（机械工程专业论文）加工含镍球墨铸铁时刀具磨损机理的研究.pdf

摘要 摘要 本文分析了轧辊的工作条件、轧辊的性能要求及轧辊的化学成分和金相组织， 并对轧辊铸造中应该注意的问题和轧辊的技术要求进行了分析。利用有限元法研 究y a l 2 0 3 t i c 梯度功能陶瓷刀具材料的抗热震性能。对无镍球墨铸铁、低镍球墨 铸铁、高镍球墨铸铁三种轧辊进行切削试验，研究- a 1 2 0 3 t i c 梯度陶瓷刀具的寿 命及磨损、破损机理。 采用有限元软件a n s y s 对激光热冲击条件下，a 1 2 0 3 t i c 梯度功能陶瓷刀具材 料的瞬态温度场及热应力场进行了仿真研究，并与均质陶瓷进行对比，结果表明： a 1 2 0 3 t i c 梯度功能陶瓷刀具材料抗热震性能优于均质陶瓷。 对无镍球墨铸铁、低镍球墨铸铁、高镍球墨铸铁三种轧辊进行了切削试验， 结果表明：a 1 2 0 3 t i c 梯度功能陶瓷刀具与y s l 0 相比拥有更长的刀具使用寿命； 在1 5 0 m m i n 速度下加工低镍球墨铸铁时，a 1 2 0 3 t i c 梯度陶瓷刀具磨损形态主要 为后刀面磨损；加工高镍球墨铸铁时，刀具磨损形态主要为前刀面磨损。较低速 度( 7 5 m m i n ) 下切削高镍球墨铸铁，a 1 2 0 3 t i c 梯度陶瓷刀具的磨损形态以后刀面磨 损为主；较高速度( 2 5 0 m m i n ) 下切削高镍球墨铸铁，刀具的破损形态以前刀面片状 剥落和刀尖微崩刃为主。 关键词：球墨铸铁；梯度陶瓷刀具；抗热震性；刀具寿命；磨损机理。 v a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d m e t a l l o g r a p h i c a ls t r u c n l r ew e r ea n a l y s e df i r s t l y t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so nr o l l e r c a s t i n gw a sa l s oc l e a r i f i e d t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c eo fa 1 2 0 3 t i cg r a d i e n tc e r a m i c w a ss i m u l a t e db yf e m t h et o o ll i f ea n dw e a rm e c h a n i s m sw a si n r e s t i g a t e dw h e nt h e n e wt o o lm a c h i n i n gc a s ti r o n sw i t hn o ，l o wa n dh i g hn ic e n t e n t t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l du n d e r1 a s e rs h o c ko fa 1 2 0 3 t i c g r a d i e n tc e r a m i cw e r es i m u l t e db ya n s y s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r m a ls h o c k r e s i s t a n c eo f a l 2 0 3 t i cg r a d i e n tc e r a m i ci ss u p e r i o rt ot h eh o m o g e n e o u sc e r a m i c b ym a c h i n i n gc a s ti r o n s 惭t l ln o ，l o wa n dh i g hn ic e n t e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a t a 1 2 0 3 t i cg r a d i e n tc e r a m i ct o o li ss u p e r i o rt oc e m e n t e dc a r b i d et o o ly s10u n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n a tt h ec u t t i n gs p e e do f15 0 r n m i n ，t h em a i n l yf r a c t u r em o d ei sf l a n k w e a rw h e nm a c h i n i n gc a s ti r o n sw i t hl o wn ic o n t e n t t h em a i nf f a c t u r em o d eb e c o m e s r a k ef a c ew e a rw h e nm a c h i n i n gc a s ti r o n sw i t hh i 曲n ic o n t e n t a tt h el o wc u t t i n g s p e e d ( 7 5 m m i n ) ，t h em a i nf r a c t u r em o d ei sf l a n kw e a r ；a tt h eh i g l lc u t t i n gs p e e d ( 2 5 0 m m i n ) ，t h em a i nb r e a k a g em o d ei sr a k ef a c es p a l l i n ga n dt o o ln o s ec h i p p i n g k e yw o r d s c a s ti r o n ；g r a d i e n tc e r a m i ct o o l ；t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ；t o o ll i f e ； w e a rm e c h a n i s m s v j i 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集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作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：i 篁型圣日期_ 鲨31 皇：虔 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： 竺蓟车导师签名： 第1 章绪论 1 1 国内外研究概况 1 1 1 轧辊材料发展现状 第1 章绪论 传统轧辊材料分为铸铁系和铸钢系，随着科技发展，高速钢、复合材料、硬 质合金等新型轧辊材料开始出现并应用到生产中，由于新型轧辊材料生产工艺和 生产成本等方面的原因，新型轧辊材料并不能完全取代传统轧辊材料，含镍球墨 铸铁轧辊依然在生产上的应用比较普遍。 ( 1 ) 常见轧辊材料 铸铁系轧辊 铸铁系轧辊是指含碳量在2 5 3 5 的轧辊，按主要材料可分为普通铸铁轧 辊、高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊、高铬复合铸铁轧辊和合金球墨铸铁轧辊四大 类【l 】o 普通铸铁轧辊种类繁多，按制造工艺分：轧辊表层出现白1 ：1 组织的称冷硬铸 铁轧辊，麻口组织的称无限冷硬铸铁轧辊，粗麻口组织的称半冷硬铸铁轧辊；组 织中石墨呈球状的，称球墨铸铁轧辊；复合浇铸的轧辊称复合轧辊。 按照轧辊工作层合金含量分为普通铸铁、合金铸铁、高合金铸铁三大类。如 镍铬钼冷硬、铬钼系球墨复合、镍铬钼系无限、铬钼系半冷硬球墨铸铁、铬钼系 无限冷硬球墨铸铁、镍铬钼球墨无限冷硬、高铬复合等1 9 种【2 1 。 铸钢系轧辊 铸钢轧辊按照含碳量分为碳素铸钢轧辊、亚共析钢成分轧辊、过共析钢轧辊 ( 俗称半钢轧辊) ，石墨钢轧辊；按照合金含量分高铬钢轧辊、复合铸钢支撑辊、 高速钢轧辊、半高速钢轧辊等。 锻钢系轧辊 锻钢热轧辊主要用于热轧开坯及型钢粗轧辊。 新型轧辊材料 山东大学硕士学位论文 新型轧辊材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、复合材料等。 我国在上世纪9 0 年代后期开始研制和使用高速钢作为热轧辊材料，它在高温 下能保持较高的强度和硬度，有较好的耐磨性和抗热裂性。 硬质合金组合轧辊磨性高、重复使用的效率高，工作效率大大提高，适应于 棒材生产线。 氮化硅陶瓷材料轧辊，具备硬度高、摩擦系数小、耐腐蚀等综合性能，性能 优于硬质合金轧辊，具有良好的发展前景。 新型复合材料轧辊，介于高速钢与硬质合金之间，寿命比较高。 ( 2 ) 合金球墨铸铁轧辊 合金球墨铸铁轧辊具备许多优良可靠的机械性能，其制造技术引起各国材料 工作者和铸造工程界的广泛重视【3 】。合金球墨铸铁具有高而均匀的表面硬度、强 度、耐磨性，抗弯曲应力、扭转应力、剪切应力、热冲击的能力强，淬透性好， 热传导能力好，蠕变强度高，抗氧化性，优良的抗回火能力，材质均匀等一系列 优点，是生产中经常使用的轧辊材料之一，它可以用于冷轧轧辊，也可以用于热 轧轧辊。 主要元素 合金球墨铸铁中的主要元素主要有碳、硅、镍、钼、铬，其作用： 碳：一部分以球状石墨形式存在，一部分形成渗碳体。 硅：间接增强残余奥氏体的稳定性，使轧辊的性能降低，含量要控制。 镍：直接增强残余奥氏体的稳定性，当其含量大于3 时，组织转变为贝氏体 为主。 钼：它的含量增加可以形成贝氏体组织，钼的偏析倾向比较大，过高使轧辊 塑性降低。 铬：随铬量的增加，碳化物量增多，轧辊硬度、耐磨性明显增加，轧辊的抗 热裂性能将会降低。 组织特点 合金球墨铸铁轧辊中常见的组织为基体、渗碳体、石墨，基体组织由铁素体、 珠光体、贝氏体和马氏体组成。合金球墨铸铁轧辊的石墨从轧辊工作表面往里表 现球状分布，所以机械强度高、综合机械性能优良、有良好的抗热冲击和耐磨性 2 第1 章绪论 能。合金球墨铸铁轧辊按辊身基体组织大体可分为两类：珠光体球墨铸铁轧辊和 针状体球墨铸铁轧辊。辊身基体组织为珠光体和针状体，珠光体轧辊一般整体铸 造，针状体轧辊多采用离心复合浇注。 1 1 2 轧辊加工技术发展现状 采用传统的加工方法和刀具加工墨铸铁轧辊时，刀具磨损严重，精密加工由 磨削完成，效率低，磨削液污染环境，属于较难加工材料1 6 1 ，轧辊高速切削技术、 硬态切削技术、干式( 绿色) 切削技术、振动切削与磨削技术、加热辅助切削与 低温切削技术、数控磨削加工技术、高速束加工与射流加工技术等先进的切削加 工方法已成为目前研究与应用的热点。 硬态切削实现了以车代磨，可对轧辊进行荒车、粗车和精车加工，效率提高 5 1 0 倍1 7 1 ，节能5 0 0 0 - - 8 0 ，费用大幅度降低，没有环境污染，属于绿色制造，应 用前景非常好。 n i c r m o 冷硬球墨铸铁是应用非常广泛的轧辊材料，轧辊含n i 量4 ，含c r 量1 1 ，n i 细化珠光体与石墨，铸铁的强度、耐磨性和热强性提高，表面产生白 口，保证硬度和耐磨性，淬火后表面硬度可达6 0 h r c 。 ( 1 ) 切削加工特点 粗加工切削力大，容易引起振动，单位切削力3 0 0 0 m p a 。 加工余量大，背吃刀量大，要求刀具的强度高。 切削温度高，淬火后工件表面硬度6 0 h r c ，热强度高，连续切削时间长， 刀具表面的温度达8 0 0 以上。 切屑硬而脆，刀具容易崩刃。 在较低的切削速度下车削加工等温淬火球墨铸铁时会产生积屑瘤 s l ，材料 的硬度很高，在切削过程中材料的微观组织会发生明显的变化【9 1 2 1 。 ( 2 ) 加工中注意的问题 不使用切削液，切削中大量的切削热量由切屑带走，传给工件很少，表面 不足以产生热损伤及热变形。 精车刀片最好选用强度高的方形、圆形刀片，虽然切削力加大，但粗糙度 值更小，表面质量更佳。 3 山东大学硕士学位论文 曼i ii 皇曼鼍曼皇曼曼量曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量! 曼曼 合适的切削速度，一般为1 0 0 1 5 0 m m i n ，如果以传统的切削速度进行切削 加工，容易引起工艺系统的振动，刀具容易崩刃，如果刀具材料抵抗热冲击的能 力强，切削速度可以更高。 进给量过大将引起刀具的破损，加工中应选取较小的迸给量。 刀具的悬伸长度尽量要短，增强刀具强度，防止刀杆颤振。 为了防止刀具崩刃，工件切入、切出端先倒角，以减小刀具冲击力。 使用陶瓷刀具加工淬硬钢、高温合金、弹簧钢、镍基合金等难加工材料时刀 具磨损及其机理等方面的研究成果较多1 3 一_ 6 1 ，利用陶瓷刀具加工火球墨铸铁材料 时其磨损性能和机理等研究成果较少。 1 1 3 硬态加工刀具材料发展现状 ( 1 ) 金刚石 天然金刚石是自然界中最硬材料，显微硬度1 0 0 0 0 h v ，摩擦系数低，热膨胀 系数低，导热性好，分为单晶和多晶( 聚晶) 。人造聚晶金刚石刀具在生产中使用较 多，主要用于铜、铝、镁合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、复合材料、塑料、橡 胶、石墨、玻璃等材料的加工，高速切削时磨擦系数小，切削温度低，不易产生 积屑瘤，加工表面质量好，切削成本降低，是硬质合金和陶瓷轧辊主要加工刀具 材料。 ( 2 ) p c b n 刀具 立方氮化r 硼( c b n ) 结构与金刚石相似，显微硬度为8 0 0 0 9 0 0 0 h v l l7 1 ，仅次于 金刚石，其耐磨性能好，是硬质合金刀具的5 0 倍；耐热温度1 4 0 0 。c 1 5 0 0 。c ，在 8 0 0 。c 时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度；化学稳定性优良【1 8 】，不与铁系 材料发生化学作用，特别适合加工钢铁类黑色材料；导热性较好，是紫铜的3 倍， 是硬质合金的2 0 倍；刀屑问摩擦减小。适于高速切削、干式切削、硬态切削等绿 色制造的要求【1 9 】。一些特制的p c b n 刀具能抵御高功率粗加工的切削负荷、间断 切削的冲击以及精加工时的磨损和切削热2 0 1 ，2 8 1 拘铸铁使用p c b n 刀具加工【2 1 1 ， 切削表面纹理整齐、光亮、r a 6 2 h r c ，并要有足够的淬硬层， 耐磨性要好，用来抵抗交变应力有可能造成的表面开裂和剥落。 冷轧辊在工作过程中产生强力摩擦和挤压，还会产生瞬间高温造成强烈热冲 击，容易使工作表面产生热疲劳裂纹。 山东大学硕士学位论文 2 2 轧辊性能要求 ( 1 ) 轧辊常见失效形式 热轧辊主要失效形式为龟裂和剥落( 这是热疲劳造成的) 、表面磨损、轧辊 受力断裂、过回火、蠕变、缠辊。冷轧辊失效形式有轧辊工作表面裂纹、剥落、 磨损、划伤、粘辊、断裂等。 ( 2 ) 失效原因分析 轧辊工作表面裂纹和剥落 热轧时，轧辊表面冷热交替，温度变化剧烈，在工作表面产生强大的热冲击， 造成严重应变，产生热疲劳裂纹。轧钢时带钢甩尾有可能划伤轧辊，造成的轧辊 表面裂纹。裂纹最终造成剥落。 冷轧辊工作表面产生裂纹，最终导致剥落的原因是：轧辊工作表面层内由于 夹渣、孔隙等原因等缺陷，在工作循环应力作用下，产生疲劳裂纹；轧辊表皮下 在局部接触应力作用下，形成裂纹；轧辊磨削过程中形成的微裂纹以及工作过程 中操作不当或者异物卷入，造成轧辊受到机械冲击，诱发的表面裂纹，扩展最终 导致剥落。 辊面磨损 轧辊表面磨损形式很多，比如疲劳磨损、磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、 微动磨损等，轧辊表面磨损是它们综合作用的结果。 疲劳磨损是由热疲劳和接触疲劳引起的。 磨粒磨损：轧制过程中产生的氧化皮以及材料中的硬颗粒产生磨粒磨损。 粘着磨损：轧制过程中的高温、高压使轧辊与工件表面粘着，发生粘着磨损。 腐蚀磨损：高温使乳化液作分解与轧辊材料产生化学反应，产生腐蚀磨损。 微动磨损：过程中的摩擦力导致轧辊自激振动，产生微动磨损。 热轧辊磨损形式主要是粘着磨损、磨粒磨损、微动磨损及疲劳磨损。冷轧辊 磨损形式主要是磨粒磨损。 轧辊的性能要求 轧辊使用的过程中，要承受很大的轧制压力，必须有足够的强度，抵抗弯曲 应力、扭转、剪切应力；还要有足够的硬度、耐磨性。冷轧辊在轧制过程中，容 1 2 第2 章轧辊| t 作条件、件能要求 易产生瞬间高温，对轧辊表面造成强烈热冲击，产生微裂纹，冷轧辊要有抵抗产 生微裂纹、开裂的能力，良好的抗疲劳强度，同时还要具备高的耐磨性、断裂韧 性和热冲击强度等。轧辊表面应该得到较深的淬硬层，整个轧辊淬透性要好，低 温回火性能要好，热膨胀系数要低、具有高的高温屈服强度及高的抗氧化性、高 的热传导能力。冷轧辊的材料要求进一步提高强度、硬度、淬硬层深度的同时， 韧性不降低。 高铬铸铁的轧辊表面高温时能够生成一层致密、良好韧性的铬氧化膜，可以 减少热裂纹的数量、阻止裂纹的延展深度，具有较好的抗热裂性能，被广泛用做 热轧轧辊。 2 3 轧辊成分分析及金相组织 合金球墨铸铁轧辊，导热性好，伸长率大，耐磨性好，抗拉强度高，具有良 p 好的抗热疲劳、冲击韧性能力，其良好的综合力学性能，与轧辊的化学成分和金 像组织关系密切。选择高n i c r m o 无限冷硬球墨铸铁工作层进行分析，见表2 1 。 ( 1 ) 轧辊成分分析 高n i c r m o 无限冷硬球墨铸铁工作层，主要组织是贝氏体，综合性能优良，内 层以强度和韧性为主，选用低合金高强度球墨铸铁，主要组织是珠光体。主要元 素作用及匹配金像组织叙述如下： 碳的作用：形成基体组织、球状石墨、碳化物和铁形成渗碳体，改变奥氏体 一贝氏体转变温度。 硅的作用：增加铁素体含量，降低碳在奥氏体中的溶解度，改变过冷奥氏体 的稳定性，提高相变速度，提高贝氏体含量，过量的硅间接增强残余奥氏体的稳 定性，降低轧辊强度，硅含量一般1 和1 9 。 从轧辊的综合性能考虑，要注意“碳当量 即c e = c + l 3 s i 。高的碳当量可以 防止球铁凝固时过冷，不易产生白口组织，过高则有石墨产生漂浮和石墨粗大的 现象，取碳当量为4 4 3 为宜。 磷：属于有害元素，对材料的强度、塑性和韧性影响很大。形成二元磷共晶 ( f e 3 p + y ) 或三元磷共晶( y + f e 3 c + f e 3 p ) ，熔点低、硬而脆，分布于晶界，造成应力 集中，降低了轧辊强度、塑性和韧性。磷含量越低越好，要控制在0 0 5 以下。 山东大学硕士学位论文 硫：属于有害元素，严重影响石墨球化，含量越低越好，控制在0 0 3 以下。 锰：可以减少硫的负作用，少量的锰可以细化珠光体，含量高的话，锰溶入 奥氏体和碳化物，能够产生白口化增加现象。 铬：可以有力的促进碳化物的形成，碳化物生成量随铬含量的增加而增加， 铬0 2 时，产生游离碳化物，这样轧辊硬度、耐磨性升高，强度、塑性和抗热裂 性能降低。为了轧辊获得良好综合机械性能，铬元素控制在较低的范围。 镍：不能形成碳化物，可以稳定奥氏体，细化珠光体，含镍量达到3 以上时， 可稳定地得到以贝氏体为主的组织，提高了轧辊的强度和塑性。 铝：可以有力的促进珠光体的形成，加入0 5 可全部转变为珠光体，细化珠 光体组织，抑制奥氏体分解，过量的钼，在晶界上形成含钼碳化物，产生偏析， 塑性降低，一般控制在0 8 以下。 表2 - 1 试验选择的化学成分( 州) 元素 c s ipsm nn ic rm o m g 工作层 3 2 3 51 6 1 9 0 0 5 4 0 0 n m m 2 辊颈抗弯强度大于6 0 0 n m m 2 ，冲击值大于3 j c m 2 接合层超声波探伤不允许有大于0 3 当量的缺陷。 轧辊毛坯冷硬层热处理后的组织为回火马氏体+ 贝氏体+ 残余奥氏体+ 碳化物， 组织均匀；无夹杂物。 ( 1 ) 球墨铸铁轧辊铸造 合金成分分析 轧辊理想的综合机械性能取决于其工作表面组织是否含有一定量碳化物的贝 氏体基体组织。铸造时，保证原贝氏体球墨铸铁轧辊基本成分( c 、s i 、m n 、p 、s 、 c r 、m o ) 的质量分数不变，添加一定量的n i 、c u 、n b 合金元素，并不改变贝氏体 显微组织，可以使石墨细小、圆整、呈弥散分布，碳化物的数量、形态、分布处 于理想状态。n i 的作用：细化组织、提高淬透性、促进奥氏体稳定、抑制珠光体 形成，镍的质量分数控制在3 5 - 4 。c u 的作用：提高淬透性、促进铁水流动性、 提高铸件抗冲击能力、改善铸件加切削能。含量过高，在晶界处产生偏聚，加入 量不能超过镍的三分之一。n b 的作用：在铁水中首先与碳、氮反应生成富妮相形 状规则、弥散分布，成为非均质核心，增加晶核数量，细化共晶团，分割共晶液， 石墨组织细小、均匀，是形成高耐磨性、高温稳定性组织的基础。 球化处理 稀土是常用的球化剂，可促进石墨球化，克服硫以及杂质元素的影响，防止 干扰元素破坏球化。使用量过高时，改变石墨的形态，增大白口倾向，镁是球化 剂中的主导元素。当干扰元素p b 、b i 、s b 、t e 、t i 等总量为0 0 5 w t 时，加入0 0 1 w t 的稀土，可以完全中和干扰，并可抑制变态石墨的产生。稀土使晶核数量增加， 使不活化的晶核长大。 铸造中注意问题 1 6 应严格按操作规程要求，进行浇铸操作。先在铁水包堤坝内放入球化剂并夯 第2 荦轧辊工作条件、件就萤求 ! i m 。 a 鼍曼曼曼曼皇皇曼皇舅皇 实，再放孕育剂，上用覆盖剂盖严密，否则在铁水冲入时过早的球化反应将导致 球化失败。保证浇注温度的同时，尽量延长球化反应的时间，使铁水有足够的镇 静时间，让杂质浮出。 轧辊在离心铸造时，内外层铁水液体线速度不一样，金属层状流动，造成组 织不均匀；芯部凝固时间长，易产生石墨漂淖、球化不良、石墨畸变等缺陷。离 心机转速是重要参数，转速达到一定数值，可以使外层组织致密、均匀、不出现 成分偏析，转速过高，会拉裂外层表面。浇注中绝对不能断流，控制浇铸时间， 浇注完撒入防氧化保护渣。合箱、内层铁水浇注温度、时间、配合十分重要，内、 外层结合时温度不合适，会产生缺陷：两层温度过低，杂质不能上浮，轧辊材料 中出现夹杂；熔合不良，轧辊在使用中还可能出现工作层剥落现象，两层温度过 高，导致外层脱落或外层变薄，随铁水流撒入0 1 的1 3 m m 7 5 硅铁粒，以强化孕 育效果提高强度减少自由渗碳体。 2 5 本章小结 ( 1 ) 本章介绍了轧辊的工作条件，轧辊的性能要求，分析了轧辊的化学成分和 金相组织。 ( 2 ) 介绍了轧辊铸造中应该注意的问题和轧辊的技术要求。 1 7 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 为进一步改善陶瓷刀具加工轧辊的性能，课题组开发了新型的a 1 2 0 3 t i c 系梯 度复合陶瓷刀具材料。由于陶瓷刀具材料在热冲击时容易产生损伤，故抗热震性 能一直是其研究的热点问题。本章采用有限元软件a n s y s 模拟研究陶瓷刀具材料 的抗热震性能，比较分析了a 1 2 0 3 t i c 系梯度复合刀具材料和均质陶瓷刀具材料的 抗热震性能，并为陶瓷刀具材料的抗热震评价提出了新的参量。 3 1 梯度功能陶瓷材料 梯度功能材料( f u n c t i o n a l l y g r a d e dm a t e r i a l s ，简称f g m ) 3 6 1 是指构成材 料的要素( 组成、结构) 沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而 使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。 3 1 1 梯度功能材料的设计过程 f g m 的设计一般采用逆设计系统，即根据实际使用条件对材料进行组成和结 构的梯度分布设计及最佳材料组合设计。图3 1 为梯度功能设计流程图。 图3 - 1 梯度功能材料设计流程 1 9 山东大学硕十学位论文 3 1 2a i 2 0 3 t i c 系梯度复合陶瓷刀具材料的制备 3 1 2 1 材料预处理 表3 1 为制备a 1 2 0 3 t i c 系梯度复合陶瓷刀具材料所用粉体物理性能。 表3 1 陶瓷粉末物理性能 a 1 2 0 30 5 9 m 3 9 9 09 9 9 1 i 堡! 些婴塑! q塑：2 t i c 粉末在使用前需要进行湿式球磨，时间为1 2 0 小时。球磨过程采用无水乙 醇作为球磨介质，y g 类硬质合金球作为磨球。球磨完毕在真空干燥箱干燥，然后 将干燥后t i c 粉末进行过1 2 0 目筛处理，封存备用。 3 1 2 2a 1 2 0 3 t i c 系梯度复合陶瓷刀具材料的制备 a | 2 0 3 基体是由粒度0 5 9 m 的a 1 2 0 3 粉末组成，然后在a 1 2 0 3 基体加入一定含量 的t i c 粉末，制备出均匀纳米复合陶瓷粉体材料，采用梯度结构装模，进行热压 烧结而成。表3 2 是a 1 2 0 3 t i c 系5 层梯度复合陶瓷刀具材料各层的物理性能。其 中，t i c 体积分数为7 0 作为梯度复合陶瓷刀具材料表层。图3 2 为多层梯度结构 复合陶瓷刀具材料的横截面。 表3 2a 1 2 0 3 t i c 系5 层梯度复合刀具材料各层的物理性能 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性* # 目r 图3 - 2 多层梯度结构复合期瓷刀具材料的横截面 烧结工艺参数为：烧结温度1 7 0 0 c 、烧结压力3 0 m p a 、保温时间1 0 r a i n 。制 备的a 1 2 0 ：n c 系梯度复合陶瓷刀具材料，抗弯强度为8 0 0 m p a 、硬度9 4 5 h r a 、 断裂韧性63 m p a * m 崛。 3 2 陶瓷刀具材料的抗热震性能 在金属的断续切削过程中，刀具要承受交变的机械载荷和热冲击。由于陶瓷 刀具材料强度、韧性和导热率较低，而线膨胀系数较高，导致其较低的抗热震性， 在切自过程中容易导致刀楔内组高的温度梯度及热应力梯度，从而笈生破损。陶 瓷刀具在具备了较高的强度、韧性的同时，还应具有较好的抗热震性能，抗热震 性能是陶瓷刀具材料力学性能的综合体现。因此陶瓷材料抗热震性能的研究一直 是材料科学领域研究的热点问题。 3 , 3 仿真模型的建立 图3 - 3 试样模型 一ii 山不大学坝士学位论文 课题组制各的a 1 2 0 3 t i c 系梯度复合刀具材料试样为圆柱形，如图3 3 所示。 试样尺寸d = 4 2 m m ，h = 6 m m ，r 为加热斑点半径。边界约束条件为轴对称的。同 时由于试样在梯度方向为对称梯度，为简便计算只研究其单向梯度结构，并且做 数值分析时假设如下【3 7 】：在激光加热的区域满足热力学平衡方程；激光流是连续 均匀的；边界条件只考虑对流边界条件，忽略热辐射边界条件；材料的物性参数 不随温度变化；只有热流载荷作用在结构上，且为轴对称。 本仿真过程中，进行比较的是5 层a 1 2 0 3 t i c 系单向梯度复合刀具材料，表层 t i c 含量为7 0 和均质a 1 2 0 3 t i c 系陶瓷，材料组分为t i c 含量为7 0 。为便于标 记，本文将第一种刀具代号设为a t 5 ，第二种刀具代号设为a t 。 3 3 1 热源的确定 在激光束能量恒定情况下，激光热源模型的正确与否对热冲击过程模拟运算 的精度影响很大。激光把热能传给试样是通过一定的作用面积进行的这个面积称 为加热斑点，加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。本文采用高斯 热源模型进行模拟【3 8 4 2 1 ，如图3 - 4 所示。o 为加热圆域的中心。 p 。 。 i 一 一 r r 图3 4 高斯热源模型 热流密度分布公式： p p 懈e x 一菩) ( 3 - 1 ) 式中，p _ 加热区域内距离为r 处的热流密度，w m 2 p m 。x - 加热斑点中心的最大热流密度，w m 2 r _ 一激光有效加热半径。 本试验取p m 觚= 9 m w m 2 。加热斑点半径r = 5 m m 。依据是陶瓷刀具在切削过程 中产生的温度范围。 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 3 3 2 边界约束条件 ，卜 弋， 图3 - 5 边界条件 热冲击模拟试验采用图3 5 所示的边界约束条件：试样的上下表面和侧面为对 流换热，对称面视为绝热边界f 4 3 朋j 。本模拟试验取对流系数a i = 1 9 5 w m 2 k ， a 2 = 3 4 1 w m 2 k ，a t 3 = 9 w m 2 k 。由于试样模型为对称结构，为进一步简便计算， 本文取1 4 试样模型进行有限元计算。 3 3 3 加载模式 时间t ( s ) 图3 - 6 加载模式 热冲击模拟试验，采用图3 - 6 所示的加载方式进行单次热冲击，即激光加热 1 s 后，进行4 s 冷却。 3 4 模拟结果及分析 上述模型下，对a t 5 和a t 两种刀具进行了热冲击模拟试验，通过分析比较它 ，声v山埘翻w矮 山末大学碗士学位论主 们在热冲击模拟试验过程中的温度场和应力场，以此来研究试样的抗热震性能。 ( a ) t - - 05 s 连j l v - _ 嚣9 2 , 日1 2 1 ； 嚣器 c ) f l2 s l 皇 滔厂 曼嚣：器 - ：8 1 2 “”3 7 ( b ) # 1 i 0 。 _ 曩； _ ；0 u _ 9 , 。7 0 4 ； 图3 - 7 a t $ 试样各时刻温度场 c d ) m s 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 0ll3t善 时河惩 图3 - 8a t 5 试样上、下表面中心( t - 1 、t - 2 ) 温度时间曲线 图3 7 是a t 5 梯度试样在热冲击过程中0 5 s 内各时刻温度场分布。图3 8 为 a t 5 梯度试样上下表面中心( t 1 、t - 2 ) 温度随时问变化曲线。由图可见，a t 5 试 样上表面中心的温度在t = l s 时，温度上升到最高温度8 8 2 k 。升温速率较快，而此 时试样底面中心温度仍然在3 0 0 k 左右，这样试样沿梯度方向会产生很大的温度梯 度。t = l s 后由于激光热源停止加载，试样温度开始降低，温度梯度也随之减小， 上、下表面中心的温度也逐渐趋于相等。从图3 8 中可见，在热源加载过程中，试 样内部温度梯度很大，t = l s 时温度梯度达到了最大值。随着时间的增加，温度梯 度逐渐减小。当t = 2 2 s 左右，上下表面中心的温度达到了一致。此后温度场趋于 稳定，这也与图3 7 ( d ) 的温度场分布反映一致。图3 - 9 为a t 均质试样在各时刻 的温度场分布。通过比较发现，同样的加载条件下，t = l s 时，与a t 均质试样相比， a t 5 梯度试样的温度梯度要小，且在t = 5 s 时两种刀具材料达到稳定温度场时的温 度梯度，a t 5 梯度试样仍然比a t 试样要小。 山东丈学颂士学位论文 a ) t = - 12 s ( b ) t = l s 泌桫 昌| | ；| ! ；嚣嚣 图3 1 9 a t 均质试样在各时刻温度场 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性* m 究 3 4 2 瞬态热应力场 目罗 曼：i 黼 旨嚣嚣 涉 1 - i 1 i 6 3 e 9 m z 0 ：篙嚣 霭萝r 曼：妻嚣 昌：麓 图3 1 0 a t 5 各时刻第一主应力场 似) f _ 5 5 山东大学硕士学位论文 誓 、 穴 毯 训 l 糠 时同s 图3 1 l 试样上、下表面中心及加热斑点边缘上节点热应力时间曲线 图3 1 0 为o 5 s 时刻内，a t 5 试样第一主应力各时刻分布。图3 1 1 为a t 5 试 样上、下表面中心( s 1 1 、s 1 2 及加热斑点边缘上节点s 1 3 ) 第一主应力随时间 变化曲线。由图3 1 0 可见，当t = l s 时试样内部最大热应力为1 2 3 m p a ，在极短的 时间内出现了应力集中。随着时间的增加，试样内部的最大热应力逐渐降低。t = 5 s 时试样内部的最大热应力为1 4 2 m p a 。 仃( f ) 2 告( r - ) ( 3 - 2 ) 式中，e _ 弹性模量，q 一热膨胀系数，r 泊松比，t r e 厂环境温度。 拉应力是造成多数陶瓷材料破坏的主要原因，拉应力( o ) 可由式( 3 2 ) 计算。 由式( 3 2 ) 可知，当温度场达到稳定时，热应力场也相应达到稳定。这与图3 1 0 应力场分布的反映是一致的。 由于热冲击造成陶瓷基复合材料产生裂纹一般有两种情形，一种是在试样的 中心产生裂纹，沿径向向周围扩展；另一种是在试样边缘长生裂纹，沿径向向中 心扩展；第一种情形试样中心温度高，虽然高温可以产生塑性，但试样强度较低 则有可能产生裂纹。第二种裂纹向中心扩展，假设中心温度较高，有可能在中心 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 停止扩展。由图3 1 0 可知，热冲出过程中当t = l s h , j - 试样内部出现了最人拉应力为 1 2 3 m p a 。图3 1 2 为t = l s 时第一主应力沿径向路径和轴向路径分布曲线。由图3 1 2 可知，最大拉应力出现在距离试样上表面中心径向、轴向距离分别为3 9 m m ， 1 2 m m 。此处最大拉应力极易超过试样的极限强度，产生裂纹破坏。假设此时产生 裂纹，则是第二种情形。同时注意到最大拉应力出现的位置恰好位于梯度层的结 合处，因此对于本课题所研究试样来说，不仅要有较高的强度韧性，同时还要通 过完善烧结工艺参数以提高梯度层间的结合强度，这样试样才具有较好的抗热震 性能。 ( a ) 径向 o1 t2 4 ， 瑚髓蠢，- ( b ) 轴向 图3 1 2t = - l s 时a t 5 试样第一主应力沿径向、轴向路径分布曲线 m 末大学颊士学位论文 图3 1 3 为a t 试样各时刻热应力场分布。t = 1 2 s 时，a t 均质试样试样内部最 大拉应力为1 3 5 m p a ，而a t 5 试样最大拉应力1 2 3 m p a ，说明在相同的加载条件下 a t 5 梯度试样比a t 均质试样有着优异的抗熟震性能。 厂、 j 汐 - ；m , 9 1 e 9 2 z “ 圈：嚣：嚣 ( a ) t = 05 s 。伊 ! 8 l 2 2 e 懦5 2 6 4 _ , m 1 z o e b 裟 。9 j 移罗 曼- 2 9 ”3 e 9 篇 1 b 6 3 z ”+ 0 ： ( h ) 仁l s 9 ，罗 ! ；z 8 0 2 8 9 1 7 - 9 1 0 3 e d g e 器 ( c ) 产l2 s ( d ) t = 5 s 囝3 1 3a t 试样各时刻热应力场 圈3 1 4 是a t 试样产12 s 时的第一主应力沿径向、轴向路径分布曲线。由图 3 一1 4 并结合图3 1 3 ( c ) 可知，a t 均质试样f 1 2 s 最大拉应力1 3 5 m p a ，此时最大 第3 章a 1 2 0 3 t i c 梯度复合刀具材料抗热震性仿真研究 拉应力出现在距离上表面试样中心径向距离、轴向距离分别为1 0 m m 、1 4 m m 。 采用式( 3 3 ) 1 4 5 删可以估算试样的极限强度( q ) ，由估算得所研究a t 5 试 样许可抗拉强度为5 7 7 m p a ，而热冲击过程中产生的最大拉应力为1 2 3 m p a ，因此 在整个模拟试验过程中，试样不会因拉应力而出现裂纹。 旦一f ，l p 1 2 ( 朋+ 1 ) j ( 3 3 ) 式中，0 6 - 抗弯强度，此处取8 0 0 m p a ，m 一威布尔分布系数，m = 1 0 。 ( a ) 径向 l ；： 辫蘑蠢- ( b ) 轴向 图3 1 4a t 试样t = 1 2 s 时的第一主应力沿径向、轴向路径分布曲线 3 1 山东大学硕士学位论文 3 5 抗热震评价参量 改变热冲击试验的参数，分别取p = 9 m w m 2 ，p = i8 m w m 2 ，p = 2 5 m w m 2 ， p = 3 0 m w m 2 ，p = 3 5 m w m 2 ，p = 4 0 m w m 2 及不同热冲击半径r 进行试验，获得a t 5 最大热应力值与热冲击半径关系曲线如图3 1 5 所示。由3 1 5 图分析得出，当p 3 5 m w m 2 ，d 1 0 m m 时试样中最大拉应力超过应力极限旷5 7 7 m p a ，将会产生裂纹。 在0 5 m m 的加热半径范围内，p 3 5 m w m 2 均不会使a t 5 刀具产生拉应力破坏，可 见所研究a 1 2 0 3 t i c 梯度复合陶瓷材料可以承受相当大的热冲击载荷，说明它具有 良好的抗热震性能。在一定的加热半径下，临界热流密度p 可以作为评价陶瓷刀具 抗热震性能的一个参量。 0 厶 蔓 v 荟 暑 o r 翅 轺 k 蟥 ol23 4 5 加热半径r ( m m ) 图3 1 5 热冲击半径与最大拉应力值关系曲线 3 6 本章小结 本章采用有限元软件a n s y s ，对适合加工球墨铸铁的两种陶瓷刀具a t 5 和 a t 进行了对比研究。主要有以下结论： ( 1 ) 对比分析了a t 5 、a t 刀具的温度场、热应力场，a t 5 较之a t 具有一定的 热应力缓解作用，a t 5 所受的热应力小于a t 。a t 5 为梯度结构，承受热应力最大 为层间结合处，因此优化工艺参数，提高界面强度是比较关键的。 ( 2 ) 改变热冲击试验参数，获得最大热应力值与热冲击半径关系曲线，并提出 新的抗热震评价参量临界热流密度p 。 3 2 o o o o o 0 o o 加如 如砌：至 第4 章球墨铸铁轧辊高速切削试验研究 第4 章球墨铸铁轧辊高速切削试验研究 球墨铸铁轧辊是一种用离心铸造方法生产的性能优良、应用广泛的轧辊，含 镍球墨铸铁轧辊中镍、铬、钼等元素的含量较高，工作层硬度很高，最高可达h s d 8 2 以上，毛坯还经常有夹渣、硬点、气孔等铸造缺陷。在同类材料中硬度高的材料 加工性能低，这是因材料硬度高时，切屑与前刀面的接触长度减少，前刀面法向 应力增大，切削时磨擦热集中在较小的刀具切屑接触面上，致使热量不能及时散 发，刀尖温度急剧升