机械加工法制备陶瓷弹簧及其力学性能研究

发布时间：2017-06-30 12:06

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【摘要】：弹簧作为最常用的机械基础元件之一,由于其具有高抗震性、低能量损失以及很好的弹性而广泛应用于密封、储能元件等各类机械装置中。制备弹簧元件最常用的材料为金属或者合金材料,但是其在650℃以上使用时,便会失效。随着超高音速飞行器的发展,研发一种耐高温、耐腐蚀、耐氧化的弹簧成为非常急切的需求。本实验以亚微米级的Y-TZP(氧化钇稳定的四方多晶氧化锆)粉体为原料,首先通过凝胶注模工艺制得筒状坯体,经由合适的温度处理后得到缺陷较少、性能较佳的圆筒,再将圆筒机械加工获得陶瓷弹簧。本实验重点是探究最佳的凝胶注模工艺参数以及加工工艺参数,并对陶瓷弹簧的室温、高温性能进行评价,主要包括不同温度下的压缩-回弹特性,压缩-位移曲线以及室温、高温断裂机理等内容,实验表明:浆料的粘度受分散剂含量、固相含量、球磨时间等因素影响;对于制备圆筒坯体而言,引发剂—催化剂凝胶法较引发剂—加热凝胶法更易制备出形貌较好、表面无缺陷的样品;催化剂浓度为20%时,材料体积收缩率、密度、气孔率、抗弯强度等基本性能为最佳状态,催化剂浓度对材料硬度、韧性、可加工性等有一定影响,但作用不明显;综合考虑材料的强度、硬度、以及可加工性等因素,选取1500℃下圆筒烧结体作为机械加工的基体,此时,氧化锆以四方相形式存在,具有应力诱导相变增韧的效果;室温下,矩形截面弹簧的压缩-位移曲线符合胡克定律,弹簧常数为75.2 N/mm,变形量可达10%,且陶瓷弹簧循环特性稳定良好,能量损失极小可忽略,回弹率为100%;循环曲线中能量损失与温度成正比,弹簧常数与温度成反比。在1100℃时,压缩位移曲线出现屈服阶段,弹簧最大可承受载荷为76N,较室温降低了36.67%,最大压缩率为14%,较室温增加了40%,其断裂形式为沿晶断裂,并伴有层状结构的出现。
【关键词】：陶瓷弹簧 机械加工 室温性能 高温性能
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH135;TQ174.7
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 综述8-20
• 1.1 课题背景8
• 1.2 弹簧元件的研究概述8-15
• 1.2.1 弹簧简介9-11
• 1.2.2 弹簧的性能表征11-12
• 1.2.3 弹簧的研究进展12-15
• 1.3 陶瓷材料成型工艺概述15-18
• 1.3.1 常用陶瓷材料成型工艺15-16
• 1.3.2 凝胶注模成型的影响因素16-17
• 1.3.3 陶瓷的机械加工17-18
• 1.4 Y-TZP材料概述18
• 1.5 课题的提出与意义18-20
• 第二章 实验设计与实验方案20-28
• 2.1 实验原料与设备20-21
• 2.2 实验工艺21-23
• 2.2.1 圆筒坯体的制备21-22
• 2.2.2 弹簧的加工22-23
• 2.2.3 弹簧的烧结23
• 2.3 实验内容23-24
• 2.4 实验流程24
• 2.5 性能测试24-28
• 2.5.1 粘度测试24
• 2.5.2 收缩率、失重测试24-25
• 2.5.3 密度、气孔率测试25
• 2.5.4 力学性能测试25-26
• 2.5.5 硬度、韧性测试26-27
• 2.5.6 XRD测试27
• 2.5.7 扫描电镜分析(SEM)27
• 2.5.8 光学显微镜27-28
• 第三章 陶瓷可加工性的影响因素28-45
• 3.1 浆料粘度的影响因素28-32
• 3.1.1 分散剂含量28-30
• 3.1.2 固相含量30
• 3.1.3 球磨时间30-31
• 3.1.4 小结31-32
• 3.2 引发交联反应方法的研究32-34
• 3.2.1 引发剂 — 加热凝胶法32-33
• 3.2.2 引发剂 — 催化剂凝胶法33
• 3.2.3 小结33-34
• 3.3 预处理温度对样品性能和可加工性的的影响34-40
• 3.3.1 不同预处理温度对样品形貌和成分的影响34-36
• 3.3.2 不同预处理温度对样品基本性能的影响36-37
• 3.3.3 不同预处理温度对样品可加工性的影响37-40
• 3.3.4 小结40
• 3.4 不同催化剂浓度对样品性能和可加工性的影响40-45
• 3.4.1 催化剂的浓度对反应时间的影响40-41
• 3.4.2 催化剂的浓度对烧结体基本性能的影响41-42
• 3.4.3 催化剂浓度对样品可加工性的影响42-44
• 3.4.4 小结44-45
• 第四章 陶瓷弹簧力学性能的研究45-56
• 4.1 弹簧结构参数45-46
• 4.2 陶瓷弹簧室温力学性能46-51
• 4.2.1 陶瓷弹簧室温力学性能46-48
• 4.2.2 陶瓷弹簧室温断裂机理分析48-51
• 4.2.3 小结51
• 4.3 陶瓷弹簧高温力学性能51-56
• 4.3.1 陶瓷弹簧高温力学性能51-55
• 4.3.2 陶瓷弹簧高温断裂机理分析55
• 4.3.3 小结55-56
• 第五章 实验结论56-58
• 参考文献58-62
• 发表论文与参加科研情况说明62-63
• 致谢63-64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 王强;谢帆;;陶瓷零件的机械切削加工[J];机械设计与制造;2013年03期

2 单红艳;;空气弹簧的弹性特性分析[J];农业装备与车辆工程;2009年11期

3 周竹发;王淑梅;吴铭敏;;陶瓷现代成型技术的研究进展[J];中国陶瓷;2007年12期

4 冶银平;李建功;陈建敏;周惠娣;;Y-TZP纳米陶瓷的制备、结构及力学性能[J];兰州理工大学学报;2007年05期

5 白雪清;于爱兵;贾大为;陈W

本文编号：501834