基于摩擦学设计的氧化锆钠米复合陶瓷模具材料的研究与应用

1、基于摩擦学设计的氧化锆钠米复合陶瓷模具材料的研究与应用 分类号?0 TG76；T017475 单位代码： 10431 密 级： 学 号： 1043107101 山束绐互棠学院 硕士学位论文 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 作者姓名 专 业 所在学院 指导教师姓名 专业技术职务 0分 2010年6月16日 r一 和育 ；，幡?， AThesisSubmittedforthe of Application I the MasterS of DegreeEngineering j Researchand Zi icationof rconia Appl Die Cerami

2、cMaterialBased Nanocomposite 一 一o尸oII 1 一 o onI rIboloflICaIDesIgn Candidate： Yi Mingdong S ecial Material Scienceand p ty： Engineering Xu Supervisor：ProfessorChonghai 五f Instituteof Shandong LightIndustry,Jinan，China June，2010 ，J 7 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 I 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许

3、可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 敝作者签名：囊趔拉、 啉血L年丘月凼 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：么塑虱式、 日期：

4、三坐年兰月上窆日 导师签名： 、 J 锦 1 山东轻-T业学院硕十学位论文 目 录 摘 要I ABSTRACTI 第1章绪论l 11模具业的发展现状1 12氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究现状1 121氧化锆基陶瓷材料的研究现状一2 122氧化锆增韧其它陶瓷材料的研究现状3 123氧化锆陶瓷模具材料的研究现状3 13氧化锆纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究4 131氧化锆陶瓷的相变增韧研究4 132纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理一5 14氧化锆陶瓷材料的摩擦学研究现状6 141氧化锆陶瓷材料的摩擦磨损研究现状一6 142氧化锆陶瓷模具材料的摩擦学设计。7 15本课题的研究目的、意义及主要研究内

5、容8 151研究的目的及意义。8 152主要研究内容9 第2章氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究方法11 21基于摩擦学设计的氧化锆纳米复合陶瓷模具材料体系的确定11 211复合材料基体的选择11 212复合材料添加相的确定。12 213金属添加相12 22氧化锆纳米复合陶瓷模具材料体系的物化相容性分析13 221物理相容性13 222化学相容性14 23氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究方法17 231粉料的处理l8 目 录 232复合粉料的制备19 233烧结工艺。20 234测试试样的制备22 弋 235氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的测试与分析方法22 24本章小结25 J 第3章氧化锆纳米复

6、合陶瓷模具材料的制备、力学性能及增韧补强 机理27 31氧化锆纳米复合陶瓷模具材料组分的研究27 311添加TiB2和A1203组分的复合材料组分实验研究27 312 TiB2组分含量对力学性能的影响28 313 A1203组分含量对力学性能的影响29 314不同粒径A1203粉末对力学性能的影响31 315利用计算智能对复合材料的组分进行优化32 32热压烧结工艺对复合材料力学性能的影响34 321热压压力对复合材料力学性能的影响34 322二次保温工艺研究34 323保温时间对复合材料力学性能的影响38 324烧结温度对复合材料力学性能的影响40 33氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的增韧补强机

7、理42 331氧化锆相变增韧42 332混合型断裂模式的发生43 333其它增韧补强机理43 34本章小结45 第4章氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究一47 41摩擦磨损实验47 411实验装置47 412主要研究内容48 413实验测试方法48 414微观结构观察与分析49 42氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究49 421摩擦系数随摩擦时间的变化50 2 山东轻工业学院硕士学位论文 422磨损率随摩擦时间的变化5l 423摩擦性能研究52 424磨损性能研究53 424不同摩擦副条件下的摩擦磨损性能研究54 43氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究57 ； 431

8、摩擦磨损试验前后复合陶瓷表面的变化57 432氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究59 44复合陶瓷模具材料的摩擦学设计一6l 441不同TiB2组分含量对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响62 442不同A1203组分含量对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响63 443组分优化实验对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响63 45本章小结一64 第5章 结论65 参考文献67 致谢73 攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题与奖励75 I 山东轻T业学院硕十学位论文 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

9、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 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TiB

10、2和A1203的加入对基体材料起到较强的颗粒增强作用，与 纳米Zr02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 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

11、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。 关键词：摩擦学设计：纳米复合陶瓷模具材料；微观结构；力学性能；摩擦磨损 ?山东省教育厅科技发展计划 J08LAl8 资助项目 ABSTRACT ， suchas t，- inthe ofthe ceramicdiematerials the existing From application problems and operational flexural toughness poor

12、 strength,fracture asdie factorssuch ceramicdieiscarriesout overallevaluation the by desi阻of friction toreducethe conditions technological materials，and mat耐als，work piece material iscarriedin withthe aJldweal*rateTribologicaldesign parallel coe伍Cient the theinitiativeandreinforcement the for design

13、 passivedesign development，changes new ceramlc inthematerial nanocomposite resistant designThen，a wear component the hot withthe of vacuum techniqueapplication was pressing diemate订a1 by prepared the and techniques， researchand processmg matefial developmentprocess， Wasstudied? wearbehavior thefrict

14、ionand and microstmclre，mechanicalproperties andcontentof onthe ofdifferent size componentpowders Theeffect particle ceramlc andmechanical ofZr02-TiB2一A1203nanocomposite micros仃ucture properties dle ceramlc is nanocomposite diemat丽a1 systemically,Zr02-TiB2。A1203 investigated fabricated highest with

15、mechanical Was successfullyThe m删a1 good properties andhardnessof flexula1 toughness Zr02-TiB2。A1203 strength，fracture reaches by diem删al 1055MPa，1057MPam1厂2and ceramic at 60min hot at1430。Cfor vacuum meansofme technique pressing andfracture flexural toughness ceramic strength tothc Zr02 materials，t

16、he single-phase ceramicdie the materials，the Zr02nanocomposite greatlyIn l娜be饥improved the totheroom could stabilizet-Zr02 sinter nearlycompletely optimumprocess of effectZr02?The enhancethe particle thatCan condition toughening temp钮a1七ure and ofthemicrometerTiB2 A1203 theaddition Callbeachieved ef

17、leet by tou曲缸ng were the mixed fracturemodes powdef-s，andtypical granular arethe and pun。out significant particle deftection，crack branching bridging，crack mechalllcal a mechanismsAsresult，the and comprehensive toughening strengthening been enhanced? diematerialshave of ceramic greatly Zr02nanocompo

18、site properties studied diematerialswere of ceramic Zr02 Thewear nanocomposite morphology electron theelementandthe aenViro珈【Ilent microscopy ESEM ，and using scanning of Pr0啊n GmnNo? Plan。fEducationalDepartmentShandong TechnologyDevelopment supportedby 叩叫ect J08LAI 8 ABSTRACT were compositionanalyze

19、dbyenergydispersiveanalysis phase and frictionandwearmechanismsofZr02 Xraydiffraction XRD The ceramicdiematerialswerestudiedItisindicatedthatthe cause nanocomposite major 气 ofthefrictionandwearbehaviorisattributiedtothe ofthemicrostructureand changes f - themechanical the frictioncoefficientofthe pr

20、opertiesby componentchangeThe Zr02 ceramicdiematerialsisfirstincreasedandthen reached nanocomposite decreased，and arelative valueThewearratereduces withtheattritiontime steady graduallyalong Thefrictioncoe伍cientandwearrateofthe ceramicdiematerials Zr02nanocomposite decreaseswiththeincreasesoftherota

21、tional the orover-low speed，andover-high normalloadisbadforthewealrateWhilethedominantwearmechanisms of Zr02 ceramicdiematerialsalemechanical andadhesive nanocomposite interlocking wear ceramicdie Keywords：Tribologicaldesign；Nanocomposite Mechanical andweal property；Friction Il 山东轻工业学院硕士学位论文 第1章绪论 粤 咿 11模具业的发展现状 模具作为制造业的基础，历史源远流长，早在2000多年前，中国已经出现了 制造铜器的冲压模具，这远远早于西方对模具的认识和利用。进入20世纪以后， 模具生产技术水平的高低已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志， 而且在很大程度上决定着这个国家的产品质量、效益及新产品开发能力，因此各 国都非常重视模具工业的发展