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《山东轻工业学院》 2010年
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基于摩擦学设计的氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究与应用

衣明东  
【摘要】: 本文针对现有陶瓷模具材料应用中所反映出的强度与韧性不足以及使用性能有待改善等问题,综合考虑模具材料、工件材料、工艺条件等影响因素,进行陶瓷模具摩擦学设计。另外提出从材料研制角度并行进行摩擦学设计、变被动设计为主动设计的设想,在设计阶段重点研究可以加强材料耐磨性的组分。在此基础上,将其应用到材料研发过程,采用热压烧结工艺制备一种新型氧化锆纳米复合陶瓷模具材料,并研究其制备工艺、微观结构、力学性能与摩擦磨损性能。 系统探讨了不同组分含量与粒径、烧结工艺对氧化锆纳米复合陶瓷模具材料力学性能和微观结构的影响,研制成功了具有良好综合力学性能的ZrO2-TiB2-Al2O3纳米复合陶瓷模具材料。在烧结温度1430℃、保温时间60℃/min和压力35MPa条件下复合陶瓷材料的抗弯强度达到1055MPa、断裂韧性为10.57MPa·m1/2、硬度为13.59GPa,与单相氧化锆陶瓷材料相比,其抗弯强度和断裂韧性都得到了大幅度提高。在所制备的氧化锆纳米复合陶瓷模具材料中,优化后的烧结工艺可以将四方相氧化锆几乎全部稳定到室温状态,提高了氧化锆的相变增韧作用;微米TiB2和Al2O3的加入对基体材料起到较强的颗粒增强作用,与纳米ZrO2形成典型的晶内/晶间混合型结构,断裂模式变为沿晶/穿晶混合型断裂模式;另外,包括裂纹偏转、裂纹桥联、裂纹分支和颗粒拔出等各种增韧补强机理的协同作用,使氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的综合力学性能得到了较大提高。 对所制备的氧化锆纳米复合陶瓷模具材料进行了摩擦磨损性能实验研究,采用环境扫描电镜观察磨损表面的微观形貌,并对磨损表面的元素和物相变化进行了电子能谱和X射线衍射分析,研究了ZrO2-TiB2-Al2O3纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理。研究表明,组分变化引起的力学性能和微观结构的变化是摩擦磨损性能变化的主要原因;氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的摩擦系数随摩擦时间先升高后降低并在某一范围内上下波动,磨损率随磨损时间的延长逐渐降低;氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的摩擦系数与磨损率都表现为高速摩擦下小而低速下较大,载荷的过高和过低都会导致磨损率的上升。氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的主要磨损机理为机械冷焊和粘着磨损。
【学位授予单位】:山东轻工业学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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