添加镍硼包覆氟化钙复合粉体的氧化铝基自润滑陶瓷刀具的研制

发布时间：2017-10-21 16:38

  本文关键词：添加镍硼包覆氟化钙复合粉体的氧化铝基自润滑陶瓷刀具的研制

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【摘要】：为对自润滑陶瓷刀具进行更深入的研究,本文以固体润滑剂对陶瓷刀具材料的力学性能的影响为切入点,针对固体润滑剂较低的力学性能缺陷,以及自润滑陶瓷刀具在应用中所存在的减磨性与耐磨性不能合理兼顾难题,提出将表面包覆技术应用到自润滑陶瓷刀具的制备中,即通过超声波化学镀方法将合金Ni-B包覆在CaF_2颗粒表面,形成外层具有金属特性,内层具有润滑特性的复合粉体。研究将其添加进陶瓷基体中,通过真空热压烧结工艺制备出自润滑陶瓷刀具材料Al_2O_3/TiB_2/CaF_2@Ni-B,在保证自润滑陶瓷刀具材料的自润滑性能的同时也提高了刀具材料力学性能。研究通过超声波化学镀法制备了合金Ni-B包覆CaF_2复合粉体,分析了各成分的浓度、温度、搅拌速率及pH对镀速以及增重率的影响,并通过实验得出了最佳的包覆工艺。优化后NiSO_4浓度18 g/L、NaBH_4浓度1.3 g/L、乙二胺浓度60 mL/L及稳定剂浓度为1 mg/L,酸碱度取14,搅拌速率设定为45 r/min,镀液温度控制在65~75℃。包覆后的CaF_2复合粉体外观致密,无明显尖角,且不含其他杂质元素。利用真空热压烧结工艺制备了自润滑陶瓷刀具材料。研究将10vol%CaF_2@Ni-B与直接添加10 vol%CaF_2的Al_2O_3/TiB_2/CaF_2的陶瓷刀具材料进行力学性能对比分析,表明包覆型陶瓷材料的力学性能有所提高,硬度提高了2%,断裂韧性提高了27%,抗弯强度提高了7%。研究CaF_2@Ni-B的添加量对自润滑陶瓷刀具力学性能的影响,表明当10%的CaF_2@Ni-B的体积含量时,材料力学性能最好,硬度,韧性及强度分别为16.2GPa,8.2MPa·m1/2及495MPa。同时研究了烧结工艺对自润滑陶瓷刀具材料的力学性能的影响,表明当烧结温度为1700℃,保温时间为15min时,材料的综合力学性能达到最好。研究选取力学性能较好的5 vol%和10 vol%CaF_2@Ni-B的陶瓷刀具材料以制备自润滑陶瓷刀具,分别以干切削的形式在不同的切削参数下切削45钢。结果表明:切削速度的增加,刀具的后刀面磨损加快,陶瓷刀具的有效切削距离不断减少,其中AB陶瓷刀具的切削距离要优于ABF@5的切削距离。切削速度的增加,工件的表面质量也不断提高,其中ABF@5陶瓷刀具切削工件的表面质量要优于AB陶瓷刀具。表明加入CaF_2@Ni-B的自润滑陶瓷刀具的切削效果在加工工件表面质量方面要优于AB陶瓷刀具。两种刀具后刀面的磨损形式均存在磨粒磨损与粘结磨损,同时也存在着边界磨损。由于ABF@10自润滑陶瓷刀具中的含有固体润滑剂CaF_2,保证刀具磨损相对于AB与ABF@5而言不剧烈。研究对比分析了ABF10与ABF@10两种自润滑陶瓷刀具材料在切削45钢时的切削性能。表明随着切削速度的提高,两种刀具的有效切削距离不断下降,其中ABF@10的有效切削距离要优于ABF10的切削距离。表明添加CaF_2@Ni-B复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料的耐磨性要比直接添加CaF_2的自润滑陶瓷刀具材料的耐磨性好。研究发现随着切削速度的不断提高,两种刀具材料所加工工件的表面质量不断提高,均表现良好。实验研究了4种陶瓷刀具之间的切削力与摩擦系数之间的关系,发现随着固体润滑剂的加入,自润滑陶瓷刀具的切削力降低,其中主切削力与径向力下降明显。当CaF_2@Ni-B的含量为10%时,陶瓷刀具的摩擦系数最小,包覆型与未包覆型的两种刀具的切削力与摩擦系数相差不大。
【关键词】：超声波化学镀Ni-B 固体润滑剂 自润滑陶瓷刀具力学性能 切削性能
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG711
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 自润滑陶瓷刀具材料的研究现状12-15
• 1.1.1 实现陶瓷刀具材料的自润滑性能的主要方式12-14
• 1.1.2 常用的固体润滑剂及其主要性能14-15
• 1.2 核壳结构的研究现状15-16
• 1.3 固体润滑剂与化学镀的研究现状16-18
• 1.3.1 化学镀法制备金属包覆固体润滑剂17
• 1.3.2 金属与固体润滑剂之间的润湿性17-18
• 1.4 化学镀法制备金属包覆固体润滑剂的镀液组成与研究方向18-20
• 1.4.1 化学镀法制备金属包覆固体润滑剂的镀液组成18-19
• 1.4.2 化学镀法制备金属包覆固体润滑剂的研究方向19-20
• 1.5 本课题的研究目的、意义及主要内容20-22
• 1.5.1 本课题的研究目的及意义20
• 1.5.2 本课题的研究主要内容20-22
• 第2章 超声波辅助化学镀法制备Ni-B包覆CaF_2粉体22-34
• 2.1 固体润滑剂与包覆材料的选用22
• 2.2 CaF_2@Ni-B复合粉体的制备与表征22-27
• 2.2.1 实验原料与仪器选择22-23
• 2.2.2 CaF_2@Ni-B复合粉体的包覆工艺分析及预处理23-27
• 2.2.3 超声波化学镀Ni-B包覆CaF_2粉体流程27
• 2.3 工艺参数对超声波化学镀的影响27-30
• 2.3.1 镀液中主盐浓度对超声波化学镀的影响27-28
• 2.3.2 硼氢化钠含量对增重率的影响28
• 2.3.3 络合剂乙二胺的影响28-29
• 2.3.4 施镀温度的影响29
• 2.3.5 酸碱度值的影响29
• 2.3.6 超声搅拌的影响29-30
• 2.3.7 CaF_2粉末加入量对增重与稳定性的影响30
• 2.4 CaF_2@Ni-B复合粉体微观方面的形貌及镀层成分的影响30-32
• 2.4.1 CaF_2@Ni-B复合粉体的微观形貌影响30-31
• 2.4.2 超声波化学镀镀层成分测试31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 包覆型自润滑陶瓷刀具材料的制备及表征34-54
• 3.1 包覆型自润滑陶瓷刀具材料的组成分析34-35
• 3.2 自润滑陶瓷刀具材料的制备流程35-37
• 3.2.1 陶瓷刀具材料的实验原料35
• 3.2.2 陶瓷刀具材料的制备工艺35-37
• 3.2.3 ABF粉末的微观形貌研究37
• 3.3 陶瓷刀具材料的力学性能测试分析37-41
• 3.3.1 陶瓷刀具材料的测试方法37-39
• 3.3.2 添加包覆与未包覆固体润滑剂对陶瓷材料的力学性能的影响39
• 3.3.3 包覆型固体润滑剂添加量对陶瓷材料的力学性能的影响39-41
• 3.4 包覆型自润滑陶瓷刀具材料烧结工艺研究41-43
• 3.4.1 包覆型自润滑陶瓷刀具材料烧结温度的研究41-42
• 3.4.2 包覆型自润滑陶瓷刀具材料保温时间的研究42-43
• 3.5 包覆型自润滑陶瓷刀具材料的各相组成情况分析43-44
• 3.6 自润滑陶瓷刀具材料的形貌研究44-50
• 3.6.1 包覆型自润滑陶瓷材料能谱测试44-46
• 3.6.2 添加CaF_2@Ni-B含量不同的自润滑陶瓷表面的断面形貌分析46-47
• 3.6.3 添加CaF_2@Ni-B含量不同的自润滑陶瓷刀具表面形貌影响47
• 3.6.4 包覆型自润滑陶瓷刀具的断面元素研究47-48
• 3.6.5 不同烧结温度下自润滑陶瓷刀具材料的微观形貌研究48-49
• 3.6.6 不同保温时间下的陶瓷刀具材料的形貌研究49-50
• 3.7 包覆型自润滑陶瓷材料的裂纹扩展形貌分析50-51
• 3.8 本章小结51-54
• 第4章 包覆型自润滑陶瓷刀具的切削性能实验54-70
• 4.1 自润滑陶瓷刀具的切削实验54-55
• 4.2 AB与ABF@5切削45钢分析55-63
• 4.2.1 切削速度对两种刀具后刀面磨损量的影响55-56
• 4.2.2 切削速度对工件材料表面粗糙度的影响56-59
• 4.2.3 不同背吃刀量对两种刀具后刀面磨损量的分析59-61
• 4.2.4 不同进给量对两种刀具材料后刀面磨损量及表面粗糙度的影响61-63
• 4.2.5 两种陶瓷刀具的磨损机理63
• 4.3 ABF10与ABF@10切削45钢分析63-67
• 4.3.1 切削速度对两种刀具后刀面磨损量的影响63-64
• 4.3.2 切削速度对材料表面粗糙度的影响64-65
• 4.3.3 包覆型刀具磨损机理及元素含量分析65-66
• 4.3.4 包覆型自润滑陶瓷刀具对切削力及摩擦系数的影响66-67
• 4.4 本章小结67-70
• 第5章 结论与展望70-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 在学期间主要科研成果82

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