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氧化锆基纳米陶瓷工模具材料研制及其应用基础研究

作　者: 张荣波
导　师: 许崇海
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 机械电子工程
关键词: 纳米陶瓷工模具材料微观结构力学性能摩擦磨损切削性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 7次
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内容摘要

本文针对工模具对陶瓷材料的要求,从提高陶瓷工模具材料的综合力学性能出发,采用纳米复合方法制备出具有较高综合力学性能的纳米陶瓷工模具材料。从热压烧结工艺、微观结构及其与力学性能的关系等方面,系统研究了纳米陶瓷工模具材料的增韧补强机理,发现晶内/晶间混合型的微观结构和穿晶/沿晶混合断裂模式,是纳米陶瓷工模具材料强韧化提高的主要原因。根据胶体化学理论中的悬浮液的稳定机制,采用起空间位阻稳定作用的PEG为分散剂,对不同的纳米陶瓷粉体进行了液相分散研究,通过优化PEG分散剂的分子量、加入量以及悬浮液的pH值等参数,结合超声分散及机械搅拌工艺,得到了分散均匀的纳米粉体及其混合粉体的稳定悬浮液。研究和分析了材料吸水现象,得出在ZrO₂相变等因素的作用下,陶瓷材料表面和内部出现的大量微裂纹及其某些不致密结构产生毛细管作用,造成了吸水现象,是材料吸水的原因所在。通过对组分的优化和在最优组分的热压烧结后期对材料进行保压处理,成功解决了材料吸水问题。探讨了组分含量、烧结工艺对纳米陶瓷工模具材料微观结构和力学性能的影响,研制成功了纳米陶瓷工模具材料ZrO₂/Ti（C₇N₃）,其抗弯强度为1152 MPa、断裂韧性为8.42 MPa·m^1/2、硬度13.09 GPa。与单一的纳米ZrO₂陶瓷材料相比,其抗弯强度和断裂韧性都得到大幅提高。在致密的烧结陶瓷中,纳米Ti（C₇N₃）与纳米ZrO₂形成了典型的晶内/晶间混合型结构,裂纹从晶间到晶内再到晶间的路径扩展,消耗了更多的断裂能,形成了沿晶/穿晶混合的断裂模式,是其综合力学性能得到较大提高的主要原因。裂纹偏转和桥联及裂纹分支和颗粒拔出,是复合材料韧性提高的表现。对纳米陶瓷工模具材料进行了摩擦磨损性能实验研究,并对其磨损表面微观形貌进行了观察和分析,探讨了ZrO₂/Ti（C₇N₃）纳米陶瓷工模具材料的磨损机理。单相纳米ZrO₂陶瓷的磨损机理为脆性断裂和磨粒磨损,ZrO₂/Ti（C₇N₃）纳米陶瓷工模具材料的磨损机理为机械冷焊、塑性变形和磨粒磨损。分析了ZrO₂/Ti（C₇N₃）纳米陶瓷刀具的磨损形貌和磨损机理,其主要磨损机理是磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章绪论  11-23
  1.1 纳米陶瓷特性及性能  11-12
    1.1.1 扩散与烧结性能  11
    1.1.2 致密性  11
    1.1.3 强度  11-12
    1.1.4 硬度  12
    1.1.5 断裂韧性  12
  1.2 纳米陶瓷增韧补强机理  12-15
    1.2.1 显微结构的变化  12-14
    1.2.2 断裂模式的改变  14
    1.2.3 残余应力的作用  14
    1.2.4 加工效应  14-15
  1.3 ZrO_2 复合陶瓷材料研究现状  15-18
    1.3.1 ZrO_2 陶瓷材料  15
    1.3.2 ZrO_2 复合 Al_2O_3  15-16
    1.3.3 ZrO_2 复合氮化物  16
    1.3.4 ZrO_2 复合碳化物  16-18
    1.3.5 其它 ZrO_2 复合陶瓷材料  18
  1.4 纳米陶瓷工模具的应用与研究现状  18-21
    1.4.1 纳米复合陶瓷刀具材料  18-19
    1.4.2 陶瓷模具材料  19-20
    1.4.3 纳米陶瓷工模具材料研究存在的问题  20-21
  1.5 本课题的研究目的、意义及主要研究内容  21-23
    1.5.1 研究的目的及意义  21-22
    1.5.2 主要研究内容  22-23
第2章纳米陶瓷粉体的分散  23-33
  2.1 纳米粉体的分散方法及分散机理  23-24
    2.1.1 纳米粉体的分散方法  23-24
    2.1.2 纳米粉体的分散机理  24
  2.2 单相纳米粉体的分散实验研究  24-29
    2.2.1 实验原材料  24-25
    2.2.2 分散工艺  25
    2.2.3 纳米 Al_2O_3 陶瓷粉体的分散  25-26
    2.2.4 纳米 Ti(C_7N_3)陶瓷粉体的分散  26-27
    2.2.5 纳米 ZrO_2 陶瓷粉体的分散  27-29
  2.3 纳米复合陶瓷粉体的分散  29-31
    2.3.1 ZrO_2/Ti(C_7N_3)的两相分散性  29-30
    2.3.2 Al_2O_3/Ti(C_7N_3)的两相分散性  30-31
    2.3.3 pH 值的调节对各悬浮液分散效果的影响  31
  2.4 本章小结  31-33
第3章氧化锆基纳米陶瓷工模具材料的制备  33-52
  3.1 基于 ZT 组分体系的实验结果与分析  33-39
    3.1.1 复合粉料的制备  33-34
    3.1.2 烧结工艺  34-36
    3.1.3 ZT 组分体系材料开裂分析  36-39
  3.2 ZT(AN)组分体系材料的制备  39-41
    3.2.1 ZT(AN)组分体系材料的确定及工艺参数优化  39-40
    3.2.2 ZT(AN)组分体系材料的性能测试  40-41
    3.2.3 ZT(AN)组分体系材料的不足  41
  3.3 Y-ZT(AN)组分体系材料的制备  41-44
    3.3.1 Y-ZT(AN)组分体系材料及实验方案的确定  41-42
    3.3.2 Y-ZT(AN)组分体系材料性能分析  42-44
  3.4 ZT(AMN)组分体系材料的制备  44-47
    3.4.1 ZT(AMN)组分体系材料的制备  44-45
    3.4.2 ZT(AMN)组分体系材料性能分析  45-46
    3.4.3 杂质的发现  46-47
  3.5 工艺参数调节  47-49
    3.5.1 烧结温度对材料性能的影响  47-48
    3.5.2 保温时间对材料性能的影响  48-49
  3.6 不同粒径 ZrO_2 对材料性能的影响  49
  3.7 不同粒径 Ti(C_7N_3)对材料性能的影响  49-50
  3.8 单相 ZrO_2 与最优化组分材料的性能对比  50
  3.9 本章小结  50-52
第4章氧化锆基纳米陶瓷工模具材料的微观结构和增韧补强分析  52-73
  4.1 对材料吸水现象的分析  52-58
    4.1.1 水的来源  52-53
    4.1.2 对吸水原因的分析  53-56
    4.1.3 实验验证及对比分析  56-57
    4.1.4 解决方法  57-58
  4.2 微观结构分析  58-65
    4.2.1 组分含量对微观结构的影响  58-61
    4.2.2 烧结工艺对微观结构的影响  61-63
    4.2.3 组分粒径对微观结构的影响  63-64
    4.2.4 单相 ZrO_2 与最优化组分材料微观结构的对比  64-65
  4.3 增韧补强机理  65-71
    4.3.1 相变增韧  65-66
    4.3.2 晶间纳米相  66
    4.3.3 断裂模式的改变  66-70
    4.3.4 晶粒细化强韧化  70-71
  4.4 本章小结  71-73
第5章氧化锆基纳米陶瓷工模具材料应用基础研究  73-83
  5.1 ZrO_2 基纳米陶瓷工模具材料摩擦磨损实验  73-79
    5.1.1 实验方法  73-74
    5.1.2 对比实验  74-75
    5.1.3 5Y-Z_nT_n(A_wMN)材料的摩擦性能研究  75-76
    5.1.4 5Y-Z_nT_n(A_wMN)材料的磨损性能研究  76-77
    5.1.5 ZrO_2 基纳米陶瓷工模具材料的磨损机理研究  77-79
  5.2 ZrO_2 基纳米陶瓷工模具材料切削实验  79-81
    5.2.1 实验条件  79-80
    5.2.2 实验结果  80
    5.2.3 磨损特性与磨损机理  80-81
  5.3 本章小结  81-83
第6章结论与展望  83-86
参考文献  86-92
致谢  92-93
攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题与奖励  93-94

氧化锆基纳米陶瓷工模具材料研制及其应用基础研究

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