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1、第 26卷?第 6期摩 擦 学 学 报Vol 26,?No 62006 年 11月TRIBOLOGYNov,2006Al2O3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
2、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 l2O3/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 KIC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?
3、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 Al2O3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
4、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
5、ic materialsM aterialsFracture toughness/MPa?m1/2F lexure strength/M PaHardness/GPaE lastic modulous/GPaA l2O3/T i C4.982521.1440A l2O3/T i(C,N)5.2584521.3425A l2O3/SiCw8.578021.1400YG8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
6、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 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
7、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 cer
8、amic co mpositesas 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
9、.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 asfunction of different rotation speeds图 2?三种 A l2O3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
10、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 l2O3based ceram ics for
11、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 propertiesof A l2O3/T iC composites J.International Ceram ic R eview,20
12、04,53(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 iccomposites J.Ceram ics Internationa,l 2003,29(7):777?784.6?K erkw ijk B,
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14、ngs 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 thetribological 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.
15、Friction?reduction and wear?resistant behavior ofgraphite in gray cast iron sliding against ceramics under differentconditions 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 l2O3matri
16、x 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 ofthree ceram ic couples J.T ribology,1998,18(1):1?6.12?H isakado T,Akiyama K.M echanis ms of friction and wear ofm
17、etals against ceram ics in vacuum J.W ear,1999,224(2):274?281.Behaviors of Friction andW ear and Finite Ele mentAnalysis ofThree CeramicToolM aterialsYAO Shu?qing1,XI NG Shu?m ing1,DENG Jian?xin2(1.School ofM echanical and ElectronicControlEngineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China
18、;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 frictionand wear
19、processwas calculated by ANSYS.SE M was used to observe the cera m ic surface.Different additiveshavea profound effect on the wear resistance of the Al2O3?based ceram ic materials.The wear rates of the A l2O3?basedcera m ics increasedw ith the increase of the ratio of elastic modulus and hardness,an
20、d decreased w ith the increaseof fracture toughness.Adhesivewearwas the predom inantwearmechanism forA l2O3/T iC.While thewearmecha?nism ofA l2O3/T i(C,N)and Al2O3/SiCwwas abrasive wear.Key words:A l2O3,ceram ic,friction andwear behavior,stress analysisAuthor:XI NG Shu?m ing,male,born in 1962,Ph.D.,Professor,e?m ai:l xs m 569第 6 期姚淑卿等:?A l2O3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析