包覆型纳米氟化钙与氧化锆晶须改性自润滑陶瓷刀具的研制

发布时间：2020-06-06 08:44

【摘要】：自润滑陶瓷刀具使刀具实现了在干切削加工过程中具有减摩作用,但未能兼顾刀具材料的耐磨性能。本文采用表面包覆改性方法制备了纳米CaF2@Al(OH)3固体润滑剂,将其与Zr02晶须同时添加到Al2O3/Ti(C,N)陶瓷基体中,制备了添加包覆型纳米CaF2@Al(OH)3与ZrO2晶须须改性的自润滑陶瓷刀具。主要研究内容包括纳米CaF2颗粒的制备,纳米氟化钙表面包覆改性,CaF2@Al(OH)3粉体的制备,添加CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶须的陶瓷刀具材料的制备和切削实验。研究了纳米CaF2的制备工艺,通过化学反应的方法,制备了粒径10 nm左右的CaF2颗粒。为防止颗粒团聚,利用分散剂对纳米CaF2颗粒进行了分散,在混合溶剂中PVP的浓度为5g/L时得到分散性最优的纳米CaF2颗粒。采用非均匀形核法制备了包覆型纳米CaF2@Al(OH)3颗粒。研究了工艺参数对包覆效果的影响,确定了工艺参数分别为pH=7,C(Al3+)=0.03mol/L时,取得了最好的包覆效果,CaF2@Al(OH)3平均粒径30nm以下。HRTEM测试表明,作为核的CaF2粒径为10nm以下,非晶Al(OH)3包覆层的厚度约为15nm。制备了同时添加纳米包覆型纳米CaF2@Al(OH)3粉体和ZrO2晶须的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,研究了同时添加包覆型纳米CaF2@Al(OH)3粉体和ZrO2晶须对刀具材料微观结构和力学性能的影响。对添加CaF2@Al(OH)3包覆粉体体积含量分别为5%、10%和15%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料试样测试表明,CaF2@Al(OH)3体积含量为10%时,材料的抗弯强度达最大值471 MPa,硬度和断裂韧性分别为18.58GPa、6.50MPa·m1/2,较直接添加纳米CaF2的陶瓷材料,硬度提升了 3.2%,断裂韧性提高了 12%,抗弯强度提高9%。通过对块体材料SEM和HRTEM测试,可以观察到晶内型纳米颗粒的存在,晶内纳米颗粒分布均匀,粒径低于10 nm,Al2O3外壳与基体材料融合,在烧结过程中纳米颗粒弥散到基体晶粒内部,表面包覆设计避免了纳米颗粒团聚长大。制备了添加ZrO2晶须体积比3%、6%和9%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,试样的致密度随着ZrO2晶须的增加而下降。对烧结前粉体材料SEM检测表明,球磨时间为6 h,晶须分散性较好,粒径均匀。晶须添加量为6%时,试样综合力学性能达到最优,其硬度、断裂韧性、抗弯强度值分别为:19.1 GPa、584 MPa和6.61 MPa·m1/2。相对于未添加ZrO2晶须的陶瓷刀具,硬度略有下降,但断裂韧性提高14%,抗弯强度提升约5%。同时添加纳米包覆型纳米CaF2@Al(OH)3粉体和Zr02晶须的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具添加包覆型纳米CaF2@Al(OH)3粉体和ZrO2晶须的含量分别为10%和6%时综合力学性能最优,抗弯强度520 MPa,断裂韧性7.16 MPa·m1/2,硬度为16.72 GPa。切削实验表明,相对于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,同时添加纳米包覆型纳米CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶须的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具在切削加工中可获得更低的表面粗糙度,在切削速度为200 m/min,背吃刀量ap=0.2 mm,进给量f=0.102 mm/r时,与Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具相比:切削温度降低了 31%,主切削力降幅为21%,摩擦系数降低了 19.59%。刀具前刀面的磨损形式主要为粘着磨损,刀具出现微崩刃;后刀面的磨损区域平整,存在较为平整的条状黏着区,同时存在边界磨损。切削过程中可以观察到刀具表面形成了完整的润滑膜,刀具的磨损面积小于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,起到了较好的减摩耐磨效果。
【图文】：

陶瓷刀具,自润滑,工作原理图

—＼＿邋Ｊ逡逑图１．１自润滑陶瓷刀具的工作原理图１７１逡逑１．１．２固体润滑剂的添加对陶瓷材料的影响逡逑固体润滑剂的添加，改变了陶瓷刀具干切削条件下的摩擦环境％但一般添逡逑加的润滑剂，无论是金属类还是非金属类，因较低的力学性能是润滑剂显著的特逡逑点，所以当固体润滑剂这种弱相弥散到陶瓷材料的基体当中时，势必会造成陶瓷逡逑材料的综合力学性能的下降。另外，润滑剂材料与陶瓷基体的相容性，化学稳定逡逑性也都直接影响了最终制备的刀具的性能，陶瓷刀具的机械性能随着润滑剂材料逡逑的大幅度添加将明显下降，这在一定程度上制约着复合刀具材料最终的切削性能。逡逑Ｃａｃ＾建立了自润滑刀具的减摩模型并制备了邋Ａｌ２０３／ＴｉＣ／ＣａＦ２自润滑陶瓷刀具，研逡逑究表明刀具在摩擦界面上产生了固体润滑膜

示意图,裂纹扩展,陶瓷,示意图

下转变为单斜相时，伴随一定程度的体积膨胀，同时在陶瓷内部单斜相颗粒的周逡逑围会产生部分微裂纹［｜３］，这样可以在裂纹扩展时，减少裂纹尖端的应力集中来达逡逑到增幵效果。如图１．２所示，在当裂纹扩展相变区域时，裂纹会受到相变产生的逡逑应力，裂纹的扩展受到阻碍，以此来实现对裂纹的抑制和材料韧性的提高｜｜４］。逡逑／裂纹断裂逡逑．７＼逦扩展区逡逑裂纹、逡逑裂纹＊逦￣颗粒逡逑图１．２在２１0２陶瓷中裂纹扩展受抑制示意图逡逑从上世纪七十年代设计制备出掺杂氧化钙的部分稳定Ｚｒ０２陶瓷以来，逡逑Ｍｇ－ＰＳＺ和Ｙ－ＰＳＺ相继问世，但以Ｇｕｐｔａ邋Ｔ邋Ｋ＂６】设计的以三氧化二钇为稳定剂的逡逑２！＊０２陶瓷在强度韧性的提高等方面取得进步较大。研宄表明，在Ｚｒ０２增韧陶瓷逡逑材料中，Ｚｒ０２的相变（由四方相转化为单斜相）主要受三个方面的影响，其一，逡逑晶粒大小，，其二，基体的弹性模量，其三，稳定剂。随着稳定剂含量的增加，ＺｒＣｂ逡逑甚至在在室温下能完全保持四方态，这时却无法起到相变增幵的作用。晶粒的大逡逑小和晶粒周围物质的弹性模量
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711

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