【摘要】：自潤(rùn)滑陶瓷刀具使刀具實(shí)現(xiàn)了在干切削加工過(guò)程中具有減摩作用,但未能兼顧刀具材料的耐磨性能。本文采用表面包覆改性方法制備了納米CaF2@Al(OH)3固體潤(rùn)滑劑,將其與Zr02晶須同時(shí)添加到Al2O3/Ti(C,N)陶瓷基體中,制備了添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3與ZrO2晶須須改性的自潤(rùn)滑陶瓷刀具。主要研究?jī)?nèi)容包括納米CaF2顆粒的制備,納米氟化鈣表面包覆改性,CaF2@Al(OH)3粉體的制備,添加CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶須的陶瓷刀具材料的制備和切削實(shí)驗(yàn)。研究了納米CaF2的制備工藝,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方法,制備了粒徑10 nm左右的CaF2顆粒。為防止顆粒團(tuán)聚,利用分散劑對(duì)納米CaF2顆粒進(jìn)行了分散,在混合溶劑中PVP的濃度為5g/L時(shí)得到分散性最優(yōu)的納米CaF2顆粒。采用非均勻形核法制備了包覆型納米CaF2@Al(OH)3顆粒。研究了工藝參數(shù)對(duì)包覆效果的影響,確定了工藝參數(shù)分別為pH=7,C(Al3+)=0.03mol/L時(shí),取得了最好的包覆效果,CaF2@Al(OH)3平均粒徑30nm以下。HRTEM測(cè)試表明,作為核的CaF2粒徑為10nm以下,非晶Al(OH)3包覆層的厚度約為15nm。制備了同時(shí)添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,研究了同時(shí)添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須對(duì)刀具材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。對(duì)添加CaF2@Al(OH)3包覆粉體體積含量分別為5%、10%和15%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料試樣測(cè)試表明,CaF2@Al(OH)3體積含量為10%時(shí),材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)最大值471 MPa,硬度和斷裂韌性分別為18.58GPa、6.50MPa·m1/2,較直接添加納米CaF2的陶瓷材料,硬度提升了 3.2%,斷裂韌性提高了 12%,抗彎強(qiáng)度提高9%。通過(guò)對(duì)塊體材料SEM和HRTEM測(cè)試,可以觀察到晶內(nèi)型納米顆粒的存在,晶內(nèi)納米顆粒分布均勻,粒徑低于10 nm,Al2O3外殼與基體材料融合,在燒結(jié)過(guò)程中納米顆粒彌散到基體晶粒內(nèi)部,表面包覆設(shè)計(jì)避免了納米顆粒團(tuán)聚長(zhǎng)大。制備了添加ZrO2晶須體積比3%、6%和9%的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料,試樣的致密度隨著ZrO2晶須的增加而下降。對(duì)燒結(jié)前粉體材料SEM檢測(cè)表明,球磨時(shí)間為6 h,晶須分散性較好,粒徑均勻。晶須添加量為6%時(shí),試樣綜合力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu),其硬度、斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度值分別為:19.1 GPa、584 MPa和6.61 MPa·m1/2。相對(duì)于未添加ZrO2晶須的陶瓷刀具,硬度略有下降,但斷裂韌性提高14%,抗彎強(qiáng)度提升約5%。同時(shí)添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和Zr02晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具添加包覆型納米CaF2@Al(OH)3粉體和ZrO2晶須的含量分別為10%和6%時(shí)綜合力學(xué)性能最優(yōu),抗彎強(qiáng)度520 MPa,斷裂韌性7.16 MPa·m1/2,硬度為16.72 GPa。切削實(shí)驗(yàn)表明,相對(duì)于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,同時(shí)添加納米包覆型納米CaF2@Al(OH)3和ZrO2晶須的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具在切削加工中可獲得更低的表面粗糙度,在切削速度為200 m/min,背吃刀量ap=0.2 mm,進(jìn)給量f=0.102 mm/r時(shí),與Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具相比:切削溫度降低了 31%,主切削力降幅為21%,摩擦系數(shù)降低了 19.59%。刀具前刀面的磨損形式主要為粘著磨損,刀具出現(xiàn)微崩刃;后刀面的磨損區(qū)域平整,存在較為平整的條狀黏著區(qū),同時(shí)存在邊界磨損。切削過(guò)程中可以觀察到刀具表面形成了完整的潤(rùn)滑膜,刀具的磨損面積小于Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具,起到了較好的減摩耐磨效果。
【圖文】：

—＼＿邋Ｊ逡逑圖１．１自潤(rùn)滑陶瓷刀具的工作原理圖１７１逡逑１．１．２固體潤(rùn)滑劑的添加對(duì)陶瓷材料的影響逡逑固體潤(rùn)滑劑的添加，改變了陶瓷刀具干切削條件下的摩擦環(huán)境％但一般添逡逑加的潤(rùn)滑劑，無(wú)論是金屬類還是非金屬類，因較低的力學(xué)性能是潤(rùn)滑劑顯著的特逡逑點(diǎn)，所以當(dāng)固體潤(rùn)滑劑這種弱相彌散到陶瓷材料的基體當(dāng)中時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成陶瓷逡逑材料的綜合力學(xué)性能的下降。另外，潤(rùn)滑劑材料與陶瓷基體的相容性，化學(xué)穩(wěn)定逡逑性也都直接影響了最終制備的刀具的性能，陶瓷刀具的機(jī)械性能隨著潤(rùn)滑劑材料逡逑的大幅度添加將明顯下降，這在一定程度上制約著復(fù)合刀具材料最終的切削性能。逡逑Ｃａｃ＾建立了自潤(rùn)滑刀具的減摩模型并制備了邋Ａｌ２０３／ＴｉＣ／ＣａＦ２自潤(rùn)滑陶瓷刀具，研逡逑究表明刀具在摩擦界面上產(chǎn)生了固體潤(rùn)滑膜

下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)，伴隨一定程度的體積膨脹，同時(shí)在陶瓷內(nèi)部單斜相顆粒的周逡逑圍會(huì)產(chǎn)生部分微裂紋［｜３］，這樣可以在裂紋擴(kuò)展時(shí)，減少裂紋尖端的應(yīng)力集中來(lái)達(dá)逡逑到增幵效果。如圖１．２所示，在當(dāng)裂紋擴(kuò)展相變區(qū)域時(shí)，裂紋會(huì)受到相變產(chǎn)生的逡逑應(yīng)力，裂紋的擴(kuò)展受到阻礙，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的抑制和材料韌性的提高｜｜４］。逡逑／裂紋斷裂逡逑．７＼邐擴(kuò)展區(qū)逡逑裂紋、逡逑裂紋＊邐￣顆粒逡逑圖１．２在２１0２陶瓷中裂紋擴(kuò)展受抑制示意圖逡逑從上世紀(jì)七十年代設(shè)計(jì)制備出摻雜氧化鈣的部分穩(wěn)定Ｚｒ０２陶瓷以來(lái)，逡逑Ｍｇ－ＰＳＺ和Ｙ－ＰＳＺ相繼問(wèn)世，但以Ｇｕｐｔａ邋Ｔ邋Ｋ＂６】設(shè)計(jì)的以三氧化二釔為穩(wěn)定劑的逡逑２�。埃蔡沾稍趶�(qiáng)度韌性的提高等方面取得進(jìn)步較大。研宄表明，在Ｚｒ０２增韌陶瓷逡逑材料中，Ｚｒ０２的相變（由四方相轉(zhuǎn)化為單斜相）主要受三個(gè)方面的影響，其一，逡逑晶粒大小，，其二，基體的彈性模量，其三，穩(wěn)定劑。隨著穩(wěn)定劑含量的增加，ＺｒＣｂ逡逑甚至在在室溫下能完全保持四方態(tài)，這時(shí)卻無(wú)法起到相變?cè)鰩缘淖饔谩＞Я５拇箦义闲『途ЯＶ車镔|(zhì)的彈性模量
【學(xué)位授予單位】：齊魯工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG711

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