Al2O3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析

以添加TiC、Ti（C，N）和SiCw 3种Al2O3基陶瓷刀具材料作为研究对象，在MRH-3型高速环-块摩擦磨损试验机上研究3种陶瓷刀具材料在相同试验条件下的摩擦磨损性能，通过扫描电子显微镜对陶瓷的磨损表面进行观察，并利用ANSYS有限元软件分析计算磨损时的应力分布．结果表明，Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性与其添加剂的种类有关，其抗磨性能由大到小顺序依次为Al2O3／SiCw〉Al2O3／Ti（C，N）〉Al2O3／TiC．Al2O3基陶瓷刀具的摩擦磨损性能与其硬度（H）、弹性模量（E）和断裂韧性（KIC）有关，磨损率W随E／H增加而增大，随KIC增加而减小．Al2O3／TiC陶瓷刀具材料的磨损机理以粘着磨损为主，Al2O3／Ti（C，N）和Al2O3／SiCw陶瓷刀具材料的磨损机理主要为磨粒磨损．     

Al-TiO2-B2O3反应体系中B2O3/TiO2摩尔比对热扩散反应合成铝基复合材料磨损性能的影响

利用Al-TiO2-B2O3体系热扩散反应合成(XD)法制备了铝基复合材料;采用销-盘摩擦磨损试验机考察了所制备的铝基复合材料在干摩擦条件下同GCr15钢配副时的磨损性能;采用扫描电子显微镜和光学金相显微镜观察分析了复合材料微观组织结构及其磨损表面和剖面形貌,探讨了其磨损机理.结果表明:所制备的铝基复合材料的磨损性能随Al-TiO2-B2O3反应体系中B2O3/TiO2摩尔比的增加而提高;复合材料的磨损质量损失随着滑动速度的增加而增加,当滑动速度为0.9 m/s左右时最大,随后开始减小;磨损质量损失与滑动距离基本呈线性关系.当B2O3/TiO2摩尔比为0.0时,增强相由Al2O3和Al3Ti组成,相应的复合材料的抗磨性能较差,其磨损主要表现为Al3Ti的犁沟切削、亚表层剥落、塑性基体流失导致Al2O3颗粒裸露脱落以及Al3Ti棒断裂导致的磨粒磨损;加入B2O3后,棒状Al3Ti的数量减少,有利于基体晶粒细化,提高复合材料强度和塑性,故抗磨性能提高.当B2O3/TiO2摩尔比为1.0时,复合材料中的Al3Ti基本消失,抗磨性能显著改善,主要磨损机制为粘着磨损和轻微磨粒磨损.     

高速车削300M超高强度钢时的Al2O3 基陶瓷刀具磨损机理研究

使用Al2O3基陶瓷刀具对300M超高强度钢进行了干切削试验,采用电子扫描显微镜（SEM）观察刀具的磨损形貌,并通过能谱分析仪（EDS）测量了陶瓷刀具磨损微区的各元素含量,分析了陶瓷刀具的主要磨损机理.结果表明：陶瓷刀具磨损的主要机理为粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损.粘结磨损主要发生在前刀面上,且受刀具材料和工件材料接触点应力状态的影响.刀具前、后刀面的磨损边缘区易发生氧化磨损.     

微池润滑刀具干切削过程中的减摩机理

通过在前刀面月牙洼磨损区域加工装填MoS2固体润滑剂的微孔产生"微池效应"来改善刀具的摩擦学特性,制备了YG8微池润滑刀具.以该微池刀具对45#钢进行干切削试验,结果表明:微池刀具与普通的YG8刀具相比具有良好的摩擦磨损特性,切削力明显减小,前刀面摩擦系数显著降低.通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDX)对微池刀具前刀面观察研究,分析了刀具自润滑机理:微池刀具前刀面小孔中的润滑剂受热膨胀及切屑摩擦挤压作用析出,在前刀面表面拖覆形成固体润滑层,直接渗入到刀屑接触区域,从而起到减摩润滑作用,改善刀具基体减摩抗磨性能.润滑膜层在切削加工中是一个润滑膜形成、磨损、再形成的循环过程,微池润滑刀具在微孔完全磨损的整个生命周期内始终具有自润滑效果.     

连续加载条件下纳米Al_2O_3/FeS固体润滑复合涂层的摩擦学性能

在连续加载条件下,考察了纳米Al2O3/FeS固体润滑复合层在不同温度时的减摩抗磨性能;利用X射线光电子能谱(XPS)分析了不同温度下磨损表面所含元素及其化学价态.结果表明:纳米Al2O3/FeS固体润滑复合层在室温至150℃范围内,具有优异的减摩性能和抗磨性能;磨损表面存在S元素,并以硫化物和硫酸盐形式存在,但未发现Al元素,表明磨损表面形成了主要由硫化物和硫酸盐组成的摩擦化学反应膜.     

冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响

基于复合制冷技术研制1种低温冷风/低温最小量润滑供给装置,使用TiAlN涂层硬质合金刀具进行干切削、最小量润滑(MQL)、低温冷风及低温最小量润滑(低温MQL)条件下镍基高温合金Inconel 718的高速车削试验和淬硬钢AISI D2的高速铣削试验,通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察分析硬质合金刀具的磨损形态、磨损机理,研究低温冷风和低温MQL对高速切削难加工材料刀具磨损的影响.结果表明:高速切削Inconel 718和AISI D2时,刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损;低温冷风和低温MQL可有效降低高速切削时的切削温度,进而防止刀具软化,减小磨料磨损和与温度相关的黏结磨损、扩散磨损,因而可大幅度地提高刀具的使用寿命.     

加工Al2O3f+Cf/ZL109混杂增强复合材料的刀具磨损性能研究

利用挤压铸造法制备了炭短纤维(Cf)和Al2O3f短纤维增强以及混杂增强ZL109复合材料,研究了切削加工Al2O3f Cf/ZL109混杂复合材料过程中,Cf短纤维和Al2O3f短纤维含量以及切削速度对刀具磨损性能的影响.结果表明,刀具后刀面的磨损量随着纤维含量的增加而增加,Al2O3f短纤维对刀具磨损性能的影响程度大于Cf短纤维;2种短纤维混杂增强较单一Cf或Al2O3f增强时刀具后刀面的磨损将进一步加剧,但2种纤维对刀具磨损的交互作用并不显著;随着切削速度的增加,刀具后刀面的磨损量明显增大.高硬度PCD刀具和CBN刀具适用于加工Al2O3f Cf/ZL109混杂复合材料.     

高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究

使用硬质合金刀具材料进行钛合金(Ti-6Al-4V)的高速干车削试验.采用电子扫描显微镜(SEM)观察刀具的磨损形貌,通过能谱分析(EDS)分析磨损表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行了分析.研究结果表明,使用硬质合金刀具材料高速干车削Ti-6Al-4V时,刀具的磨损机理主要为粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损.硬质合金刀具的氧化磨损主要发生在刀具前刀具和后刀面的磨损边缘区.由于车削过程中刀具前刀面的切削温度比后刀面的切削温度高,导致刀具前刀面的氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损较后刀面严重.     

陶瓷刀具干切削等温淬火球铁(ADI)的磨损机理研究

采用陶瓷刀具(CC650)和YG6硬质合金刀具对等温淬火球墨铸铁(以下简称ADI)材料进行干式精车切削试验, 采用带有X射线能谱分析的扫描电子显微镜观察刀具磨损表面形貌, 用能谱仪对刀具磨损微区和工件表面成分进行分析, 用X射线衍射仪对刀具、 ADI材料和切屑等试样进行物相分析, 研究陶瓷刀具磨损形态及其磨损机理. 结果表明: 刀具磨损的主要形式为磨粒磨损、粘着磨损、 扩散磨损及微崩和脱落; ADI材料中含有微量Al和Ti元素, 在较高速度下切削ADI材料时, 刀具与工件之间的亲和性增加而导致粘着磨损; 在刀具前刀面平均切削温度大于800 ℃以上时,ADI材料中的元素Fe和Si扩散到刀面,刀具中的元素Al和Ti扩散到ADI材料表面,从而加剧刀具的磨损;切削后ADI材料表面出现的Al2O3相及切屑中的FeCr相等高硬度化合物颗粒是造成CC650刀具磨粒磨损的主要原因.     

奥氏体回火温度对等温淬火球墨铸铁(ADI) 高速切削加工性能的影响研究

等温淬火球墨铸铁(Austempering Ductile Iron,以下简称ADI)是一种新型的耐磨球铁材料.结合现有ADI材料的生产情况,选取300、350、400 ℃3个奥氏体回火温度,制备3组试样并测定力学性能.通过高速切削试验,研究了CC650陶瓷刀具高速干式切削不同性能ADI材料时刀具磨损形态和磨损机理,探讨了奥氏体回火温度对ADI高速切削时刀具磨损性能的关系.试验结果表明,奥氏体回火温度对ADI材料组织和力学性能有较大影响;奥氏体回火温度和ADI试件材料与CC650刀具磨损之间具有相关性;高速切削时,CC650刀具对ADI切削的磨损机制以磨粒磨损和扩散磨损为主.     

冷却润滑对纯铁车削刀具磨损的影响机理

合适的冷却润滑方式是改善切削摩擦,降低切削温度和切削力,提高刀具寿命的关键技术.采用干切、水冷、微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)以及菜籽油润滑等四种方式进行了不同工艺参数下纯铁材料的车削试验,研究了冷却润滑方式对纯铁车削刀具磨损的影响机理.结果表明:纯铁车削时刀具磨损形态以主、副切削刃处的沟槽磨损和后刀面磨损为主,前刀面上黏结有工件材料并形成积屑瘤;MQL条件下的刀具寿命最长,而水冷时最小;扩散磨损、氧化磨损和黏结磨损是纯铁车削刀具的主要磨损机理;四种冷却润滑方式下切削力、前刀面与切屑间平均摩擦系数和表面显微硬度的显著差异是造成刀具寿命明显不同的根本原因.     

纳米Al2O3增强PA6复合材料的摩擦磨损性能研究

利用MMW-1型摩擦磨损试验机考察了纳米Al2O3增强PA6复合材料同45#钢对摩时的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面形貌.结果表明:纳米Al2O3可以提高PA6的耐磨性能;在小于100 N低载荷下纳米Al2O3填充PA6复合材料的滑动摩擦系数符合粘弹性材料的变化规律;只有当填充量适当时,纳米Al2O3微粒才能有效地增强聚合物基体的抗磨粒磨损性能,并阻碍聚合物基体向偶件磨损表面的粘着转移;纳米Al2O3质量分数为10%的PA6复合材料的抗磨性能最佳.     

高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究

采用CVD涂层硬质合金可转位立铣刀对钛合金(Ti-6Al-4V)进行了高速干铣削试验,采用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具的磨损形貌,通过能谱分析(EDS)分析失效刀具表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行了分析.研究结果表明:使用涂层硬质合金刀具高速干铣削Ti-6Al-4V时,刀具的失效机理主要为磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损和热-机械疲劳磨损的综合作用.刀具刚参与切削时,刀具后刀面会产生粘结和由于摩擦引起的擦伤,粘结层在断续冲击作用下的脱落过程还会造成后刀面涂层的剥落;随着刀具进一步的磨损,涂层剥落、粘结磨损及磨粒磨损伴随整个刀具失效过程,且还会出现氧化磨损、扩散磨损和疲劳裂纹等.切削速度越高,新产生的钛合金切屑就越容易燃烧,使刀具粘结、氧化和扩散以及热-机械疲劳等磨损加剧.     

纳米Al2O3和Fe2O3填充尼龙PA1010的摩擦磨损行为

采用模具挤压成型方法制备了纳米Al2O3和Fe2O3填充PA1010尼龙复合材料，采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了所制备的尼龙复合材料在干摩擦条件下同45#钢对摩时的摩擦磨损行为。研究结果表明，填充纳米Al2O3使得PA1010尼龙复合材料的摩擦系数增大，而填充纳米Fe2O3使得摩擦系数降低；纳米Al203和Fe2O3填充尼龙复合材料的耐磨性能优于尼龙；当纳米填料的质量分数从10％提高到20％时，纳米Fe2O3填充尼龙的磨损量增大，纳米Al2O3填充尼龙的磨损量无明显变化，2种填料填充尼龙复合材料的摩擦系数变化不大．纳米Fe2O3填充尼龙复合材料同45#钢对摩时主要呈现粘着磨损和轻微疲劳磨损特征，而纳米Al2O3填充尼龙复合材料呈现脆性疲劳开裂特征。纳米Fe2O3填充尼龙复合材料在偶件磨损表面形成的转移膜更加均匀和连续，故其减摩抗磨性能优于纳米Fe2O3填充尼龙复合材料。     

含污染物油润滑条件下n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的摩擦学性能研究

采用电刷镀技术制备了n-Al2O3／Ni复合镀层，在T-11型球一盘式摩擦磨损试验机上对比考察了快速镍镀层及纳米复合刷镀层在含污染物油润滑条件下的摩擦学性能．结果表明，由于纳米颗粒的强化作用，n-Al2O3/Ni复合镀层的硬度及含污染物油润滑条件下的耐磨性比快速镍镀层分别提高了60％和30％，其磨损机理在低载下以磨粒磨损为主，在高载下以粘着磨损为主。     

纳米TiAIN涂层硬质合金刀具高速铣削AerMet100钢的磨损机理

采用纳米TiAIN结构涂层硬质合金刀具对新型难加工材料AerMet100钢进行高速铣削试验,并对实验获得的数据从刀具磨破损形态及其磨损机理2方面进行系统地分析和研究。研究表明纳米TiAIN结构涂层硬质合金刀具在高速面铣削AerMet100钢时磨损破损形式主要为前刀面磨损、后刀面磨损、涂层材料的破损、微崩刃、边界沟槽磨损,贝壳状崩落;磨损机理主要是磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损。此外,研究发现,高速铣削AerMet100钢时,由于工件材料中的Co含量较高,刀具中的Co元素不但没有扩散流失,反而增加。     

一种陶瓷刀具材料的摩擦损性能研究

ＴｉＢ２具有熔点高、硬度高和导热性、导电性及抗氧化性能都好等优点，在切削刀具、耐磨零件和某些特殊工况下使用的材料等方面的应用前景广阔．目前，含ＴｉＢ２的Ａｌ２Ｏ３基陶瓷刀具材料已经开发出来并投入实际应用，但对其摩擦磨损特性研究却还不多．因此，采用热压烧结工艺制备了Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２陶瓷刀具材料，在ＭＭ－２００型摩擦磨损试验机上，对不同ＴｉＢ２含量的增加，Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２陶瓷材料与淬火４５＃钢配副的摩擦学性能作了试验研究．结果表明：ＴｉＢ２的含量增加，Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２陶瓷材料的耐磨性明显提高，而摩擦系数仅略有上升，在切削加工淬火４５＃钢的过程中，Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２陶瓷刀具的抗磨能力比目前广泛使用的Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＣ陶瓷刀具的高１倍以上．Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＢ２陶瓷刀具材料的磨损机理主要是粘着、耕犁和脆性微脱落     

一种自润滑陶瓷摩擦磨损性能的研究

采用热压成型工艺制备了Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷材料,测试了其机械性能,并在MRH-3型摩擦磨损试验机上研究了其在室温下的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析了磨损表面形貌,进而研究了其摩擦磨损机理.结果表明:当CaF2含量为10%时,Al2O3/TiC/CaF2材料具有较好的力学性能;Al2O3/TiC/CaF2材料的摩擦系数随CaF2含量、载荷和速度的增加而降低;Al2O3/TiC/CaF2材料在高速摩擦条件下能够在磨损表面形成一层固体润滑膜,正是由于这层膜的存在使得其在高速、高载荷下具有较低的摩擦系数,而低速下其磨损机理主要是磨粒磨损,很难形成较完整的润滑膜,由于机械应力和热应力的共同作用,自润滑膜在反复摩擦下产生裂纹,从而导致其破坏.