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《山东大学》 2005年
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自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究

曹同坤  
【摘要】:首次提出了自润滑陶瓷刀具的概念,即:在陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂来改善其摩擦学性能。以Al_2O_3/TiC陶瓷作为基体,以固体润滑剂作为添加剂,研制成功了自润滑陶瓷刀具,并对其设计理论、热压工艺、力学性能、微观结构、摩擦磨损特性、自润滑机理及切削过程中的减摩机理进行了系统深入的研究。 在对刀具切削加工的摩擦特点分析的基础上,提出了自润滑陶瓷刀具材料的组成原则,对自润滑刀具进行了摩擦学设计,建立了自润滑刀具的减摩模型,当刀具表面形成一层固体润滑膜时能够降低摩擦系数,即使自润滑膜未完全覆盖摩擦表面也能起到一定的减摩作用。通过对自润滑刀具材料的物理化学相容性分析计算,确定了固体润滑剂的极限含量,理论上计算了固体润滑剂的最佳含量。对自润滑刀具材料进行了微观结构设计,指出了自润滑陶瓷刀具材料的固体润滑剂颗粒与陶瓷基体颗粒的半径比应在0.225≤r/R≤0.414范围内。 采用热压工艺,以Al_2O_3/TiC作为基体,以固体润滑剂MoS_2、BN和CaF_2作为添加剂,制备出了Al_2O_3/TiC/MoS_2、Al_2O_3/TiC/BN和Al_2O_3/TiC/CaF_2自润滑陶瓷材料。其中,Al_2O_3/TiC/BN材料性能最差,这是由于BN在热压过程中与Al_2O_3发生了化学反应,生成了AlN,由于AlN与基体的热膨胀系数差别较大,导致大量裂纹的产生所致。Al_2O_3/TiC/MoS_2材料性能也较差,主要是由于MoS_2的熔点低容易在高温下熔融析出,同时在热压高温下MoS_2容易发生分解,这导致材料产生较多的气孔所致。与Al_2O_3/TiC/BN和Al_2O_3/TiC/MoS_2陶瓷材料相比,Al_2O_3/TiC/CaF_2陶瓷材料的力学性能最好,各组分间没有发生化学反应,其最佳性能为抗弯强度673MPa,硬度为16.1GPa,断裂韧性3.6MPam~(1/2)。 系统研究了CaF_2含量和试验条件对Al_2O_3/TiC/CaF_2(ATF)自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性的影响。研究结果表明,ATF自润滑陶瓷刀具材料的摩擦系数随CaF_2含量的增加而降低,当CaF_2含量为10%时,其磨损率最小。自润滑陶瓷材料的摩擦系数随载荷和速度的增大呈下降趋势,而磨损率随载荷的增大而呈增大,随速度的增大而呈现出下降趋势;ATF自润滑陶瓷材料与钢和硬质合金分别配副时,其摩擦系数相差不大;在低速下,ATF自润滑陶瓷材料与硬质合金配副时的磨损率小于与钢配副时的磨损率,而在高速下,ATF自润滑陶瓷材料与硬质合金
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TG711

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