納米CaF2改性自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的制備及性能研究.pdf

1、在傳統(tǒng)切削加工技術(shù)中，通常采用切削液來(lái)降低加工過(guò)程中的摩擦磨損。盡管切削液可以達(dá)到潤(rùn)滑和冷卻的目的，但其在存儲(chǔ)、使用及廢棄的過(guò)程中會(huì)造成環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，制造業(yè)的研究熱點(diǎn)趨向于綠色制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)是干切削加工技術(shù)。但干切削時(shí)刀具快速失效仍然是制約切削加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者不斷尋求開(kāi)發(fā)新型刀具材料、優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和研究潤(rùn)滑冷卻工藝等。其中，納米復(fù)合自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料已被證實(shí)是干切削條件

2、下提高刀具使用壽命的有效方法之一。
　　本文針對(duì)現(xiàn)有的添加微米固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料不能兼顧力學(xué)性能及耐磨性能的問(wèn)題，提出通過(guò)添加納米固體潤(rùn)滑劑設(shè)計(jì)自潤(rùn)滑陶瓷刀具，在實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑特性的同時(shí)，滿足陶瓷刀具對(duì)力學(xué)性能的要求。本文在亞微米 Al2O3基體中添加微米 TiB2作為增強(qiáng)相，以納米CaF2作為固體潤(rùn)滑劑，通過(guò)調(diào)整納米復(fù)合陶瓷刀具材料中基體與增強(qiáng)相的體積比以及固體潤(rùn)滑劑的體積含量，優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù),最終制備出 AL2O3/

3、 TiB2/ CaF2納米復(fù)合陶瓷刀具材料，并對(duì)其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。主要工作包括：
　?。?）選擇TiB2作為復(fù)合陶瓷刀具材料的增韌相，是基于其高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良的特性。選擇納米CaF2作為固體潤(rùn)滑劑，是基于納米顆粒對(duì)復(fù)合材料的韌性具有強(qiáng)化作用，避免出現(xiàn)由于普通固體潤(rùn)滑劑在強(qiáng)度和硬度方面的薄弱導(dǎo)致復(fù)合材料整體性能下降的現(xiàn)象。最終通過(guò)添加微米 TiB2和納米 CaF2

4、實(shí)現(xiàn)對(duì)基體材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的特性。
　?。?）深入研究了化學(xué)反應(yīng)合成沉淀粉體方法，確定以硝酸鈣和氟化銨為原料，蒸餾水與無(wú)水乙醇的復(fù)合溶液為溶劑，聚乙二醇(分子量為6000)作為分散劑，用直接沉淀法制備出了平均粒徑為20nm，且單分散性良好的納米級(jí)CaF2。
　?。?）通過(guò)原料組分優(yōu)化和多組試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了制備納米 CaF2自潤(rùn)滑陶瓷材料的相關(guān)參數(shù)為，Al2O3、TiB2體積比確定為7:3，CaF2的體積含量為1

5、0％；燒結(jié)工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度為1550℃，保溫時(shí)間為20min，燒結(jié)壓力為30MPa。
　?。?）將燒結(jié)制備出的Al2O3/TiB2/CaF2自潤(rùn)滑陶瓷材料制成試樣，經(jīng)測(cè)試，刀具材料的硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為16.5GPa、685MPa、3.6 MPa·m1/2。用掃描電鏡觀察 Al2O3/TiB2/CaF2自潤(rùn)滑陶瓷材料斷口形貌和表面形貌，結(jié)果表明，當(dāng)納米CaF2的體積含量為10%時(shí)，刀具材料各相顆粒分布相對(duì)比較均勻，內(nèi)部

6、氣孔較少，其致密性良好。分析X射線衍射圖，結(jié)果表明，在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，Al2O3、TiB2、CaF2三種物質(zhì)之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
　?。?）用銷盤配副式對(duì)Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/5%CaF2、Al2O3/TiB2/10%CaF2進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，Al2O3/TiB2的磨損形式為典型的磨粒磨損，其摩擦系數(shù)較大；Al2O3/TiB2/5%CaF2的磨損表面開(kāi)始形成大小不一的潤(rùn)滑膜，添加納米 CaF2的復(fù)