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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

作　者: 徐秀国
导　师: 方斌
学　校:
专　业: 机械电子工程
关键词: 纳微米复合梯度复合自润滑力学性能切削性能
分类号: TG711
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文针对现有的自润滑陶瓷刀具材料不能合理兼顾减摩性能和耐磨性能的难题，将纳微米复合与梯度复合的设计思想同时引入自润滑陶瓷刀具的研制过程，设计出一种新型纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料。以纳米TiB2和微米TiB2为基体，WC为增强相，h-BN为固体润滑剂，成功研制了TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，并对刀具材料的组分、梯度分布、微观结构、力学性能及其切削性能进行了研究。采用湿法分散混料、逐层装料、真空热压烧结工艺制备TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料。纳微米复合技术与固体润滑剂的梯度复合技术可以有效地提高自润滑陶瓷刀具材料的力学性能，与均质TiB2/WC/h-BN微米自润滑陶瓷刀具材料相比，TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别提高了15.8%、6.7%和11.1%。纳米TiB2的添加，细化了纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的晶粒。系统研究了层数和组分分布指数n对纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料力学性能的影响：当组分分布指数n为1.1时，随着层数的增加，纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度和硬度逐渐降低；其断裂韧性随着层数的增加呈先增加后降低的趋势。当层数为5层时，随着组成组分分布指数n的增加，纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的力学性能呈先增加后降低的趋势。纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料最优抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为791MPa、4.91MPa·m1/2和16GPa。观察并分析了纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料横剖面及抗弯断口的显微结构，研究了纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的增韧机理，其增韧机理主要包括穿晶/沿晶断裂的混合型模式、裂纹偏转、裂纹桥联、裂纹分支等。对纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料中的残余应力进行了研究，残余应力关于中间层呈对称分布，呈现先上升后下降的趋势，表面存在残余压应力，在进行切削实验时，可以抵消的部分切削力，有利于提高刀具的切削性能。研究分析了连续切削45钢和铸铁时纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的磨损机理，TN1刀具和TN2刀具的磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损；分析了切削速度对刀具后刀面磨损量和刀具寿命的影响，纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的磨损量随切削速度的增大而增大，随着切削速度的增加，TN1与TN2刀具的刀具寿命呈现先增加后降低的趋势。分析了自润滑膜的演变规律，自润滑膜经过了生成、损坏、脱落和再生等几个循环过程，因此纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具在其生命周期内始终具有自润滑效果。切削实验表明，TN2刀具的耐磨性能和摩擦性能比TN1刀具好，对纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料中的固体润滑剂的梯度设计可以有效地提高刀具材料的切削性能。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-22
  1.1 自润滑刀具的研究现状  12-19
    1.1.1 常用固体润滑剂及其主要性能  12-14
    1.1.2 固体自润滑复合材料的研究现状  14-17
    1.1.3 自润滑刀具的研究现状  17-19
  1.2 纳微米复合陶瓷刀具材料的研究现状  19-20
  1.3 本课题的研究目的、意义及主要研究内容  20-22
    1.3.1 本课题的研究目的和意义  20-21
    1.3.2 本课题的主要研究内容  21-22
第2章纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料设计  22-36
  2.1 组分确定  22-23
  2.2 梯度设计  23-32
    2.2.1 组成分布函数与层厚的确定  23-27
    2.2.2 表层固体润滑剂体积含量的确定  27-31
    2.2.3 各层物性参数值的确定  31-32
  2.3 残余应力的计算  32-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备  36-58
  3.1 材料制备  36-37
    3.1.1 原料  36
    3.1.2 制备工艺  36-37
  3.2 力学性能  37-43
    3.2.1 测试方法  37-40
    3.2.2 纳米 TiB2对密度的影响  40
    3.2.3 h-BN 对力学性能的影响  40-41
    3.2.4 纳米 TiB2对力学性能的影响  41
    3.2.5 梯度设计对力学性能的影响  41-42
    3.2.6 层数对力学性能的影响  42
    3.2.7 组分分布指数对力学性能的影响  42-43
  3.3 组成相测试  43-46
    3.3.1 XRD 分析  44
    3.3.2 能谱分析  44-45
    3.3.3 线扫描分析  45-46
  3.4 显微结构分析  46-53
    3.4.1 纳米 TiB2对显微结构的影响  46-48
    3.4.2 组分分布指数对显微结构的影响  48-50
    3.4.3 层数对显微结构的影响  50-51
    3.4.4 纳米 TiB2的显微结构  51-52
    3.4.5 组分分布指数对横剖面显微结构的影响  52
    3.4.6 材料的压痕扩展形貌  52-53
  3.5 残余应力的测量与分析  53-56
    3.5.1 残余应力的测量方式  53-55
    3.5.2 残余应力的结果分析  55-56
  3.6 本章小结  56-58
第4章纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的切削性能  58-72
  4.1 实验条件  58
  4.2 切削 45 钢时的切削性能  58-64
    4.2.1 切削 45 钢时前刀面的磨损机理  59-60
    4.2.2 切削 45 钢时后刀面的磨损机理  60-62
    4.2.3 切削速度对刀具寿命的影响  62
    4.2.4 切削速度对切削温度的影响  62-63
    4.2.5 切削速度对工件表面粗糙度的影响  63-64
  4.3 切削铸铁时的切削性能  64-69
    4.3.1 切削铸铁时前刀面的磨损机理  64-65
    4.3.2 切削铸铁时后刀面的磨损形貌  65-67
    4.3.3 切削速度对刀具寿命的影响  67-68
    4.3.4 切削速度对切削温度的影响  68
    4.3.5 切削速度对工件表面粗糙度的影响  68-69
  4.4 切削过程中的自润滑机理  69-71
  4.5 本章小结  71-72
第5章结论与展望  72-76
参考文献  76-82
致谢  82-84
在学期间主要科研成果  84-85
  一、发表的学术论文  84
  二、参加的科研课题  84
  三、发明专利  84-85
  四、获得奖励  85

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

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