碳化钛基陶瓷拉丝模的研究开发及其相关基础理论研究

摘要

本文研制开发出具有高硬度和耐磨性的碳化钛(TiC)基陶瓷拉丝模，并对其材料设计、受力分析、制备关键技术、拉丝试验平台的设计和损坏机理进行了深入系统的研究。 以Tic作为基体，添加Al<,2>O<,3>和微量金属，采用热压烧结工艺，研制成功具有高硬度及耐磨性的TiC基陶瓷拉丝模材料。结果表明：当Al<,2>O<,3>含量为20wt.％时，TiC基陶瓷拉丝模材料的综合物理机械性能最佳，抗弯强度为889MPa，硬度为19.1GPa，断裂韧性为7.74MPa·m<'1/2>。研究了烧结工艺参数对TiC基陶瓷拉丝模材料力学性能的影响规律，制定出TiC基陶瓷拉丝模材料的最佳工艺参数为：烧结温度为1700℃，烧结压力为30 MPa，保温10 min。 建立了Tic基陶瓷拉丝模在拉拔加工中的受力分析模型，得到TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工中承受的拉拔力。当拉拔线材为65 Mn，直径由4.5mm压缩到4mm，压缩比为21％时，拉拔力最大值位于拉丝模定径区出口位置，其大小为4219.52N。 建立了TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工中的有限元分析模型，对拉拔加工过程进行仿真，得出TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工过程中的应力分布规律，结果表明：拉丝模轴向应力最大值为317MPa，径向应力值为2030MPa，主应力最大值为316MPa。研究了工作区锥角对Tic基陶瓷拉丝模应力的影响规律，结果表明：TiC基陶瓷拉丝模的最佳工作锥角为7°，且压缩比越大，对应的工作区锥角越大。 设计出适合制备TiC基陶瓷拉丝模的石墨模具，分析拉丝模的研磨工艺，探索出一套适合TiC基陶瓷拉丝模的制备方法，即：用0.5μmB<,4>C微粒作为磨料，铸铁作为研磨工具，机油作为加工剂，采用机械手动相结合的研磨方法对Tic基陶瓷拉丝模进行研磨加工可以起到良好的研磨效果。 理论推导Tic基陶瓷拉丝模与钢套之间的过盈量为15.7～72.4μm之间，推导出热装配钢套直径尺寸和公差，并对钢套结构进行了设计。根据热装配的过盈量以及表面粗糙度分析，得出热装配中钢套的加热温度为250℃，并对TiC基陶瓷拉丝模进行热装配，效果良好。成功研制TiC基陶瓷拉丝模，并对TiC基陶瓷拉丝模的主要性能进行测定评估，其技术要求和性能指标均满足拉拔过程的要求。 设计出用于测试TiC基陶瓷拉丝模性能的拉拔试验平台。在拉拔试验平台上进行TiC基陶瓷拉丝模的拉拔试验。研究了不同润滑介质对拉丝模拉拔力的影响规律。结果表明：润滑介质对Tic基陶瓷拉丝模拉拔力产生较大的影响。无润滑时拉拔力最大，采用润滑脂和石墨作为润滑介质时，润滑效果最好，拉拔力最低。分析得出在拉拔加工中TiC基陶瓷拉丝模与线材的润滑机理，两者之间存在流体润滑、边界润滑和直接接触三种状态，其润滑机理主要为流体动力润滑和物理化学吸附作用。 系统研究TiC基陶瓷拉丝模的损坏机理。分析了TiC基陶瓷拉丝模的损坏形式，TiC基陶瓷拉丝模破损主要产生在工作区和定径区与出口区的交界处，其主要原因是长时间磨损所引起的应力集中导致。研究了TiC基陶瓷拉丝模内孔不同区域的磨损形式和磨损机理，结果表明：TiC基陶瓷拉丝模各区域的磨损形式不同，工作区和定径区磨损最为严重，其主要磨损机理为粘结磨损和磨料磨损。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第1章绪论

第2章碳化钛基陶瓷拉丝模材料制备物理机械性能与微观结构

第3章碳化钛基陶瓷拉丝模设计理论及有限元仿真

第4章碳化钛基陶瓷拉丝模的制备工艺和关键技术

第5章碳化钛基陶瓷拉丝模拉拔试验平台设计及拉拔试验

第6章碳化钛基陶瓷拉丝模的损坏机理分析

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励

致谢