基于纳米/超细晶结构的新型陶瓷刀具材料制备及其摩擦学研究

本项目基于高速铣削以淬硬钢为代表的硬态金属加工对刀具性能的要求，以氧化铝陶瓷材料作为研究对象，通过陶瓷材料组份设计并采用自蔓延高温合成/快速加压方法制备具有高致密度、晶粒尺寸为500nm以下的氧化铝（单相或复相）纳米/超细晶陶瓷刀具材料。系统研究纳米/超细晶氧化铝陶瓷的常、高温机械力学性能和化学稳定性，构建刀具材料组成-制备工艺-显微结构-性能的关联规律。研究不同工况条件（不同温度、接触方式、载荷和转速等）下纳米/超细晶陶瓷材料的摩擦学行为规律，结合SEM、XPS等现代表面测试技术，揭示纳米/超细晶陶瓷材料的摩擦学微观机制，阐释刀具材料组成、结构及界面特性-摩擦学性能-摩擦学机制-环境条件之间内在关联；建立基于切削过程三维有限元模拟的刀具寿命评价体系。获得具有纳米/超细晶显微结构、高硬度及高耐磨性的高速铣削淬硬钢类硬态金属陶瓷刀具的制备理论和制备方法，并为其工程应用提供科学依据和技术基础。

项目研究了燃烧合成加机械压力法制备超细晶Al2O3陶瓷刀具材料的制备工艺，构建了刀具材料组成－制备工艺－显微结构－力学性能的关联规律，获得了可控制备晶粒均匀细小（晶粒尺寸最小为270nm）、致密度高（98.5%-100%）、硬度大（19±0.5GPa）、成品尺寸大（厚度4.5-6mm，边长10-20mm）陶瓷刀具材料的制备方法和工艺技术。系统研究了超细晶Al2O3陶瓷的摩擦学行为规律。研究发现：超细晶Al2O3陶瓷与GCr15钢配副摩擦时，淬硬钢配副是磨损的主体，Al2O3陶瓷磨损轻微。超细晶Al2O3与Si3N4陶瓷配副摩擦时，在实验研究的晶粒尺寸范围内，陶瓷材料的晶粒尺寸越小则磨损率越低。超细晶Al2O3陶瓷材料从轻微磨损向严重磨损转变的临界条件受到陶瓷晶粒尺寸、摩擦速度、载荷及摩擦时间等参数交互作用的影响，一般而言，晶粒尺寸较小的材料，临界摩擦参数（摩擦速度、载荷和摩擦时间）相对较大。探讨了超细晶Al2O3的磨损机制。研究发现：超细晶Al2O3陶瓷与GCr15钢配副摩擦时，磨损机制为配副球的粘着磨损、转移和涂抹。超细晶Al2O3与Si3N4陶瓷配副时，在摩擦条件较温和时，材料表面产生无定形磨屑，随摩擦条件恶化，无定形磨屑堆积同时产生微裂纹，当摩擦条件超过临界值时，材料表面快速产生裂纹，大量晶粒脱落，材料向严重磨损过渡；但随超细晶Al2O3陶瓷晶粒尺寸的减小，细晶材料在摩擦过程中产生了晶粒的解理和堆积，避免或减缓了晶粒拔出，从而延缓了材料向严重磨损的转变，提高了材料耐磨性。研究了超细晶Al2O3陶瓷刀具的切削性能。与硬质合金刀具及商品Al2O3陶瓷刀具相比，超细晶Al2O3陶瓷刀具具有更低的磨损量，平均磨损量仅为另外两种刀具的29.8%，其磨损形态主要为后刀面磨损，磨损机制主要为磨粒磨损。通过宏观尺度和微纳尺度的3D有限元模拟及仿真，探讨了不同切削条件和刀具特性对切削过程切削力、切削温度和刀具磨损的影响，建立了超细晶陶瓷刀具寿命预测模型,以期对超细晶陶瓷刀具材料的应用提供理论基础。