自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究

摘要

首次提出了自润滑陶瓷刀具的概念,即：在陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂来改善其摩擦学性能。以Al2O3/TiC陶瓷作为基体,以固体润滑剂作为添加剂,研制成功了自润滑陶瓷刀具,并对其设计理论、热压工艺、力学性能、微观结构、摩擦磨损特性、自润滑机理及切削过程中的减摩机理进行了系统深入的研究。
　　在对刀具切削加工的摩擦特点分析的基础上,提出了自润滑陶瓷刀具材料的组成原则,对自润滑刀具进行了摩擦学设计,建立了自润滑刀具的减摩模型,当刀具表面形成一层固体润滑膜时能够降低摩擦系数,即使自润滑膜未完全覆盖摩擦表面也能起到一定的减摩作用。通过对自润滑刀具材料的物理化学相容性分析计算,确定了固体润滑剂的极限含量,理论上计算了固体润滑剂的最佳含量。对自润滑刀具材料进行了微观结构设计,指出了自润滑陶瓷刀具材料的固体润滑剂颗粒与陶瓷基体颗粒的半径比应在0.225≤r/R≤0.414范围内。
　　采用热压工艺,以Al2O3/TiC作为基体,以固体润滑剂MoS2、BN和CaF2作为添加剂,制备出了Al2O3/TiC/MoS2、Al2O3/TiC/BN和Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷材料。其中,Al2O3/TiC/BN材料性能最差,这是由于BN在热压过程中与Al2O3发生了化学反应,生成了AlN,由于AlN与基体的热膨胀系数差别较大,导致大量裂纹的产生所致。Al2O3/TiC/MoS2材料性能也较差,主要是由于MoS2的熔点低容易在高温下熔融析出,同时在热压高温下MoS2容易发生分解,这导致材料产生较多的气孔所致。与Al2O3/TiC/BN和Al2O3/TiC/MoS2陶瓷材料相比,Al2O3/TiC/CaF2陶瓷材料的力学性能最好,各组分间没有发生化学反应,其最佳性能为抗弯强度673MPa,硬度为16.1GPa,断裂韧性3.6MPam1/2。
　　系统研究了CaF2含量和试验条件对Al2O3/TiC/CaF2(ATF)自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性的影响。研究结果表明,ATF自润滑陶瓷刀具材料的摩擦系数随CaF2含量的增加而降低,当CaF2含量为10%时,其磨损率最小。自润滑陶瓷材料的摩擦系数随载荷和速度的增大呈下降趋势,而磨损率随载荷的增大而呈增大,随速度的增大而呈现出下降趋势；ATF自润滑陶瓷材料与钢和硬质合金分别配副时,其摩擦系数相差不大；在低速下,ATF自润滑陶瓷材料与硬质合金配副时的磨损率小于与钢配副时的磨损率,而在高速下,ATF自润滑陶瓷材料与硬质合金

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 本课题研究的目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 切削润滑原理与润滑方式

1.2.2 固体润滑剂的研究现状

1.2.3 自润滑材料的研究现状

1.2.4 影响自润滑材料性能的主要因素

1.3 本课题主要研究内容

第2章 自润滑陶瓷刀具材料的设计理论

2.1 改善刀具切削加工润滑性能的途径

2.1.1 切削加工时的摩擦特点

2.1.2 改善刀具切削加工润滑性能的途径

2.2 自润滑陶瓷刀具材料的设计原则

2.3 自润滑刀具的摩擦学设计

2.4 自润滑陶瓷刀具材料的化学相容性分析与计算

2.5 自润滑陶瓷刀具材料的组分设计

2.5.1 自润滑陶瓷刀具材料中固体润滑剂的极限体积含量

2.5.2 自润滑陶瓷刀具材料的润滑组元含量的确定

2.6 自润滑陶瓷刀具材料的微观结构设计

2.7 本章小结

第3章 自润滑陶瓷刀具材料的制备、物理机械性能与微观结构

3.1 自润滑陶瓷材料的制备

3.1.1 原料的处理

3.1.2 制备工艺

3.2 性能测试

3.2.1 相对密度的测定

3.2.2 维氏硬度的测量

3.2.3 抗弯强度的测定

3.2.4 断裂韧性的测定

3.3 自润滑陶瓷材料的物理机械性能及微观结构

3.3.1 Al_2O_3／TiC／h-BN自润滑陶瓷材料的力学性能及微观结构

3.3.2 Al_2O_3／TiC／MoS_2自润滑陶瓷材料的力学性能及微观结构

3.3.3 Al_2O_3／TiC／CaF_2自润滑陶瓷材料的物理机械性能及微观结构

3.4 本章小结

第4章 自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性研究

4.1 摩擦磨损实验方法

4.2 CaF_2含量对自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性的影响

4.3 试验条件对自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性的影响

4.3.1 载荷的影响

4.3.2 摩擦速度的影响

4.3.3 摩擦副的影响

4.3.4 摩擦距离的影响

4.4 本章小结

第5章 自润滑陶瓷刀具材料的自润滑机理研究

5.1 自润滑材料的减摩理论

5.1.1 具有表面膜的粘合摩擦理论

5.1.2 边界润滑机理

5.1.3 摩擦的原子模型

5.2 Al_2O_3／TiC／CaF_2自润滑陶瓷刀具材料润滑膜的成分、微观结构及形成机理

5.3 Al_2O_3／TiC／CaF_2自润滑陶瓷刀具材料的润滑膜的转移及自润滑机理

5.4 Al_2O_3／TiC／CaF_2自润滑刀具材料的润滑膜的损坏机理

5.4.1 自润滑膜的应力分析

5.4.2 自润滑膜的损坏机理

5.4.3 硬颗粒对自润滑膜的影响

5.5 本章小结

第6章 自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理研究

6.1 试验条件

6.2 Al_2O_3／TiC／CaF_2自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理

6.2.1 连续切削铸铁

6.2.2 连续切削45#钢

6.2.3 切削过程中自润滑膜的减摩模型及磨损过程的演变规律

6.3 自润滑陶瓷刀具后刀面的磨损机理

6.3.1 连续切削球墨铸铁

6.3.2 连续切削45#钢

6.4 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢