自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具成形及摩擦磨损性能研究

摘要

拉拔加工过程中，模具与被加工线材接触区域处于高温高压、滑动摩擦状态，剧烈的摩擦磨损会导致模具失效，引起线材表面质量和机械性能的下降。因此提高拉拔模具减摩抗磨性能，延长模具使用寿命对拉拔加工行业具有重要意义。在耐磨性研究方面，模具的耐磨性与材料硬度、韧性及润滑状况密切相关。本论文将仿生摩擦学、表面工程学等基础理论与拉拔模具实际受力情况相结合，提出通过叠层结构设计办法来改善拉拔模具耐磨性和断裂韧性，成功制备出自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具，并对其物理机械性能、摩擦磨损性能、叠层结构优化以及拉拔性能进行了分析研究。
　　将Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料和Al2O3-TiC陶瓷材料进行分层叠加，通过真空热压烧结方法制备出Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷材料，并对其进行物理机械性能和显微结构进行分析。结果表明:自润滑复合叠层陶瓷材料具有较高的相对密度，结构致密;维氏硬度为20±0.3 GPa，断裂韧性为5.0±0.3 MPa·m1/2，在平行于叠层方向和垂直于叠层方向上的抗弯强度分别为342±3MPa和355±3MPa，材料整体性较好，力学性能均匀，克服了弱叠层陶瓷材料各向异性的缺点;层间断面处存在裂纹偏转，各单层材料断裂时以穿晶断裂为主。
　　干摩擦条件下对自润滑复合叠层陶瓷材料进行摩擦磨损实验，研究分析其自润滑特性、摩擦因数和磨损率的变化情况以及磨损机制等。结果表明:由于摩擦副相对滑动产生的“拖覆”作用，使得Al2O3-TiC-CaF2材料层的固体润滑剂CaF2被拖覆到Al2O3-TiC材料层表面，Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料整体表现出自润滑特性;材料摩擦因数和磨损率较低且均随着实验载荷和转速的升高呈现下降趋势，减摩抗磨性能好;磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损。
　　通过显微压痕强度实验和有限元方法对不同叠层结构的自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具进行硬度、断裂韧性的测量和残余应力的分析。结果表明:叠层数目为5，层厚比为1∶1时，叠层陶瓷试样具有较高的硬度和断裂韧性和较好的层间残余应力分布情况，自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具的机械性能最好，其硬度和断裂韧性分别为18.3±0.3 GPa和5.75±0.2 MPa·m1/2。
　　通过有限元方法和干摩擦条件下自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具的拉拔实验，对拉拔加工过程中模具受力和拉拔力变化情况进行分析。结果发现:有限元模拟过程中所得拉拔力数值与理论公式计算所得的拉拔力数值相差不大，实际测量拉拔力数值小于模拟结果和计算结果;拉拔加工过程中，拉拔力随着拉拔速度和加工时间的增大不断减小，自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具具有自润滑特性;Al2O3-TiC材料层的磨损机制主要是粘着磨损，Al2O3-TiC-CaF2材料层主要是磨粒磨损和粘着磨损。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究目的及意义

1．2 拉拔模具材料及优缺点

1．3 自润滑陶瓷材料国内外研究现状

1．3．1 特殊条件下，陶瓷材料基体自润滑

1．3．2 原位反应自润滑

1．3．3 添加固体润滑剂自润滑

1．3．4 软涂层自润滑

1．4 叠层陶瓷材料国内外研究现状

1．4．1 叠层陶瓷材料强韧化研究现状

1．4．2 叠层陶瓷材料自润滑研究现状

1．5 课题的主要研究内容

第二章 自润滑复合叠层陶瓷材料的制备及机械性能测试

2．1 自润滑复合叠层陶瓷材料的制备

2．1．1 原材料配比及处理

2．1．2 自润滑复合叠层陶瓷材料的烧结

2．2 自润滑复合叠层陶瓷材料物理机械性能测试实验

2．3 自润滑复合叠层陶瓷材料物理机械性能分析

2．3．1 试样相对密度

2．3．2 试样的硬度、抗弯强度和断裂韧性

2．4 自润滑复合叠层陶瓷材料增韧机理分析

2．4．1 残余应力理论分析

2．4．2 残余应力有限元分析

2．5 自润滑复合叠层陶瓷材料微观结构分析

2．5．1 抛光面形貌分析

2．5．2 断裂面形貌分析

2．6 本章小结

第三章 自润滑复合叠层陶瓷材料摩擦磨损性能研究

3．1 摩擦、磨损及润滑理论研究

3．1．1 摩擦表面接触状态

3．1．2 摩擦理论及磨损分类

3．1．3 磨损的评价

3．1．4 摩擦副材料的减摩抗磨机理

3．2 摩擦磨损实验

3．2．1 摩擦因数实验

3．2．2 磨损率实验

3．2．3 磨损机理分析

3．3 本章小结

第四章 自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具叠层结构优化分析

4．1 叠层结构优化有限元分析及显微压痕实验

4．1．1 叠层结构优化有限元分析

4．1．2 叠层结构优化显微压痕实验

4．3 本章小结

第五章 自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具拉拔性能研究

5．1 拉拔模具内孔研磨加工

5．2 拉拔加工实验和拉拔受力分析

5．2．1 拉拔力的计算及模具受力理论分析

5．2．2 拉拔加工有限元模拟

5．2．3 拉拔加工实验

5．2．4 拉拔实验分析与模拟对比

5．3 拉拔模具磨损形貌分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录