原位反应自润滑陶瓷刀具的设计开发及其减摩机理研究.pdf

● 分类号：T G 7 1l 密 级： 单位代码： 学 号： 第办季 博士学位论文 S h a n d o n gU n i v e r s i t yD o c t o r a IDis s e r t a tio n 1 0 4 2 2 2 0 0 7 2 0 5 1 2 论文题目：原位反应自润滑陶瓷刀具的设计开发 及其减摩机理研究 D e s i g na n dD e v e l o p m e n t o fI n - - s i t uR e a c t i o n S e l f _ l u b r i c a t i n gC e r a m i c T o o l sa n d S t u d y o n T h e i rA n t i f r i c t i o nM e c h a n i s m s 作 专业 导师 合作导师 2 0 1 0 年4 月2 8 日 ● ◆ ● ● ● AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oS h a n d o n gU n i v e r s i t yf o rA p p l i c a t i o n o fP h D D e g r e ei nE n g i n e e r i n g D e s i g na n dD e v e l o p m e n to f l n ·- s i t uR e a c t i o n S e l f - l u b r i c a t i n gC e r a m i c T o o l sa n dS t u d yo n T h e i rA n t i f r i c t i o nM e c h a n i s m s C a n d i d a t eL iB i n S p e c i a l t yM a n u f a c t u r i n ga n d A u t o m a t i o n S u p e r v i s o rP r o f ．D e n gJ i a n x i n S h a n d o n gU n i v e r s i t y , J i n a n ，P ．R ．C h i n a A p r i l ，2 0 1 0 ● ● ● ● ● 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名：—奎彬 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔茎垒导师签名 ● ● ● ● ● ● 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 主要符号说明⋯⋯⋯⋯⋯． 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 1 X ⋯．．X V 1 ．1 课题研究的背景、目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 切削加工中润滑技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 切削加工的润滑原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 切削加工的润滑方式及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 陶瓷基自润滑材料的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 1 ．4Z r B 2 陶瓷材料性能与应用的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 1 ．4 ．1Z r B 2 陶瓷材料的性能k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．4 ．2Z r B 2 陶瓷复合材料的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．5 课题的提出和主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第2 章原位反应自润滑陶瓷刀具的设计理论⋯⋯⋯⋯ 2 ．1 原位反应自润滑陶瓷刀具的设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 原位反应自润滑陶瓷刀具材料体系的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 原位反应白润滑陶瓷刀具材料的化学相容性设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 原位反应白润滑陶瓷刀具材料的物理相容性设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．5 原位反应自润滑陶瓷刀具的摩擦学设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．5 ．1 切削摩擦化学反应的热力学计算及影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．5 ．2 润滑膜的减摩作用的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 2 ．6 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 第3 章原位反应自润滑陶瓷刀具材料的制备、性能与增韧机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．1 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的制备工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．1 ．1 原料及配比确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．1 ．2 原料球磨细化工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 山东大学博十学位论文 3 ．1 ．3 制备工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．1 实际密度的测定与相对密度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．2 ．2 抗弯强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

3 6 3 ．2 ．3 维氏硬度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．2 ．4 断裂韧性的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的相组成分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．4 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．4 ．1 烧结工艺对陶瓷刀具材料相对密度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．4 ．2 球磨细化工艺对陶瓷刀具材料相对密度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 3 ．4 ．3 烧结工艺对陶瓷刀具材料力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．4 ．4 球磨细化工艺对陶瓷刀具材料力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．5 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的微观结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．5 ．1 自润滑陶瓷刀具材料断口的微观结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 3 ．5 ．2 自润滑陶瓷刀具材料表面的微观结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．6 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的增韧机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 3 ．6 ．1 相变增韧机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

5 1 3 ．6 ．2 裂纹偏转与桥接增韧机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 3 ．7 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 第4 章原位反应自润滑陶瓷刀具材料的高温氧化特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 4 ．1 原位反应自润滑陶瓷刀具材料高温氧化机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．2 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的高温氧化特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．2 ．1 高温氧化试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．2 ．2 氧化增重与氧化速率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．2 ．3 自润滑材料氧化后的相组成分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 4 ．2 ．4 自润滑材料氧化后的力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．3 原位反应自润滑陶瓷刀具材料氧化后的微观结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 第5 章原位反应自润滑陶瓷刀具材料的摩擦特性及减摩机理 ● ● ● ● ● ● 目录 5 ．1 原位反应自润滑刀具材料的摩擦磨损试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．1 ．1 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．1 ．2 试样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

7 0 5 ．1 ．3 试验结果的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．2 原位反应自润滑刀具材料摩擦磨损的相关解析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．1 平均接触压力的解析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 ．2 ．2 接触表面最高温度的解析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 5 ．3 原位反应自润滑陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性及减摩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．3 ．1Z r B 2 ／Z r 0 2 含量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．3 ．2 摩擦速度的影响及润滑膜的转移机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 5 ．3 ．3 环境温度的影响及润滑膜的破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 第6 章原位反应自润滑陶瓷刀具的切削性能及减摩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 ．6 ．1 原位反应自润滑刀具切削加工的试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 6 ．2 原位反应自润滑刀具的切削力与摩擦系数特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 6 ．2 ．1 连续切削4 5 号正火钢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 6 ．2 ．2 连续切削4 5 号淬火钢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 6 ．3 原位反应自润滑刀具的切削温度特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 6 ．3 ．1 考虑材料与摩擦特性的切削温度场仿真与试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 6 ．3 ．2 连续切削4 5 号正火钢的切削温度特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 6 ．3 ．3 连续切削4 5 号淬火钢的切削温度特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 6 ．4 原位反应自润滑刀具加工工件的表面粗糙度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 6 ．5 原位反应自润滑刀具的磨损特性及减摩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 6 6 ．5 ．1 连续切削4 5 号正火钢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 6 6 ．5 ．2 连续切削4 5 号淬火钢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 4 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 第7 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯。

7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 7 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一12 7 1 1 1 山东大学博十学{ { 7 ：论文 参考文献⋯⋯⋯⋯ 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 1 2 9 作者攻读博士学位期间发表的学术论文、参与的项目及获得奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 发表的英文论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ I V 1 4 5 ● ● ● ● ● ● C O N T E N T S C o N T E N T S A b s t r a c ti nC h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．I X A b s t r a 。