（材料学专业论文）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.pdf

r 一 和育 ；，幡?， i j at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ea p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fz ir c o ni a n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c d i em a t e r i a lb a s e d 一一o 尸 oi i 1 一 o o nir i b o l o f l i c a id e s i g n c a n d i d a t e ：y im i n g d o n g s p ecialt y ：m a t e r i a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r x u c h o n g h a i s h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e ，2 0 1 0 五f 7 ，j i 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 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。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：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 a b s t r a c t i 第1 章绪论l 1 1 模具业的发展现状1 1 2 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究现状1 1 2 1 氧化锆基陶瓷材料的研究现状一2 1 2 2 氧化锆增韧其它陶瓷材料的研究现状3 1 2 3 氧化锆陶瓷模具材料的研究现状3 1 3 氧化锆纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究4 1 3 1 氧化锆陶瓷的相变增韧研究4 1 3 2 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理一5 1 4 氧化锆陶瓷材料的摩擦学研究现状6 1 4 1 氧化锆陶瓷材料的摩擦磨损研究现状一6 1 4 2 氧化锆陶瓷模具材料的摩擦学设计。7 1 5 本课题的研究目的、意义及主要研究内容8 1 5 1 研究的目的及意义。8 1 5 2 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1 1 2 1 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1 1 2 1 1 复合材料基体的选择1 1 2 1 2 复合材料添加相的确定。1 2 2 1 3 金属添加相1 2 2 2 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料体系的物化相容性分析1 3 2 2 1 物理相容性1 3 2 2 2 化学相容性1 4 2 3 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究方法17 2 3 1 粉料的处理l8 目录 2 3 2 复合粉料的制备1 9 2 3 3 烧结工艺。2 0 2 3 4 测试试样的制备2 2 2 3 5 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的测试与分析方法2 2 2 4 本章小结2 5 第3 章氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的制备、力学性能及增韧补强 机理2 7 3 1 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料组分的研究2 7 3 1 1 添加t i b 2 和a 1 2 0 3 组分的复合材料组分实验研究2 7 3 1 2t i b 2 组分含量对力学性能的影响2 8 3 1 3a 1 2 0 3 组分含量对力学性能的影响2 9 3 1 4 不同粒径a 1 2 0 3 粉末对力学性能的影响3 1 3 1 5 利用计算智能对复合材料的组分进行优化3 2 3 2 热压烧结工艺对复合材料力学性能的影响3 4 3 2 1 热压压力对复合材料力学性能的影响3 4 3 2 2 二次保温工艺研究3 4 3 2 3 保温时间对复合材料力学性能的影响3 8 3 2 4 烧结温度对复合材料力学性能的影响4 0 3 3 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的增韧补强机理4 2 3 3 1 氧化锆相变增韧4 2 3 3 2 混合型断裂模式的发生4 3 3 3 3 其它增韧补强机理4 3 3 4 本章小结4 5 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一4 7 4 1 摩擦磨损实验4 7 4 1 1 实验装置4 7 4 1 2 主要研究内容4 8 4 1 3 实验测试方法4 8 4 1 4 微观结构观察与分析4 9 4 2 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究4 9 4 2 1 摩擦系数随摩擦时间的变化5 0 2 弋 j ； 山东轻工业学院硕士学位论文 4 2 2 磨损率随摩擦时间的变化5 l 4 2 3 摩擦性能研究5 2 4 2 4 磨损性能研究5 3 4 2 4 不同摩擦副条件下的摩擦磨损性能研究5 4 4 3 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究5 7 4 3 1 摩擦磨损试验前后复合陶瓷表面的变化5 7 4 3 2 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的磨损机理研究5 9 4 4 复合陶瓷模具材料的摩擦学设计一6 l 4 4 1 不同t i b 2 组分含量对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响6 2 4 4 2 不同a 1 2 0 3 组分含量对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响6 3 4 4 3 组分优化实验对复合陶瓷模具材料摩擦磨损性能的影响6 3 4 5 本章小结一6 4 第5 章结论6 5 参考文献6 7 致谢7 3 攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题与奖励7 5 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 z r 0 2 t i b 2 a 1 2 0 3 纳米复合陶瓷模具材料。在烧结温度1 4 3 0 、保温时间6 0 m i n 和压力3 5 m p a 条件下复合陶瓷材料的抗弯强度达到1 0 5 5 m p a 、断裂韧性为 1 0 5 7 m p a m 抛、硬度为1 3 5 9 g p a ，与单相氧化锆陶瓷材料相比，其抗弯强度和断 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t i b 2 和a 1 2 0 3 的加入对基体材料起到较强的颗粒增强作用，与 纳米z r 0 2 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 了电子能谱和x 射线衍射分析，研究了z r 0 2 t i b 2 a 1 2 0 3 纳米复合陶瓷模具材料的 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( j 0 8 l a l 8 ) 资助项目 ， t ，- a b s t r a c t f r o mt h ep r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o no ft h ee x i s t i n gc e r a m i cd i em a t e r i a l ss u c ha s p o o rf l e x u r a ls t r e n g t h , f r a c t u r et o u g h n e s sa n do p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c e ，t r i b o l o g i c a l d e s i 阻o ft h ec e r a m i cd i e i sc a r r i e so u tb yo v e r a l le v a l u a t i o nf a c t o r s s u c ha sd i e m a t 耐a l s ，w o r kp i e c em a t e r i a l s ，a n dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s t or e d u c et h ef r i c t i o n c o e 伍c i e n ta j l dw e a l * r a t e t r i b o l o g i c a ld e s i g ni s c a r r i e di np a r a l l e lw i t ht h em a t e r i a l d e v e l o p m e n t ，c h a n g e st h ep a s s i v ed e s i g nf o rt h ei n i t i a t i v ed e s i g na n d r e i n f o r c e m e n tt h e w e a rr e s i s t a n tc o m p o n e n ti nt h em a t e r i a ld e s i g n t h e n ，an e wn a n o c o m p o s i t ec e r a m l c d i em a t e 订a 1w a sp r e p a r e db yv a c u u mh o tp r e s s i n gt e c h n i q u ew i t ht h ea p p l i c a t i o no f t h e m a t e f i a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s ， a n dt h ep r o c e s s m gt e c h n i q u e s ， m i c r o s t m c l r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d t h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o rw a ss t u d i e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z ea n dc o n t e n to fc o m p o n e n tp o w d e r so nt h e m i c r o s 仃u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz r 0 2 - t i b 2 一a 1 2 0 3n a n o c o m p o s i t ec e r a m l c d i em a t 丽a 1i si n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y , z r 0 2 - t i b 2 。a 1 2 0 3n a n o c o m p o s i t ec e r a m l cd l e m 删a 1w i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sf a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y t h eh i g h e s t f l e x u l a 1s t r e n g t h ，f r a c t u r et o u g h n e s sa n dh a r d n e s so fz r 0 2 - t i b 2 。a 1 2 0 3n a n o c o m p o s i t e c e r a m i cd i em 删a lr e a c h e s1 0 5 5 m p a ，1 0 5 7 m p a m 1 厂2 a n d1 3 5 9 g p a , r e s p e c t i v e l yb y m e a n so fm ev a c u u mh o tp r e s s i n gt e c h n i q u e a t1 4 3 0 。cf o r6 0 m i na t3 5 m p a c o m p a r e d t ot h cs i n g l e - p h a s ez r 0 2c e r a m i cm a t e r i a l s ，t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s s l 娜b e 饥i m p r o v e dg r e a t l y i n t h ez r 0 2n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l s ，t h e o p t i m u ms i n t e rp r o c e s sc o u l dn e a r l yc o m p l e t e l y s t a b i l i z et h et - z r 0 2t ot h er o o m t e m p 钮a 1 七u r ec o n d i t i o nt h a tc a ne n h a n c et h et o u g h e n i n ge f f e c t o fz r 0 2 t h ep a r t i c l e t o u 曲缸n ge f l e e tc a l lb ea c h i e v e db yt h ea d d i t i o no ft h em i c r o m e t e rt i b 2a n da 1 2 0 3 p o w d e f - s ，a n dt h et y p i c a lm i x e dg r a n u l a rf r a c t u r em o d e s w e r eh a p p e n e d b e s i d e s ，c r a c k d e f t e c t i o n ，c r a c kb r i d g i n g ，c r a c kb r a n c h i n ga n dp a r t i c l ep u n 。o u t a r e t h es i g n i f i c a n t s t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gm e c h a n i s m s a sa r e s u l t ，t h ec o m p r e h e n s i v em e c h a l l l c a l p r o p e r t i e so fz r 0 2n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c d i em a t e r i a l sh a v eb e e ng r e a t l ye n h a n c e d t h ew e a rm o r p h o l o g yo fz r 0 2n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c d i em a t e r i a l sw e r es t u d i e d u s i n gae n v i r o 珈【i l e n ts c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( e s e m ) ，a n d t h ee l e m e n ta n dt h e 叩叫e c ts u p p o r t e db yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a n 。fe d u c a t i o n a ld e p a r t m e n t o fs h a n d o n gp r 0 啊n ( g m n n o j 0 8 l a i8 ) a b s t r a c t p h a s ec o m p o s i t i o nw e r ea n a l y z e db ye n e r g yd i s p e r s i v ea n a l y s i ss p e c t r o s c o p y ( e d a s ) a n d x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h e f r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s m so fz r 0 2 n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l sw e r es t u d i e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h em a j o rc a u s e o ft h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ri sa t t r i b u t i e dt ot h ec h a n g e so ft h em i c r o s t r u c t u r ea n d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb yt h ec o m p o n e n tc h a n g e t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ez r 0 2 n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l si sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ，a n dr e a c h e d ar e l a t i v es t e a d yv a l u e t h ew e a rr a t er e d u c e sg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ea t t r i t i o nt i m e t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n ta n dw e a rr a t eo ft h ez r 0 2n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l s d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e so ft h er o t a t i o n a ls p e e d ，a n dt h eo v e r - h i g ho ro v e r - l o w n o r m a ll o a di sb a df o rt h ew e a l r a t e w h i l et h ed o m i n a n tw e a rm e c h a n i s m so fz r 0 2 n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l sa l em e c h a n i c a li n t e r l o c k i n ga n da d h e s i v ew e a r k e yw o r d s ：t r i b o l o g i c a ld e s i g n ；n a n o c o m p o s i t ec e r a m i cd i em a t e r i a l s ；m i c r o s t r u c t u r e ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；f r i c t i o na n dw e a l i l 气 f - 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 粤 咿 1 1 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2 0 0 0 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2 0 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，采取了最现代的设计方法【i 】，提高模具的质量，使 模具有一个理想的使用寿命。 目前，模具行业主要发展趋势包括：( 1 ) 模具日趋大型化；( 2 ) 模具精度越 来越高；( 3 ) 多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型 零件外，还担负叠压、铆接和锁紧等组装任务，对性能的要求越来越高；( 4 ) 模 具的技术要求越来越高【2 1 。模具的强度、韧性、寿命要求不断提高，对模具的性能 和制造技术提出了更高的要求。 1 2 氧化锆纳米复合陶瓷模具材料的研究现状 现代制造技术的发展使得模具更多的应用于高温、高压、高速等特殊工况甚 至复合工况条件下，对模具材料的要求很高，传统的模具材料如果无法达到新工 况下的要求就必然被新材料所取代。结构陶瓷因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、 耐腐蚀以及质量轻等优点，得到了广泛的应用。但是，结构陶瓷也存在着韧性低、 均匀性差、可靠性低、重复性差等缺点。而传统的晶须增韧因其固有的毒性等缺 点，限制了其广泛的应用。 氧化锆陶瓷因其本身固有的马氏体相变特征而具有较好的韧性，自1 9 7 7 年 g u p t a 首次报道了四方氧化锆陶瓷( t z p ) 【3 】以来，氧化锆陶瓷的研究一直方兴未 艾，工业应用也十分广泛。究其原因，主要是因为它在工程应用中显示了比现代 金属刚性件更加优异的性能。氧化锆陶瓷最主要的特征是导热系数低、热稳定性 好和高温蠕变小。良好的高温热稳定性和隔热性能使氧化锆陶瓷在陶瓷涂层和高 温耐火制品中的应用颇多。而高达2 4 0 0 2 5 0 0 的蠕变温度也使其成为高温结构材 料的重要原料。此外，氧化锆陶瓷还有包括高熔点、比重大、耐腐蚀、耐磨损等 优点，而传统陶瓷中的脆性问题也因为氧化锆陶瓷本身所具有的马氏体相变得到 解决。 氧化锆陶瓷的相变增韧机制效果明显，广泛应用于陶瓷的增韧中，从而形成 第1 章绪论 了氧化锆增韧陶瓷，即z t c ( z i r c o n i at o u g h e n e dc e r a m i c s ) ，这又可以分为两判4 】： 一类是氧化锆增韧其它基体材料的复合陶瓷；另一类是以氧化锆为基体进行开发 的氧化锆复合陶瓷材料。 1 2 1 氧化锆基陶瓷材料的研究现状 按照四方相氧化锆含量的不同，氧化锆基陶瓷材料可以分为两类：四方氧化 锆多晶体和部分稳定氧化锆。 ( 1 ) 四方氧化锆多晶体 在高温向低温冷却的过程中，利用不同含量的稳定剂或适当控制烧结工艺可 以将四方相氧化锆全部亚稳至室温，得到四方氧化锆多晶体( t e t r a g n o a lz i r c o n i a p o l y c r y s t a l ，简称t z p ) 。t z p 陶瓷的烧结温度较低，致密度高，因其具有应力诱导 相变增韧效应而具有极佳的力学性能，此外，t z p 还表现出良好的耐磨性、耐腐蚀 性1 5 j ，应用性十分广泛。要在室温下获得四方相氧化锆而实现相变增韧，必须向氧 化锆基体中添加稳定剂，使四方相部分或全部稳定下来，最常用的稳定剂是y 2 0 3 、 m g o 、c e o 等。添力1 t c e 0 2 的t z p 陶瓷材料具有较好的抗低温水热老化性能，但力学 性能较低( 6 】；陈海波【1 7 】等研究了氧化钇稳定氧化锆( y t z p ) 陶瓷在室温至7 7 k 间 的抗弯强度与断裂韧性变化规律，发现与室温相比，强度和韧性皆有显著提高， 且断裂韧性随温度下降的提高速率高于抗弯强度；另有研究证明 8 1 ，在1 0 0 - - , 4 0 0 。c 的温度区间内长期使用易发生低温老化现象。 ( 2 ) 部分稳定氧化锆 当只有部分四方相亚稳至室温时，可获得部分稳定氧化锆f 9 ( p a r t i a l l ys t a b i l i z e d z i r c o n i a ，简称p s z ) 。较常见的p s z 陶瓷材料一般含有m g o 或y 2 0 3 作为稳定剂，其 突出的优点是在相对较高的温度下具有优良的力学性能和抗蠕变性能，属于中常 温结构陶瓷材料【l o 】；林振汗【l l 】等研究了部分稳定氧化锆( p s z ) 的力学性能与稳 定相的量、尺寸以及热处理制度、加热温度等关系，并以y 2 0 3 做为稳定剂采用热 压铸成型工艺制备了3 y p s z 陶瓷材料，其抗弯强度达到6 6 7 m p a ，硬度为11 g p a 。 目前氧化锆基陶瓷材料的研究非常多，添加各种不同添加相的新型氧化锆复 合陶瓷材料的性能和应用领域得到极大地拓展。赵诗奎【1 2 】等以纳米t i c 复合微米 z 内2 制备了纳微米复合陶瓷材料，所得陶瓷材料的抗弯强度达至l j 8 6 6 m p a 、硬度 1 3 g p a 、断裂韧性8 4m p a m 抛。张荣波【1 3 1 等以热压烧结工艺制备了z r 0 2 t i c n 纳米 复合陶瓷工模具材料，其抗弯强度可达1 1 5 2 m p a 、断裂韧性8 4 m p a m 忱、硬度 1 3 g p a 。g u y t l 4 j 等在1 4 5 0 保温1 h 的热压条件下制得z r 0 2 朋c 纳米复合陶瓷材料， 当w c 含量为2 0 v o i 时，复合材料的抗弯强度最高，达到1 5 5 l m p a 。b b 踟【1 5 1 研究 表明，当t i b 2 含量为3 0 时，z r 0 2 t i b 2 复合陶瓷材料的断裂韧性在8 m p a m 1 2 左右， 硬度在1 3 1 4 g p a 之间，抗弯强度高于1 0 0 0 m p a 。 2 山东轻工业学院硕上学位论文 1 2 2 氧化锆增韧其它陶瓷材料的研究现状 氧化锆增韧其它陶瓷材料的研究主要集中于增韧氧化铝、碳化硅和氮化硅等， 在改善陶瓷材料的高温力学性能、使用可靠性、特别是断裂韧性上取得了很多的 成果【1 6 1 。 ( 1 ) z t a 氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料( z t a ) 目前研究非常活跃，z t a 陶瓷材料的烧结 致密性较好，力学性能极佳，饶平根【1 7 】等研究了添加1 5 w t 氧化锆对氧化铝陶瓷 性能的影响，所制备的复合陶瓷材料抗弯强度和断裂韧性分别可以达到9 3 2 m p a 和 8 5 m p a m 怩。 ( 2 ) z r 0 2 s i c s i c 的存在可以有效限制烧结过程中z r 0 2 晶粒的长大，获得均匀细小的微观结 构，但s i c 同时会阻碍烧结的进程，使烧结温度升高。王宏志【l8 】等研究了非均相沉 淀法制备a 1 2 0 3 z r 0 2 ( 3 y ) s i c 复合粉体的工艺，并热压烧结获得了致密的复合陶 瓷材料，其抗弯强度可达5 5 5 m p a ，断裂韧性为3 8 m p a m “2 。 ( 3 ) z r 0 2 s i 3 n 4 s i 3 n 4 陶瓷具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等一系列优异的性能，所得 的陶瓷制品的强度非常高，应用非常广泛【1 9 】，但仍需要进一步增韧补强。臧建兵【2 0 l 等制备了z r 0 2 s i 3 n 4 陶瓷材料，并研究了其相变及相变对性能的影响。 ( 4 ) 多元复合陶瓷材料 单一的添加相通常无法同时改善室温和高温力学性能或在增强某一性能的同 时会降低其它性能，故而多元复合结构陶瓷的潜力非常大【2 l 】。研究表吲2 2 】：在z t a 陶瓷中引入t i c 或s i c 添加相可以显著改善z t a 陶瓷的常温力学性能和高温强度。 同时采用氧化锆和碳化硅增韧氧化铝陶瓷可以获得具有较高力学性能的陶瓷材 料，高濂【2 3 】等采用放电等离子烧结方法成功的制备了性能良好的s i c z r 0 2 a 1 2 0 3 复合陶瓷材料，s i c 与a 1 2 0 3 的热膨胀系数差异会在s i c 颗粒处产生局部张应力，从 而使其主要断裂模式为穿晶断裂，抗弯强度可达1 2 0 0 m p a ，断裂韧性为5 m p a m 忱 1 2 3 氧化锆陶瓷模具材料的研究现状 基于氧化锆优异的力学性能和耐磨损性能，氧化锆陶瓷模具材料的研究目前 非常广泛【2 4 1 。沈辉【2 5 】等以部分稳定的氧化锆陶瓷做为材料制备了陶瓷挤压模具， 并进一步研究了其应用的价值；尹龙卫【2 6 】等研制了一种以t i c 和a 1 2 0 3 作为增强相 的t z p t i c a 1 2 0 3 复合陶瓷材料，并研究了其在模具中的应用；胡良页【2 7 1 等以纳米 3 y t z p 和微米3 y t z p 复合陶瓷材料为基础研制了陶瓷模具，其抗弯强度显著提 高，烧结温度可以降低8 0 。常见的氧化锆陶瓷模具材料如表1 1 所示。 3 第1 章绪论 表1 1 氧化锆复合陶瓷模具的力学性能 1 3 氧化锆纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究 ， 1 3 1 氧化锆陶瓷的相变增韧研究 氧化锆陶瓷之所以具备良好的韧性主要取决于马氏体相变，它是氧化锆由四 方相到单斜相( t - m ) 的转变过程。这个过程在吸收断裂能的同时伴随发生体积的 变化，阻止裂纹的扩展，改善材料的断裂韧性。氧化锆的马氏体相变通过无扩散 的剪切变形实现，因此被认为属于马氏体相变类型的固态相变。它具有以下特征： 1 ) 无热相变【4 5 1 。在给定的温度下，相变与时间无关： 4 山东轻t 业学院硕上学位论文 2 ) 热滞现象。单斜相转变为四方相的温度为1 1 7 0 ，而四方相向单斜相的转 变温度为8 5 0 1 0 0 0 ，滞后约2 0 0 ； 3 ) 体积变化。四方相转变为单斜相会有3 5 的体积膨胀，反之收缩。此体 积变化可以缓解热应力，改善抗热震性能； 4 ) 相变瞬时完成m 】。无扩散相变的发生快于裂纹的速度，可以阻止裂纹的扩 展，改善材料的韧性； 5 ) 相变受其它因素的影响。例如，颗粒尺寸小于某临界尺寸时，单斜相可以 保留到室温不发生相变；添加剂【4 7 】如m g o 、c a o 等可以抑制相变的发生；应力也 可以影响相变，压应力可以抑制t - m 相变，反之促进相变。 1 3 2 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理 纳米复合陶瓷的性能提高主要源于纳米晶粒本身固有的四个特有效应【4 8 】：( 1 ) 小尺寸效应、( 2 ) 表面效应、( 3 ) 量子尺寸效应、( 4 ) 宏观量子隧道效应。四 种效应中起主要作用的是小尺寸效应，后三种效应是以小尺寸效应为基础的。纳 米复合陶瓷材料晶内的纳米粒子可对基体颗粒起到钉扎作用，改善复合材料的室 温性能，而晶界纳米粒子对晶界结构的控制作用可以显著改善陶瓷材料的高温力 学性能。纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理主要分为晶内型和晶间型两种【4 9 】。 ( 1 ) 晶内型结构增韧机理： 研究表明【5 0 , 5 1 纳米复合陶瓷性能的提高与“晶内型”结构的形成及由此产生的 次界面作用有密切关系，主要通过以下几个效应使纳米复合陶瓷得以增强的。 弥散相的引入有效地抑制了基体晶粒的生长和减轻了晶粒的异常长大【5 2 】； 弥散相或弥散相周围存在局部应力，这种应力是由基体与弥散相之间热膨 胀失配而产生，并在冷却阶段产生位错，纳米粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒 内产生次晶界，使晶粒细化而减弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂【5 3 】； 纳米级粒子周围的局部拉伸应力诱发穿晶断裂，并由于硬粒子对裂纹尖端 的反射作用而产生韧化； 纳米粒子高温牵制位错运动，使高温力学性能如硬度、强度及抗蠕变性得 到改善。 值得注意的是m j ，也有说法认为a 1 2 0 3 s i c ( n ) 材料的强韧化不是纳米s i c 的作用， 而是机加工使瓷体表面产生压应力所致；k u s u n o s e 1 9 】贝0 认为晶内纳米粒子并不是 改变断裂模式的主要原因，晶界纳米相的对裂纹的阻碍和偏转作用才是主要贡献： 晶内第二相粒子的含量为某一临界值时，晶界“强化”和晶内“弱化 的程度正 好相当，材料发生沿晶和穿晶混合型断裂，a 1 2 0 3 s i c 材料的断裂即为沿晶和穿晶 混合型，且具有最大的强度【5 5 】。 ( 2 ) 晶间型结构增韧机理【5 6 】： 5 第l 章绪论 晶间型纳米陶瓷材料的韧化主要是通过强化晶界，以及通过改变沿晶断裂方 式为穿晶断裂方式获得【5 7 】。 晶间型结构中主晶界被纳米粒子局部强化。纳米粒子与基体之间的晶界较 微米复合陶瓷的晶界干净，杂质和玻璃相极少，晶界强度大大提高，纳米相与基 体产生良好结合，起到了固定晶界、强化晶界的作用； 晶界纳米粒子使裂纹二次偏转或被钉扎。沿主晶界扩展的微裂纹前端遇到 纳米粒子时，因晶界强度很高而无法继续前进，或被钉扎，或在更大外力作用下 偏转进入晶内，诱发穿晶断裂； 晶问纳米粒子形成有利的应力分布。当纳米相的弹性模量大于基体时，纳 米粒子周围形成切向压应力，使得朝向纳米粒子扩展的主裂纹远离该粒子所在晶 界而向晶内前进，同时增加了裂纹扩展路径。 虽然晶内型和晶间型结构韧化机理还有争论，但都认为改变材料的断裂模式、 强化主晶界和裂纹偏转增加了能量的消耗，从而提高了韧性。 1 4 氧化锆陶瓷材料的摩擦学研究现状 1 4 1 氧化锆陶瓷材料的摩擦磨损研究现状 氧化锆增韧陶瓷由于具有高硬度、低摩擦系数和良好的断裂韧性在耐磨材料 领域已显示出良好的应用前景i s 8 】。如y t z p 已做成各种球磨介质，m g p s z 用于钻 井高压混浆泵和采油油泵的钢套和球阀，其使用寿命与相应的金属部件相比有了 较大的提高。黄传真【5 9 】等在所制备的氧化锆陶瓷的基础上研究了其摩擦磨损行为， 表现为摩擦因数均随负荷的增加而下降，磨损率均随负荷的增加而增加，低负荷 下磨损机理主要是塑性变形和牿着磨损，较高负荷下主要是塑性变形、分层剥落。 孙静】研究了z 内2 t i n 复合陶瓷材料的摩擦磨损机理，认为氧化锆陶瓷的相变和 氧化反应对摩擦磨损性能的影响以及低温老化对磨损表面层的破坏机理。 在某些更严酷的服役条件下【6 u ( 如高速气流对撞机的喷管) ，氧化锆增韧陶瓷的 耐磨性仍嫌不足，表现为磨损的初始阶段磨损量甚微，但使用一段时间后磨损量 很快上升，以至材料很快的因磨损而失效。初步的分析认为表面残余压应力层对 磨损有一定的影响。氧化锆陶瓷马氏体相变优先在表面发生【6 2 】，导致试样表面在 烧结自然冷却过程中产生残余压应力层。但它很薄，一旦被磨损掉，磨损量将很 快上升。所以进一步改善耐磨性的关键是建立较厚的表面压应力层，产生表面压 应力已有多种方法，如表面离子注入、化学表面扩散、激光表面处理、负温表面 处理等。刘惠文【6 3 】研究了氧化锆陶瓷在水润滑条件下的摩擦磨损性能，并对水润 滑和干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行对比，探讨了不同摩擦条件下的摩擦磨损 机理。孙兴伟m 】研究了不同工况条件下的摩擦磨损特性，观察并分析了磨损前后 6 山东轻工业学院硕上学位论文 摩擦副的表面形貌、截面特征、磨屑形状及相组成，研究表明，在不同的工况条 件下磨损机理也会发生变化。 另外，对于纳米级的氧化锆陶瓷材料，应用纳米摩擦学进行分析是重要的手 段。纳米摩擦学【6 5 1 t n a n ot 曲o l o g y ) 又称为分子摩擦学【矧( m o l e c u l a rt r i b o l o g y ) ，它 是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。纳米摩擦学的研 究对象是发生在摩擦表面和界面上的微观动态行为与变化，而在摩擦过程中界面 所表现出的宏观特性与微观结构密切相关，纳米摩擦学提供了一种新的研究模式， 即从原子分子尺度上解释摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特 性之间的构型关系，这将更加符合摩擦学的研究规律1 6 7 1 。b b a s u 6 8 1 研究了y t z p 陶瓷材料的摩擦磨损性能及机理，探讨了纳米晶粒对陶瓷的摩擦磨损过程中的作 用。 1 4 2 氧化锆陶瓷模具材料的摩擦学设计 摩擦学设计是摩擦学系统的设计，而摩擦学系统又包含了系统中所有的摩擦 副及其它因素，所以摩擦学设计的应用范围非常广泛。摩擦学设计的主要研究内 容包括【6 9 】：( 1 ) 材料的选择；( 2 ) 表面处理方式；( 3 ) 润滑设计；( 4 ) 表面 形貌：( 5 ) 摩擦设计：( 6 ) 磨损设计等。 目前摩擦学设计主要应用在机器的各种基础零部件上，包括轴承、传动件、 活塞环、气缸、密封件和紧固件【7 0 刁3 】等，尤其在活塞环和齿轮传动方面的研究非 常多，桂长林【_ 7 4 】研究了内燃机活塞环缸套擦伤的机理，指出了防擦伤摩擦学设计 的判别特征值；诸文俊【_ 7 5 】对齿轮传动进行了分析，从摩擦学角度提出了齿轮传动 设计的原则：孟凡明【j 7 6 】在摩擦学理论的基础上利用运动网格技术分析了颗粒对活 塞环润滑特性的影响。当前对于模具的摩擦学设计研究较少，曲庆