Al_2O_3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析.pdf

第 26卷 第 6期摩 擦 学 学 报Vol 26 No 6 2006 年 11月TRIBOLOGYNov 2006 Al2O3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性 及其有限元分析 姚淑卿1 邢书明 1 邓建新2 1 北京交通大学 机械与电子控制工程学院 北京 100044 2 山东大学 机械工程学院 山东 济南 250061 摘要 以添加 TiC T i C N 和 Si Cw3种 A l2O3基陶瓷刀具材料作为研究对象 在 MRH 3型高速环 块摩擦磨损试验机 上研究 3种陶瓷刀具材料在相同试验条件下的摩擦磨损性能 通过扫描电子显微镜对陶瓷的磨损表面进行观察 并利 用 ANSYS有限元软件分析计算磨损时的应力分布 结果表明 A l2O3基陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性与其添加剂的种 类有关 其抗磨性能由大到小顺序依次为 A l 2O3 SiCw A l2O3 T i C N A l2O3 T iC Al2O3基陶瓷刀具的摩擦磨损性 能与其硬度 H 弹性模量 E 和断裂韧性 KIC 有关 磨损率 W 随 E H 增加而增大 随 K IC增加而减小 A l2O3 T i C陶 瓷刀具材料的磨损机理以粘着磨损为主 A l2O3 T i C N 和 A l2O3 Si Cw陶瓷刀具材料的磨损机理主要为磨粒磨损 关键词 A l2O3 陶瓷 摩擦磨损性能 应力分析 中图分类号 TH117 3文献标识码 A文章编号 1004 0595 2006 06 0566 04 A l2O3陶瓷具有硬度高 热膨胀系数小 耐磨性 好及其生产成本低等优点 是极具应用前景的耐磨 材料之一 1 但 Al 2O3陶瓷材料的化学键为离子键 塑性变形难 脆性大和裂纹敏感性强 因此限制了其 推广应用 近几十年来 各国学者提出了许多对 A l2O3陶瓷增韧补强的方法 制备出多种高性能 A l2O3基陶瓷材料 2 4 其中有关其增韧机理 耐高 温性能以及抗热震性等方面的研究较多 5 8 而对 A l2O3基陶瓷摩擦磨损性能的研究大多集中于润滑 条件和不同摩擦副等因素的影响 9 11 而对不同载 荷条件 无润滑条件下的研究还不够深入 本文选取 颗粒增韧和晶须增韧效果较好的 3种 Al2O3基陶瓷 刀具材料 研究其在室温下与硬质合金干摩擦时的 摩擦磨损特性并利用 ANSYS有限元分析了其应力 分布 探 讨影 响 A l2O3 T iC Al2O3 T i C N 和 Al2O3 SiCw陶瓷刀具材料磨损机理的因素 旨在为 氧化铝基陶瓷刀具材料的开发和应用提供参考 1 实验部分 3种 Al2O3基陶瓷刀具材料由山东大学研制 其性能见表 1 采用济南试验机厂产 MRH 3型高速 环 块摩擦磨损试验机评价 3种陶瓷与硬质合金 表 1 三种复合陶瓷刀具材料试样的力学性能 Table 1 M echanical properties of three Al2O3 based ceram ic materials M aterialsFracture toughness MPa m1 2F lexure strength M PaHardness GPaE lastic modulous GPa A l2O3 T i C4 982521 1440 A l2O3 T i C N 5 2584521 3425 A l2O3 SiCw8 578021 1400 YG8摩擦副的摩擦磨损性能 上试样为 3种陶瓷块 尺寸为 15mm 12 mm 5 mm 经磨削加工及研磨 和抛光 下试样为 YG8环 外圆直径为 50 mm 内圆 直径为 35 mm 宽度为 13 mm 试验在干摩擦条件下 进行 试验时上试样通过夹紧机构固定不动 下试样 以 100 550 r m in速度运转 法向载荷 p为 150N 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50275088 收稿日期 2005 12 13 修回日期 2006 04 20 联系人邢书明 e mai l xs m jdxy njtu edu cn 作者简介 邢书明 男 1962年生 教授 博导 目前主要从事复合材料制备与成形的研究 时间 30 m in 摩擦系数由试验机自动测出摩擦力 F 根据 F p 计算 采用电子天平 精度 0 1 mg 称量磨损前 后的质量损失 并以此计算磨损率 采用 JXA 840型 扫描电子显微镜 SEM 观察陶瓷磨损表面形貌 利用 ANSYS有限元软件分析陶瓷材料磨损时 的应力分布 根据陶瓷在摩擦磨损试验机上工作时 的接触状 态 分析选用solid92 target173 和 con tact174单元类型 采用自由网格划分 在陶瓷试块与 硬质合金环接触的区域采用较密网格以便到精确结 果 试验时陶瓷试块通过夹紧机构固定不动 YG8试 环以一定的速度旋转 同时受到法向载荷作用 将陶 瓷试块的 X Z 方向自由度进行约束 在 YG8试环 Z 轴上施加角速度 同时在 YG8试环其余自由度施加 约束 2 结果与讨论 2 1 摩擦磨损性能 图 1所示为在载荷 150 N下 3种 Al2O3基陶瓷 F ig 1 Friction coefficient of three ceramic co mposites as function of rotation speed 图 1 三种 A l2O3基陶瓷刀具材料的摩擦系数 随转速变化的关系曲线 的摩擦系数随试环转速变化的关系曲线 可以看出 3种复合陶瓷的摩擦系数变化规律不尽相同 其中 A l2O3 SiCw陶瓷的摩擦系数随转速增加有升高趋 势 在转速 500 r m in时摩擦系数为 0 49 而对于 A l2O3 T iC和 A l2O3 T i C N 陶瓷 随着转速增加 摩擦系数呈现出逐渐下降的趋势 A l2O3 T iC的摩擦 系数略高于 A l2O3 T i C N 当转速为 350 r m in时 摩擦系数达到 0 50 综合比较来看 Al2O3 SiCw陶瓷 材料的摩擦系数最高 Al2O3 T i C N 陶瓷材料的摩 擦系数最低 而 A l2O3 T iC陶瓷材料的摩擦系数处 于两者之间 在载荷 150N时 3种 A l2O3基陶瓷与硬质合金 对摩时磨损率随转速变化的关系曲线如图 2所示 Fig 2 W ear rate of three cera m ic composite as function of different rotation speeds 图 2 三种 A l 2O3基陶瓷刀具材料的磨损率 随转速变化的关系曲线 可见 随着转速增加 3种 Al2O3基陶瓷的磨损率降 低 说明 3种 Al2O3基陶瓷在高速下的耐磨性优于 低速 同时从图 2还可以看出 在相同条件下 3种陶 瓷磨损率由大到小依次排列为 A l2O3 SiCw A l2O3 T i C N Al2O3 T i C N A l2O3 T iC b Al2O3基陶瓷刀具材料磨损率随 E H 增加 而增大 随断裂韧性 KIC增加而减小 c 在无润滑条件下 Al2O3 T iC的磨损机理主 要为粘结磨损 A l2O3 T i C N 和 Al2O3 SiCw的磨 损机理主要为磨粒磨损 参考文献 1 Poser K Gahr K H Zum Schne ider J Development of A l2O3 based ceram ics for dry friction system s J W ear 2005 259 6 529 538 568摩 擦 学 学 报第 26 卷 2 Ba j wa S RainforthW M LeeW E Sliding wearbehavior of Si C A l2O3nanocomposites J Wear 2005 259 7 8 553 561 3 Y inY S ShiR X M a L P Sintering andmechanical properties of A l2O3 T iC composites J International Ceram ic R eview 2004 53 1 24 27 4 Sato K i m itosh i K amiya H idehiro Erosion wearproperties of T iC A l2O3composites J Journal of the Ceramic Society of Japan 2003 111 6 485 490 5 Gogots i George A Fracture toughness of ceram ics and ceram ic composites J Ceram ics Internationa l 2003 29 7 777 784 6 K erkw ijk B GarciaM VanZylW E et al Friction behav ior of so lid oxide lubricants as second phase in alpha A l2O3and stabi lized Zr O2composites J W ear 2004 256 1 2 182 189 7 Po lcar T Kubart T Novak R et al Comparison of tribological behavior ofT i N T i CN andCr N at elevated temperatures J Sur face and Coatings Technology 2005 193 1 3 192 199 8 L i m D S Park D S Han B D et al T emperature effects on the tribological behavior of alu m ina reinforced with unidirectional ori ented SiC whiskers J W ear 2001 251 1 12 1 452 1 458 9 斯松华 方亮 不同滑动条件下与氧化铝对摩时灰铸铁中石墨 的减摩抗磨作用 J 摩擦学学报 2002 21 2 153 155 Si SH Fang L Friction reduction and wear resistant behavior of graphite in gray cast iron sliding against ceramics under different conditions J Tribo logy 2002 21 2 153 155 10 庞佑霞 郭源君 刘厚才 润滑条件对 A l2O3陶瓷材料的摩擦 磨损性能影响研究 J 润滑与密封 2001 1 32 33 Pang Y X Guo Y J L iuH C Study of friction and wearbehav iors ofA l2O3matrix ceramic in various conditions J Lubrica tion Engineering 2001 1 32 33 11 赵明 黄莉萍 丁传贤 三种结构陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研 究 J 摩擦学学报 1998 18 1 1 6 Zhao M Huang L P D ing C X D ry friction and wear study of three ceram ic couples J T ribology 1998 18 1 1 6 12 H isakado T Akiyama K M echanis ms of friction and wear of metals against ceram ics in vacuum J W ear 1999 224 2 274 281 Behaviors of Friction andW ear and Finite Ele mentAnalysis of Three CeramicToolM aterials YAO Shu qing 1 XI NG Shu m ing1 DENG Jian xin2 1 School ofM echanical and ElectronicControlEngineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2 School of M echanicalEngineering Shandong University Jinan250061 China Abstract Three kindsofAl2O3 based ceram ic toolmaterials composed of different additives suchasT iC T i C N and SiCwwere investigated on theMRH 3H igh SpeedR ing blockwear tester The stressdistribution during friction and wear processwas calculated by ANSYS SE M was used to observe the cera m