梯度自润滑陶瓷刀具的研制及其切削性能研究
发布时间：2021-08-21 20:22
陶瓷刀具材料具有抗磨损、抗腐蚀、热硬性高等诸多优点,但是陶瓷材料本身较脆的缺点极大的制约了其应用,因此陶瓷刀具材料研发的核心是改善陶瓷材料的韧度。本文采用TiB2、TiN为基体材料,WC为增强相,（Ni,Mo）为烧结助剂,利用TiB2、TiN在高温下氧化产物具有的自润滑效果,使用梯度结构设计方法成功制造出了多种层数以及层厚比的陶瓷自润滑梯度刀具材料,且研究了其力学性能、显微组织结构以及摩擦磨损和切削性能。使用有限元法建立了多种层数、层厚比参数的梯度自润滑陶瓷材料模型,对各个模型的残余应力数值及其分布规律进行了模拟分析。结果表明:残余压应力在材料的烧制过程中形成于材料的表层,且在模型的层数、层厚比变大时,表层的残余压应力数值也有所增大,T3-8、T7-1梯度自润滑陶瓷材料的表层残余压应力分别达到了-338.21MPa、-193.61MPa。热压烧结后试样在靠近轴线的一定范围内形成的残余压应力较为均匀,该区域大小随层厚比以及层数增加而增大。研制梯度自润滑陶瓷材料使用的是热压真空烧制方法,对多种层数层厚比样品的力学性能、显微结构进行了探究。结果表明...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀具材料的发展及切削生产率的提高[1]
Gong[34]等人对烧制好的样品沿图1-2中虚线进行切割，制备了多维梯度TiC-Al2O3-Mo-Ni复合陶瓷刀具，探讨了层厚比和组分变化方向与刀具性能的关系，发现当层厚比为0.4、角度α为30°时样品的综合机械性能达到最优，小的角度α使得裂纹通过层间界面时更容易产生裂纹偏转现象。Zheng[35]等通过优化烧结工艺参数和层厚比烧制了两类梯度3 4Sialon-Si N 复合陶瓷刀具材料，发现双重分布的3 4β -Si N晶粒（小尺寸与大尺寸的柱状3 4β -Si N晶粒交错分布）有益于材料抗弯强度和断裂韧度的提高。许崇海[36]等制备了梯度2 3 2Al O /TiC/CaF 陶瓷刀具材料，并分析了四种不同梯度成分分布模型下材料内部的应力分布情况，依据优化结果烧结的梯度陶瓷材料比对应的均质陶瓷刀具在抗弯强度、硬度以及断裂韧度方面各自提高了21%、16%、5.9%，切削实验表明梯度刀具比均质刀具在相同切削条件下的耐磨性更好。图 1-2 多维梯度陶瓷刀具横截面示意图[34]Nomura[37]针对常规涂层硬质合金刀具前刀面的主切削刃附近由于切削高温和冷却液的双重作用下存在较大的热应力和拉应力、易萌生热裂纹的问题
梯度陶瓷材料残余应力形成与增韧机理理论上梯度复合材料的材料属性应该是沿某一方向呈连续变化，但在实程中由于制备技术的限制，多使用成分的阶梯变化替代连续变化，这种叠层梯度复合材料[27]。层状复合材料以强界面结合时往往是利用不匹热膨胀系数、收缩率在表层产生残余应力，材料表层的压应力可以通过的层数、层厚比等参数产生，用以改善整体的材料力学性能。基于非均匀应变的层状对称式复合材料的残余应力理论计算模型，材料束，层间通过剪应力相互约束。以三层的对称结构为例，图 2-1 为其形，其中表层和芯部层材料的热膨胀系数和弹性模量分别对应 ( 1α)2E ，其中1 2α < α； ΔT 为应力松弛温度与常温间的差值； L 为对称长（在此模型中即为烧结样品的半径）；没有层间约束的状态下外层和内向的伸缩量分别表示为1 2α ΔT L、 α ΔTL；Δ 1 、 Δ 2分别为表面层和中间层调变形量[41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]粒度对β/α复合SiC陶瓷的性能影响研究[J]. 刘跃进,王晓刚,王雪莹. 人工晶体学报. 2019(02)
[2]镍基自润滑涂层的摩擦学性能[J]. 孙洋,李文生,胡伟,杨军,朱圣宇,范祥娟. 摩擦学学报. 2018(05)
[3]梯度结构Al2O3-（W,Ti）C-TiN-Mo-Ni纳米金属陶瓷刀具材料的设计及制备[J]. 倪秀英,赵军,孙加林,李洪江,侯冠明,田源. 材料工程. 2018(02)
[4]纳米改性Al2O3/TiB2/CaF2自润滑陶瓷刀具的切削试验研究[J]. 贾孝伟,冯益华,石鹏辉,田园. 现代制造工程. 2018(01)
[5]放电等离子烧结SiC/BN复相陶瓷的制备及力学性能[J]. 翟凤瑞,单科,谢志鹏,孙加林,易中周. 硅酸盐学报. 2016(06)
[6]添加纳米固体润滑剂的自润滑陶瓷材料高温摩擦磨损性能研究[J]. 衣明东,许崇海,肖光春. 人工晶体学报. 2014(09)
[7]热物性参数对Al2O3/（W,Ti）C/CaF2梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的影响[J]. 许崇海,肖光春,张永莲. 人工晶体学报. 2014(07)
[8]多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制[J]. 许崇海,吴光永,张永莲,衣明东,肖光春,方斌. 机械工程学报. 2014(07)
[9]功能梯度材料的制备技术及其研发现状[J]. 高晓菊,王伯芊,贾平斌,满蓬,杨双燕,燕东明. 材料导报. 2014(01)
[10]基于机械合金化法制备（Ti,W）C-Ni金属陶瓷的组织与性能[J]. 陈亮,熊惟皓,陈肖,陈明昆,范畴. 硬质合金. 2013(06)
博士论文
[1]软涂层微纳织构自润滑刀具的制备及其切削性能研究[D]. 连云崧.山东大学 2014
[2]陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备及磨削性能研究[D]. 刘小磐.湖南大学 2012
[3]新型硼化钛基复合陶瓷刀具及切削性能研究[D]. 谷美林.山东大学 2007
[4]多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D]. 刘含莲.山东大学 2005
[5]预应力陶瓷与层状陶瓷复合材料应力分析与设计[D]. 苏盛彪.中国建筑材料科学研究院 2002
硕士论文
[1]WC-15%TiC-Co功能梯度硬质合金刀具的摩擦磨损及切削性能研究[D]. 肖雄.湖南科技大学 2015
[2]梯度陶瓷刀具材料抗机械冲击与抗热冲击性能研究[D]. 董颖.山东大学 2014
[3]纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D]. 徐秀国.齐鲁工业大学 2013
[4]自润滑陶瓷刀具材料的梯度设计及应用[D]. 张永莲.山东轻工业学院 2012
[5]梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制及其减摩耐磨机理研究[D]. 吴光永.山东轻工业学院 2012
本文编号：3356278
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刀具材料的发展及切削生产率的提高[1]
Gong[34]等人对烧制好的样品沿图1-2中虚线进行切割，制备了多维梯度TiC-Al2O3-Mo-Ni复合陶瓷刀具，探讨了层厚比和组分变化方向与刀具性能的关系，发现当层厚比为0.4、角度α为30°时样品的综合机械性能达到最优，小的角度α使得裂纹通过层间界面时更容易产生裂纹偏转现象。Zheng[35]等通过优化烧结工艺参数和层厚比烧制了两类梯度3 4Sialon-Si N 复合陶瓷刀具材料，发现双重分布的3 4β -Si N晶粒（小尺寸与大尺寸的柱状3 4β -Si N晶粒交错分布）有益于材料抗弯强度和断裂韧度的提高。许崇海[36]等制备了梯度2 3 2Al O /TiC/CaF 陶瓷刀具材料，并分析了四种不同梯度成分分布模型下材料内部的应力分布情况，依据优化结果烧结的梯度陶瓷材料比对应的均质陶瓷刀具在抗弯强度、硬度以及断裂韧度方面各自提高了21%、16%、5.9%，切削实验表明梯度刀具比均质刀具在相同切削条件下的耐磨性更好。图 1-2 多维梯度陶瓷刀具横截面示意图[34]Nomura[37]针对常规涂层硬质合金刀具前刀面的主切削刃附近由于切削高温和冷却液的双重作用下存在较大的热应力和拉应力、易萌生热裂纹的问题
梯度陶瓷材料残余应力形成与增韧机理理论上梯度复合材料的材料属性应该是沿某一方向呈连续变化，但在实程中由于制备技术的限制，多使用成分的阶梯变化替代连续变化，这种叠层梯度复合材料[27]。层状复合材料以强界面结合时往往是利用不匹热膨胀系数、收缩率在表层产生残余应力，材料表层的压应力可以通过的层数、层厚比等参数产生，用以改善整体的材料力学性能。基于非均匀应变的层状对称式复合材料的残余应力理论计算模型，材料束，层间通过剪应力相互约束。以三层的对称结构为例，图 2-1 为其形，其中表层和芯部层材料的热膨胀系数和弹性模量分别对应 ( 1α)2E ，其中1 2α < α； ΔT 为应力松弛温度与常温间的差值； L 为对称长（在此模型中即为烧结样品的半径）；没有层间约束的状态下外层和内向的伸缩量分别表示为1 2α ΔT L、 α ΔTL；Δ 1 、 Δ 2分别为表面层和中间层调变形量[41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]粒度对β/α复合SiC陶瓷的性能影响研究[J]. 刘跃进,王晓刚,王雪莹. 人工晶体学报. 2019(02)
[2]镍基自润滑涂层的摩擦学性能[J]. 孙洋,李文生,胡伟,杨军,朱圣宇,范祥娟. 摩擦学学报. 2018(05)
[3]梯度结构Al2O3-（W,Ti）C-TiN-Mo-Ni纳米金属陶瓷刀具材料的设计及制备[J]. 倪秀英,赵军,孙加林,李洪江,侯冠明,田源. 材料工程. 2018(02)
[4]纳米改性Al2O3/TiB2/CaF2自润滑陶瓷刀具的切削试验研究[J]. 贾孝伟,冯益华,石鹏辉,田园. 现代制造工程. 2018(01)
[5]放电等离子烧结SiC/BN复相陶瓷的制备及力学性能[J]. 翟凤瑞,单科,谢志鹏,孙加林,易中周. 硅酸盐学报. 2016(06)
[6]添加纳米固体润滑剂的自润滑陶瓷材料高温摩擦磨损性能研究[J]. 衣明东,许崇海,肖光春. 人工晶体学报. 2014(09)
[7]热物性参数对Al2O3/（W,Ti）C/CaF2梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的影响[J]. 许崇海,肖光春,张永莲. 人工晶体学报. 2014(07)
[8]多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制[J]. 许崇海,吴光永,张永莲,衣明东,肖光春,方斌. 机械工程学报. 2014(07)
[9]功能梯度材料的制备技术及其研发现状[J]. 高晓菊,王伯芊,贾平斌,满蓬,杨双燕,燕东明. 材料导报. 2014(01)
[10]基于机械合金化法制备（Ti,W）C-Ni金属陶瓷的组织与性能[J]. 陈亮,熊惟皓,陈肖,陈明昆,范畴. 硬质合金. 2013(06)
博士论文
[1]软涂层微纳织构自润滑刀具的制备及其切削性能研究[D]. 连云崧.山东大学 2014
[2]陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备及磨削性能研究[D]. 刘小磐.湖南大学 2012
[3]新型硼化钛基复合陶瓷刀具及切削性能研究[D]. 谷美林.山东大学 2007
[4]多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究[D]. 刘含莲.山东大学 2005
[5]预应力陶瓷与层状陶瓷复合材料应力分析与设计[D]. 苏盛彪.中国建筑材料科学研究院 2002
硕士论文
[1]WC-15%TiC-Co功能梯度硬质合金刀具的摩擦磨损及切削性能研究[D]. 肖雄.湖南科技大学 2015
[2]梯度陶瓷刀具材料抗机械冲击与抗热冲击性能研究[D]. 董颖.山东大学 2014
[3]纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D]. 徐秀国.齐鲁工业大学 2013
[4]自润滑陶瓷刀具材料的梯度设计及应用[D]. 张永莲.山东轻工业学院 2012
[5]梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制及其减摩耐磨机理研究[D]. 吴光永.山东轻工业学院 2012
本文编号：3356278
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