Al2O3复相陶瓷刀具材料制备及其摩擦学性能研究

摘要

本文利用化学炉烧结法制备了Al2O3-ZrO2和Al2O3-CeO2复相陶瓷，探索了细晶致密复相陶瓷的最佳烧结工艺及其烧结机理，研究了其在不同条件下的摩擦学特性。主要研究内容和研究结果如下：　　（1）细晶致密Al2O3-ZrO2复相陶瓷的最佳烧结工艺为：稀释剂含量5％，加压压力450KN，保压时间3min，燃烧体系质量130-180g。而最优参数烧结的Al2O3-ZrO2复相陶瓷致密度为99%，平均晶粒尺寸约为800-900nm，硬度约为17.1-17.9G pa，断裂韧性约为4.0-4.3MPa·m1/2。　　（2）研究了Al2O3复相陶瓷的烧结机理。结果表明，短的烧结时间与快速升温避免了Al2O3-ZrO2复相陶瓷表面扩散带来的晶粒长大，快速加压有效的促进了烧结致密化过程。添加相CeO2与Al2O3烧结后形成金属氧化物CeAl11O18。　　（3）研究了不同ZrO2添加相对Al2O3-ZrO2复相陶瓷摩擦学特性的影响。结果表明，随着ZrO2添加相的增加，Al2O3-ZrO2复相陶瓷的耐磨性能降低，且所制备的Al2O3-ZrO2抗磨损性能均低于相同条件烧结的Al2O3。这是由于ZrO2陶瓷的导热性低，易于形成由热效应造成的微裂纹所致。　　（4）研究了不同摩擦条件对Al2O3-ZrO2复相陶瓷摩擦学特性的影响以及其摩擦机制。结果表明，对偶球为Ф4 Si3N4，摩擦时间一定时，随着载荷的增加， Al2O3-ZrO2复相陶瓷从轻微磨损向严重磨损转变的临界速度降低。当载荷 L=10N时，介于0.4-0.6m/s之间；当载荷L=15-20N时，临界速度降低至0.2-0.4m/s。同时，随着速度的增加，其临界载荷降低；当摩擦速度 V=0.2m/s时，其临界载荷介于20-30N之间，摩擦速度增加至V=0.4m/s时，临界载荷介于10-15N。其原因是随着摩擦速度和载荷的增加，磨损形式逐渐由微凸体磨损向裂纹产生和扩展过渡，最后造成晶粒脱落、拔出、断裂。

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第一章 绪论

1.1 Al2O3陶瓷刀具材料的制备及摩擦学研究进展

1.2 课题研究目的、意义及主要内容

第二章 实验与表征方法

2.1 化学炉烧结方法简介

2.2 实验样品原料

2.3 样品的表征与性能测试

第三章 Al2O3复相陶瓷的制备

3.1 化学炉烧结体系确定

3.2 Al2O3-ZrO2复相陶瓷的制备工艺研究

3.3 Al2O3-CeO2复相陶瓷的制备研究

3.4 烧结机理研究

3.5 材料性能测试

3.6 本章小结

第四章 Al2O3-ZrO2复相陶瓷的摩擦学性能研究

4.1 Al2O3-ZrO2复相陶瓷的的摩擦学性能研究

4.2 Al2O3-ZrO2复相陶瓷与纯Al2O3陶瓷的的摩擦学性能对比研究

4.3 摩擦磨损机制

4.4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果