氧化锆基纳微米复合陶瓷模具材料及其摩擦磨损特性研究

摘要

本文针对目前模具材料综合力学性能较低的难题，从提高模具材料的综合力学性能出发，采用纳微米复合法制备出具有较高综合力学性能的纳微米复合陶瓷模具材料。对材料组分、热压烧结工艺、微观结构及其与力学性能的关系进行了研究。系统研究了纳微米复合陶瓷模具材料的增韧补强机理，并对模具材料的重要性能指标摩擦磨损特性进行了实验研究。 实验研究了TiC、Y2O3、Al2O3、金属Mo+Ni和稀土元素CeO2对ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料力学性能和微观结构的影响，并对其热压烧结工艺参数进行了优化，最终研制成功了具有良好综合力学性能的ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料。其抗弯强度为866MPa、断裂韧性为8.4MPa·m1/2、硬度为13.05GPa，与单相ZrO2陶瓷材料相比，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别提高了49.8％、17.3％和16.5％。在所制备的ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料中，纳米TiC的加入，细化了晶粒，与微米ZrO2形成了典型的晶内/晶间混合型结构，形成了沿晶/穿晶混合型断裂模式，另外，ZrO2相变增韧、裂纹偏转、裂纹桥联、裂纹分支和颗粒拔出等各种增韧补强机理的协同作用，使ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的综合力学性能得到了较大提高。 对所制备的ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料进行了摩擦磨损性能实验研究，并对其磨损表面进行了微观形貌观察和成分分析，探讨了ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的磨损机理。研究结果表明，在法向载荷为140N，转速为200r/min干摩擦条件下，ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的摩擦系数为0.65，磨损率为2.88×10-7mm3/N·m；而单相ZrO2陶瓷材料的摩擦系数为0.73，磨损率为5.32×10-6mm3/N·m。单相ZrO2陶瓷材料的磨损机理为脆性断裂和晶粒剥落；ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的磨损机理为机械冷焊和粘着磨损。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1陶瓷模具材料研究现状及存在问题

1.1.1陶瓷模具材料的研究现状

1.1.2陶瓷模具材料研究存在的问题

1.2 ZrO2陶瓷材料的研究现状

1.2.1 ZrO2陶瓷的相变增韧研究

1.2.2 ZrO2复合陶瓷材料的研究现状

1.3本课题研究的目的、意义及主要研究内容

1.3.1研究的目的及意义

1.3.2主要研究内容

第2章zrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的组分与制备工艺

2.1组分选择

2.1.1物理相容性

2.1.2化学相容性

2.2研究方法

2.2.1复合材料实验研究的技术路线

2.2.2复合粉料的制备及烧结工艺

2.2.3试样制备及性能测试

2.2.4微观结构观察与分析

2.3本章小结

第3章ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的制备

3.1 ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的力学性能与微观结构

3.1.1纳米TiC含量对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.2 A12O3对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.3Y2O3含量对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.4金属Mo、Ni含量对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.5热压烧结工艺对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.6 CeO2含量对材料力学性能与微观结构的影响

3.1.7最优组分材料与单相ZrO2的对比实验

3.2 ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的增韧补强机理

3.2.1 ZrO2相变增韧

3.2.2晶粒细化强韧化

3.2.3混合型断裂模式的发生

3.2.4裂纹偏转

3.2.5裂纹桥联

3.2.6裂纹分支

3.2.7颗粒拨出

3.3本章小结

第4章ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料摩擦磨损特性研究

4.1摩擦磨损实验方法

4.1.1实验装置

4.1.2实验内容

4.1.3微观结构观察与分析

4.2 ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究

4.2.1摩擦性能研究

4.2.2磨损性能研究

4.3 ZrO2基纳微米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究

4.4对比实验

4.5本章小结

第5章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题与奖励