本文選題：表面包覆 + CaF_2@Al_2O_3��； 參考：《山東大學》2016年博士論文

【摘要】：本文面向干切削加工刀具應用領域,提出將顆粒表面包覆改性的材料設計思想引入自潤滑陶瓷刀具設計領域,設計制備了既具有自潤滑能力又具有較好力學性能的核-殼包覆自潤滑陶瓷刀具,實現(xiàn)了刀具材料力學性能與潤滑性的統(tǒng)一。應用非均勻成核理論,研究了核-殼型CaF_2@Al(OH)3包覆微粒的形成機理,分析了Al(OH)3晶體在CaF_2顆粒表面穩(wěn)定成核和生長的機理和條件；確定了過飽和度AC為Al(OH)3的析晶推動力,AC越大越有利于CaF_2@Al(OH)3包覆微粒的形成和生長。使用Material Studio軟件模擬了CaF_2@Al(OH)3包覆微粒的形成過程,模擬結果顯示A1(OH)3分子能夠在CaF_2顆粒表面穩(wěn)定成核,與試驗結果吻合。采用非均勻成核法制備了CaF_2@Al203核-殼包覆微粒,采用XRD、IR光譜、SEM、TEM等測試方法,對最優(yōu)條件下制備的核-殼包覆微粒進行了表征和分析,確定了包覆微粒的結構和形貌。試驗研究了工藝參數(shù)對CaF_2@Al(OH)3包覆微粒形態(tài)和包覆率的影響,確定了最優(yōu)工藝參數(shù)為pH值為7.5,A13+濃度為0.15 mol/L,溫度T為75℃,氨水滴定速度為3mL/min,此時包覆微粒的包覆率最高,包覆效果最好。分別以Al_2O_3/TiC和Al_2O_3/Ti(C,N)為基體,制備了不同CaF_2@Al203含量的核-殼包覆自潤滑陶瓷刀具材料。當CaF_2@Al203含量為10 vo1.%時,Al_2O_3/TiC/CaF_2@Al203刀具材料綜合力學性能最好,其抗彎強度為662 MPa,斷裂韌性為6.34 MPa.m1/2,硬度為16.86 GPa。與添加相應含量CaF_2的刀具材料相比,其性能分別提高19.06%,36.93%和12.25%。當CaF_2@Al203含量為10 vo1.%時,Al_2O_3/Ti(C,N)/CaF_2@Al_2O_3刀具材料綜合力學性能最好,其抗彎強度為680MPa,斷裂韌性為6.50 MPa-m1/2,硬度為17.29 GPa,。與相應含量添加CaF_2的刀具材料相比,以上性能分別提高12.21%,29.48%,14.50%。材料表面和斷口顯微結構分析表明,CaF_2@Al203核-殼結構是刀具材料力學性能改善的主要原因。添加CaF_2@Al203的核-殼包覆自潤滑陶瓷刀具材料的增強機理為CaF_2@Al203核-殼結構在燒結過程中能夠防止CaF_2熔融后擴散,增強刀具材料的致密化程度：能夠誘發(fā)穿晶斷裂,抑制Al_2O_3晶粒長大,阻止裂紋擴展,起到細化晶粒的作用,使刀具材料的力學性能和潤滑性能得到統(tǒng)一。研究了CaF_2@Al_2O_3含量對AT-C@X系列和ATCN-C@X系列刀具材料摩擦磨損特性的影響。試驗表明,刀具材料的摩擦系數(shù)隨CaF_2@Al_2O_3含量增加而減小,磨損率隨CaF_2@Al_2O_3含量的增加先減小后增大。研究了試驗條件對AT-C@X系列和ATCN-C@X系列刀具材料摩擦磨損特性的影響。試驗表明,刀具材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而降低,磨損率隨載荷的增大而升高；摩擦系數(shù)和磨損率均隨滑動速度的增大而下降。相同試驗條件下,添加CaF_2@Al_2O_3的刀具材料的減摩性能與對應只添加CaF_2的自潤滑陶瓷刀具材料相當,耐磨性能高于相應只添加CaF_2的自潤滑陶瓷刀具材料。研究了CaF_2@Al_2O_3含量對AT-C@X系列和ATCN-C@X系列刀具切削40Cr淬火鋼的切削性能的影響。研究表明,在刀具中添加CaF_2@Al_2O_3具有良好的減摩效果,可以降低切削力和切削溫度,改善加工工件的表面粗糙度,但由于硬度降低,刀具后刀面磨損量略大。添加CaF_2@Al_2O_3的AT-C@X系列刀具的后刀面磨損量分別隨切削速度、背吃刀量和進給量的增加而明顯增加,而加工工件的表面粗糙度分別隨切削速度、背吃刀量和進給量的增加而緩慢升高,說明AT-C@X系列刀具具有良好的切削性能。AT-C@10刀具的前刀面磨損包括微崩刃、月牙洼磨損以及粘結磨損,后刀面磨損包括粘著磨損、磨粒和邊界磨損；ATCN-C@10刀具的前刀面也存在輕微的月牙洼磨損和粘結磨損,后刀面為磨粒磨損、粘著磨損和邊界磨損。AT-C@10刀具的切屑呈連續(xù)帶狀,ATCN-C@10刀具加工的切屑為帶狀和鋸齒狀。ATCN-C@10刀具加工的切屑的氧化明顯高于AT-C@10刀具。
[Abstract]:The dry cutting tool applications, the material design idea of modified particles coated on the surface of the field of introduction of self lubricating ceramic cutting tool design, designed and fabricated with core-shell self-lubricating ability and good mechanical properties of the coated Self-lubricating Ceramic Tool, realizes the unified performance and lubricating tool material mechanics application of heterogeneous nucleation theory of core-shell type CaF_2@Al (OH) 3 coating particles formation mechanism, analysis of the Al (OH) 3 crystals into the mechanism and conditions of nucleation and growth in the stable surface of CaF_2 particles; the supersaturation degree of AC Al (OH) crystallization driving force of the 3. AC is more conducive to the growth of 3 and CaF_2@Al (OH) formed with coated particles. The simulation using the CaF_2@Al Material software Studio (OH) 3 particles coated by the forming process, the simulation results show that the A1 (OH) 3 molecules on the surface of CaF_2 particles and stable nucleation, and the test results Well. By heterogeneous nucleation prepared CaF_2@Al203 core-shell particles coated with XRD, SEM, TEM, IR spectra, test methods, the optimal conditions for the preparation of core-shell coated particles were characterized and analyzed to determine the structure and morphology of coated particles. Experimental study on process parameters CaF_2@Al (OH) 3 coated particle morphology and encapsulation rate effects, determine the optimal parameters for the pH value is 7.5, the concentration of A13+ was 0.15 mol/L, the T temperature is 75 DEG C, ammonia titration rate is 3mL/min, the coated particles by coating the coating effect was the best. The highest rate, respectively by Al_2O_3/TiC and Al_2O_3/Ti (C, N) as matrix and preparation of core-shell coating with different content of CaF_2@Al203 self-lubricating ceramic tool material. When the content of CaF_2@Al203 is 10 vo1.%, the mechanical performance of the best Al_2O_3/TiC/CaF_2@Al203 tool material, the flexural strength is 662 MPa, the fracture toughness of 6.34 MPa.m1/2, The hardness is 16.86 GPa. compared with the tool material add the corresponding content of CaF_2, its properties were increased by 19.06%, 36.93% and 12.25%. when the CaF_2@Al203 content is 10 vo1.%, Al_2O_3/Ti (C, N) /CaF_2@Al_2O_3 comprehensive mechanical performance is the best tool material, the bending strength is 680MPa, the fracture toughness is 6.50 MPa-m1/2, hardness is 17.29 GPa. Compared with the corresponding content adding tool material CaF_2, the above properties were increased by 12.21%, 29.48%, 14.50%. analysis showed that the material surface and microstructure, CaF_2@Al203 core-shell structure is the main reason of the tool material mechanical properties improvement. The core-shell added CaF_2@Al203 coating self reinforcement mechanism of lubricating ceramic cutting tool material for CaF_2@Al203 core shell the structure can prevent the CaF_2 melting diffusion in the sintering process, enhance densification of tool materials: can induce transgranular fracture, inhibition of Al_2O_3 grain growth, prevent Crack propagation, play a role in grain refinement, mechanical properties and lubricating properties of tool materials are unified. The effects of CaF_2@Al_2O_3 content on friction and wear characteristics of AT-C@X series and ATCN-C@X series tool materials. The results show that the friction coefficient of tool material decreases with the increase of CaF_2@ Al_2O_3 content, the wear rate increases with increasing CaF_2@Al_2O_3 content in the first decreases. Study the test conditions of friction and wear characteristics of AT-C@X series and ATCN-C@X series tool materials. The results show that the friction coefficient of tool material decreases with the increase of the load, the wear rate increases as the load increases; the friction coefficient and the wear rate increases with sliding velocity decreased. Under the same experimental conditions the addition of CaF_2@Al_2O_3 tool material, reducing friction properties of self-lubricating material and corresponding only adding CaF_2 is higher than the phase resistance Self-lubricating ceramic tool material should only add CaF_2. To study the effects of CaF_2@Al_2O_3 content on the cutting performance of AT-C@X series and ATCN-C@X series of cutting hardened steel 40Cr. The results show that the addition of CaF_2@Al_2O_3 in the tool has good anti friction effect, can reduce the cutting force and cutting temperature, improve the surface roughness of the workpiece, but because the hardness decreased, the tool flank wear slightly. After adding CaF_2@Al_2O_3 AT-C@X series cutter knife surface of the wear rate increased with the cutting speed, depth of cut and feed and increased significantly, and the work piece surface roughness respectively with the cutting speed, increase the depth of cut and feed and increased slowly, including micro chipping wear surface before the knife AT-C@X series tool has good cutting performance of.AT-C@10 tool, crater wear and adhesive wear, flank wear including Adhesive wear, abrasive wear and boundary wear; the rake face of ATCN-C@10 tool are crater wear and slight adhesive wear, flank abrasive wear, adhesive wear and cutting tool wear.AT-C@10 boundary is continuous strip, ATCN-C@10 oxidation chip cutter for strip and jagged.ATCN-C@10 cutter the chip was significantly higher than that of the AT-C@10 tools.

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG711

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本文編號：1741206