和高耐磨的新型陶瓷刀具。分析并揭示了纳米固体润滑剂和梯度设计对力学性能、摩擦磨损性能和切削性能的影响机理。 在自润滑陶瓷材料和纳米颗粒的增韧补强机理的研究基础上，提出了纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的设计思路。当纳米固体润滑剂位于基体晶粒内部而形成晶内型纳米结构时，可以有效地改善自润滑陶瓷材料的弹性模量和硬度;理论计算表明，当纳米CaF2的含量低于4.33 vol.％时，不会伤害Al2O3/TiC复合陶瓷的抗弯强度;纳米CaF2具有增韧作用，增韧机制为微裂纹增韧和裂纹偏转。 成功制备出一种适合自润滑陶瓷刀具使用的纳米CaF2，并将其应用于研制具有晶内型纳米结构的陶瓷刀具。制备的纳米CaF2分散性好、纯度高、粒度均匀，平均晶粒尺寸约为20.4 nm。制备复合粉体时采用纳米CaF2分散液，热压烧结后能形成几乎完全的晶内型纳米结构。位于晶内的纳米CaF2粒度在20-50 nm之间，呈近球形。与添加微米CaF2相比，添加纳米CaF2的刀具抗弯强度、硬度、断裂韧性和弹性模量分别提高了28％、24％、45％和29％。晶内型纳米结构是ATCn陶瓷刀具获得较高力学性能的主要原因。随纳米CaF2含量的增加，刀具的抗弯强度先升高后降低，硬度一直降低，断裂韧性一直升高;且在纳米CaF2的含量超过10 vol.％后，抗弯强度和硬度下降较快。 采用梯度设计各梯度层的组分组成，使纳米固体润滑剂含量由表及里逐渐减少和在刀具表层形成残余压应力。有限元计算结果表明，G-ATCn刀具和G-ATWCn刀具表层的最大残余压应力分别为130 MPa和213 MPa。实际制备的梯度陶瓷刀具的组分与微观结构呈梯度变化，梯度层之间界面清晰、结合良好，没有明显的缺陷，残余应力测试值变化趋势与计算结果一致。梯度陶瓷刀具的力学性能均高于表层均质刀具，且梯度设计对抗弯强度影响最为显著:G-ATCn刀具的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为745MPa、7.66 MPa·m1/2和19.6 GPa，与表层均质刀具相比提高了约19.8％、6.7％和2.8％; G-ATWCn刀具的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为865 MPa、6.73 MPa·m1/2和17.1 GPa，与表层均质刀具相比分别提高了74.0％、3.9％和5.0％。 纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的摩擦系数主要受纳米CaF2含量的影响，磨损率不仅与纳米CaF2的含量有关，还受到纳米CaF2导致的力学性能变化的影响。随纳米CaF2含量的增加，ATCn刀具的摩擦系数一直降低;磨损率先降低后升高，当纳米CaF2含量为10 vol.％时，磨损率最低，仅为5.4×10-7 mm3/N·m。梯度设计对摩擦系数影响不大，但力学性能的改善和表层残余压应力的存在改善了刀具的耐磨性。摩擦速度和载荷越高，梯度设计对磨损率的改善效果越明显。随环境温度的升高，G-ATCn和H-ATCn刀具的摩擦系数和磨损率均逐渐降低。随环境温度的升高，H-ATCn刀具的磨粒磨损降低，粘着磨损升高，而梯度设计可以提高抗磨粒磨损和粘着磨损的能力。 在陶瓷刀具中引入纳米CaF2可以改善加工质量，降低加工过程中的切削力、切削温度和摩擦系数。梯度设计可以改善其耐磨损性能，降低加工表面粗糙度，降低切削力和切削温度。G-ATCn刀具的前刀面磨损为微崩刃和月牙洼磨损，后刀面磨损为微崩刃和粘着磨损;G-ATWCn刀具的前刀面为月牙洼磨损;后刀面为磨粒磨损和粘着磨损。纳米CaF2可以缓解工件在刀具上的粘着作用;梯度设计的残余压应力可提高刀具抗微崩刃和月牙洼磨损的能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 固体润滑在陶瓷刀具中的研究现状

1．2．2 纳米复合陶瓷材料的研究现状

1．2．3 纳米材料在陶瓷摩擦学中的研究现状

1．2．4 梯度陶瓷刀具的研究现状

1．3 主要研究内容

1．3．1 问题的提出

1．3．2 主要研究内容

第二章 纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的设计理论基础

2．1 设计原则

2．2 刀具材料体系

2．2．1 基体材料

2．2．2 纳米固体润滑剂

2．3 纳米固体润滑剂对陶瓷刀具的力学性能的影响

2．3．1 弹性模量

2．3．2 抗弯强度

2．3．3 断裂韧性

2．3．4 硬度

2．4 本章小结

第三章 纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的制备及表征

3．1 纳米固体润滑剂的制备

3．1．1 制备机理

3．1．2 试剂与仪器

3．1．3 制备方法

3．1．4 分散剂浓度对分散效果的影响

3．2 纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的制备与测试手段

3．2．1 制备工艺

3．2．2 性能测试及表征手段

3．3 晶内型纳米结构的形成机理及表征

3．3．1 形成机理

3．3．2 微观结构及物相分析

3．4 纳米固体润滑剂对陶瓷刀具的微观结构和力学性能的影响

3．4．1 纳米CaF2的添加方式对力学性能的影响

3．4．2 CaF2的尺度对力学性能和微观结构的影响

3．4．3 纳米CaF2含量对力学性能和微观结构的影响

3．5 本章小结

第四章 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的设计与制备

4．1 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的增强相

4．2 梯度设计与物性参数计算

4．3 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的有限元设计

4．4 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的制备与表征

4．5 梯度设计对力学性能的影响

4．5．1 Al2O3／TiC／CaF2n系纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具

4．5．2 Al2O3／(W，Ti)C／CaF2n系纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具

4．5．3 残余应力测试

4．5．4 残余应力对力学性能的影响

4．6 纳米固体润滑剂与梯度设计的协同改性效应

4．7 本章小结

第五章 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的摩擦磨损性能

5．1 摩擦磨损试验方法

5．1．1 室温摩擦磨损试验方法

5．1．2 高温摩擦磨损试验方法

5．2 纳米固体润滑剂对室温摩擦磨损性能的影响

5．2．1 纳米固体润滑剂对摩擦系数的影响

5．2．2 纳米固体润滑剂对磨损率的影响

5．2．3 摩擦磨损形貌

5．2．4 物相分析

5．3 梯度设计对室温摩擦磨损性能的影响

5．3．1 梯度设计对摩擦系数和磨损率的影响

5．3．2 物相分析与表面形貌

5．3．3 梯度设计对摩擦磨损性能的影响机理

5．3．3 摩擦条件对摩擦磨损性能的影响

5．4 环境温度对摩擦磨损性能的影响

5．4．1 环境温度对摩擦系数和磨损率的影响

5．4．2 环境温度对摩擦形貌的影响

5．4．3 高温减摩耐磨机理

5．4．4 环境温度对摩擦副的影响

5．5 本章小结

第六章 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的切削性能

6．1 切削试验

6．1．1 刀具与工件材料

6．1．2 测试方法

6．2 纳米固体润滑剂对陶瓷刀具切削性能的影响

6．2．1 纳米固体润滑剂对后刀面磨损量的影响

6．2．2 纳米固体润滑剂对工件表面粗糙度的影响

6．2．3 纳米固体润滑剂对切削力和切削温度的影响

6．2．4 纳米固体润滑剂对摩擦系数的影响

6．3 梯度设计对纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具的切削性能的影响

6．3．1 梯度设计对后刀面磨损量的影响

6．3．2 梯度设计对加工工件表面粗糙度的影响

6．3．3 梯度设计对切削力和切削温度的影响

6．3．4 梯度设计对摩擦系数的影响

6．3．5 切削参数对切削性能的影响

6．4 纳米固体润滑剂与梯度设计协同改性陶瓷刀具的减摩耐磨机理

6．4．1 前刀面

6．4．2 后刀面

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文及参与课题