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1、第3 3 卷第1 2 期2O05 年1 2 月回硅酸盐学报J O U R N A Lo FT H EC H I N E S EC E R A M I CS O C I E T YA 1 2 0 3 T i C 复合陶瓷拉丝模材料的摩擦磨损性能杨学锋，邓建新，姚淑卿(山东大学机械工程学院，济南2 5 0 0 6 1)V 0 1 3 3，N o 1 2D e c e m b e r，2 0 0 5摘要：采用热压法制备出A 1 2 0 3 T i c 复合陶瓷材料，该材料具有良好的综合力学性能，抗弯强度为8 5 0 M P a，断裂韧性为4 9 M P a m 1 胆。由高速环块磨损试验机对其摩擦磨
2、损行为及其磨损机理作了试验研究。用扫描电镜观察了磨损表面形貌。结果表明：A 1 2 0 s T i c 复合陶瓷拉丝模材料磨损率随试验转速升高而下降，但压力变化对磨损率的影响不大。A 1 2 0。T i c 复合陶瓷拉丝模材料磨损机理主要是脆性脱落和犁沟，具有良好的耐磨性。是制备拉丝模的优良材料。关键词：氧化铝碳化钛陶瓷复合材料；拉丝模；摩擦磨损；制备中图分类号：T Q l 7 4 7 5 8文献标识码：A文章编号：0 4 5 4F R I C T I o NA N DW E A RB E H A V I o Ro FA 1 20 3 T i CC E R A M I CC o M P o S
3、 I T EU S E DA SW I R ED R A W I N GD I E SY A N GX“已-厂0，z g，D E N GJ i 口咒z i，z，Y A OS “q i 咒g(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e“n g，S h a n d o n gU n i v e r s i t y，J i n a n2 5 0 0 6 1，C h i n a)A b s t r a c t：A 1 z0 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t ew a sp r o d u c e db yu s
4、 i n gh o tp r e s s i n gs i n t e r i n g A 1 20 3 T i cc e r a m i cc o m p o s i t eh a sg o o dg e n e r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s，i t sf l e x u r a ls t r e n g t hi s8 5 0M P aa n df r a c t u r et o u g h n e s sr e a c h e s4 9M P a m 17 2 T h ef r i c t i o na n dw e a rb
5、e h a v i o ro fA 1 20 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t ew e r es t u d i e da tt h eh 培hs p e e dw e a ra n dt e a rt e s tm a c h i n e W o r ns u r f a c e sw e r eo b s e r v e db yt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e R e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rr a t eo fA 1 20 3
6、 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t ed e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s eo fr o t a t i o ns p e e d，b u tt h es h i f t e dp r e s s u r eo ns p e c i m e nh a sl i t t l ee f f e c to nw e a rr a t e T h ew e a rm e c h a n i s mo fA 1 20 3 T i cc e r a m i cc o m p o s i t ea r em o s t l yb
7、r i t t l e n e s sb r e a ko f fa n df u r r o wa n di th a sg r e a tc a p a b i l i t yi nw e a rr e s i s t a n c e A 1 z0 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t ei sa ne x c e l l e n tm a t e r i a lu s e df o rp r e p a“n gw i r ed r a w i n gd i e s K e yw o r d s：a l u m i n a t i t a n i u mc
8、 a r b i d ec e r a m i cc o m p o s i t e；w i r ed r a w i n gd i e s；f r i c t i o na n dw e a r；p r e p a r a t i o n在线材拉拔行业中，拉丝模是各种金属线材生产如电线电缆、钢丝、焊条焊丝等是一种非常重要的易消耗性模具。适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料 1 。拉丝模的费用占拉丝费用的1 2以上。按照制造拉丝模的材料种类，拉丝模的类型可分为合金钢模、硬质合金模、天然金刚石模、收稿日期：基金项目：第一作者：通讯作者：2 0 0 5 0 3 1 8。修改稿收到日期：2 0 0
9、 5 一0 8 2 3。国家自然科学基金(5 0 2 7 5 0 8 8，5 0 4 7 5 1 3 3)和教育部新世纪人才支持计划(N c E T-0 4 一0 6 2 2)资助项目。杨学锋(1 9 7 7)，男，博士研究生。邓建新(1 9 6 6)，男，教授，博士研究生导师。聚晶金刚石模和陶瓷模。如何降低拉丝模成本，提高其寿命是金属线材生产迫切需要解决的问题。但是，合金钢模和硬质合金模硬度和耐磨性很差、寿命短，金刚石拉丝模的制造成本高、价格昂贵，而陶瓷材料在耐磨损、耐高温、抗氧化和耐腐蚀等方面具有硬质合金材料所无法比拟的优点 2 4 ，R e c e i v e dd a t e：2 0
10、0 5 一0 3 1 8，A p p r o v e dd a t e：2 0 0 5 0 8 2 3 F i r s ta u t h o r：Y A N GX u e f e n g(1 9 7 7 一)，m a l e，p o s t g r a d u a t es t u d e n tf o rd o c t o rd e g r e e E m a i l：w s h y t z h 1 6 3 c o mC o r r e s p o n d e n ta t h o r：D E N Gn a n X i n(1 9 6 6 一)，m a l e，p r o f e s s o
11、 r E 一眦i l：j x d e n g s u d e d u c n 万方数据第3 3 卷第1 2 期杨学锋等：A l。0。T i c 复合陶瓷拉丝模材料的摩擦磨损性能1 5 2 3 在制造成本和价格方面优于金刚石，是制作拉丝模的优良材料。拉丝模的主要破坏形式是摩擦磨损造成的口，但是对于陶瓷拉丝模的摩擦磨损研究很少，为此，通过对A l：O。T i C 复合陶瓷拉丝模材料的滑动摩擦试验，探讨了这种材料摩擦磨损特性和磨损机理，目的是在拉拔工艺过程中良好的使用陶瓷拉丝模提供科学依据。1实验1 1 材料的制备实验所用原料为d A l zO。氧化铝粉末，纯度大于9 9 9，密度为3 9 9g c
12、 m 3，粉末平均粒径小于0 5 肚m；T i C 粉末纯度大于9 9 8，密度为4 2 5g c m 3，粉末平均粒径小于o 5 弘m。以乙醇作介质进行混合强化球磨。A l：0 3 T i c 复合陶瓷材料以A 1。0 3为基体添加一定比例T i C 及少量金属添加剂经热压烧结而成。按照物理化学相容性原则计算分析，2 种原料按体积比(5 5 A l。O。，4 5 T i c)配料后，在球磨筒中混合，混料时间4 8h。混合粉末在干燥箱干燥后用1 0 0 目(筛孔直径为1 5 0 弘m)筛在流动氮气气氛中过筛。采用热压烧结工艺制备A l。O。T i C 复合陶瓷材料，烧结温度为17 0 0 18
13、 0 0，压力为3 0M P a，保温1 0 3 0m i n，烧结气氛为氮气。1 2 性能测试使用切片机将烧结后的陶瓷材料切割成3m m 4m m 3 6m m 的样品，样品的表面粗糙度R。一o 1“m。采用排水法测量样品的密度。用H V l 2 0型V i c k e r s 硬度计测量样品的显微硬度，压头为金刚石，加载荷1 0N，保持载荷1 0s。以三点弯曲法测量样品的抗弯强度，跨距为2 0m m，加载速率为0 2m m m i n。用压痕法测量断裂韧性，压痕载荷为1 9 6N，保荷时间1 5s，用4 0 0 光学显微镜测量样品的压痕裂纹长度。用H i t a c h iS 一5 7 0
14、 型扫描电镜(s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e，S E M)观察样品的微观结构。实验用的A l。O。T i C 复合陶瓷材料的力学性能见表1。1 3 摩擦磨损试验实验采用济南试验机厂制造的M R H 3 高速环块磨损试验机。试验机是环块式滑动摩擦副，以测定在选定的载荷、转速和环境条件下，各种工程陶瓷表1A l：0 3 T i c 陶瓷材料样品的力学性能T a b l e1M e c h n i c a Ip r o p e r t i e so ft h eA 1 20 3 T i Cc e r a m i cc o m p o
15、 s i t es p e c i m e n材料的摩擦系数。试块用A 1。O。T i C 复合陶瓷材料制成，其长、宽、高为1 5m m x1 2m m 5m m，经过严格的磨削加工及研磨抛光处理。试环为硬度H R。为4 5 3 的淬火4 5#钢，外圆直径为5 0m m，内圆直径为3 5m m，宽度为1 3m m。工况为干摩擦，实验装置见简图1。实验时试块通过夹紧机构固定不动，试环以1 0 0 5 5 0r m i n 速度运转，载荷加在摩擦面的法线方向上。图1 摩擦磨损实验简图F i g 1S k e t c ho ft h ew e a ra n dt e a rt e s t用高精度电子
16、天平进行称取样品实验前后的质量，以确定A l。O。T i C 陶瓷拉丝模材料的磨损量的大小，并计算出磨损率。高精度电子天平的精确度为：o o o o0 1g。每次对磨时间为3 0m i n。磨损率(w)按下式计算：肛彘其中：叫为实验过程磨损质量(g)；1 0 为样品的密度(g c m 3)；R 为平均摩擦半径，即试块中心与试环样品旋转轴中心的距离(m)；为实验时间(m i n)；，z 为试环转速(r m i n)；肛为摩擦副平均摩擦系数；P 为施加在试块试样上的法向力(N)。万方数据硅酸盐学报2结果与讨论2 1A l：0 3 T i C 复合陶瓷的摩擦系数A l。O。T i C 复合陶瓷的摩擦
17、系数随着动静环块间压力的增加和试环转速的关系曲线见图2。由图2 可以看出：随着所加压力的增加和转速的提高，A l。O。T i C 复合陶瓷材料的摩擦系数总体呈下降趋势。在低速下，A l。O。T i C 复合陶瓷材料的摩擦系数比较大，达到O 6 0 7；A l。O。T i C 复合陶瓷材料在高速下的摩擦系数降低，在o 4 o 5 之间。在低速下，试块与试环摩擦主要是以局部的微颗粒断续机械撞击为主，对于A l。O。T i C 复合陶瓷材料来说，并不适宜断续加工，脱落的细小晶粒在摩擦区阻碍了两者之间的相对运动，所以摩擦系数较大。而高速下，其转变为连续的机械摩擦力，摩擦区内A l。O。T i C 复合
18、陶瓷材料相对的强度增加，细小晶粒很少脱落，其摩擦系数相对较小。图2A 1：O。T i C 复合陶瓷材料摩擦系数随压力及转速变化F i g 2F r i c t i o nc o e f f i c i e n to fA 1 20 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t eu sp r e s s u r ea n dr o t a t i o ns p e e d2 2A l：o。T i C 复合陶瓷材料磨损率分析经研究表明：陶瓷材料的耐磨性能与H v“2 KT。3 4(H v 为材料的V i c k e r s 硬度，K I。为断裂韧性)成正比。实验所得A
19、l：O。T i C 复合陶瓷材料H v 为2 1 5G P a，KT。为4 9M P a-m V 2，具有高硬度和良好的断裂韧性，理论上实验材料具有良好的耐磨性。为验证A 1。o。“C 复合陶瓷材料的耐磨性，进行了摩擦磨损实验。将A l。O。T i C 复合陶瓷材料制成标准试块，在M R H 一3 高速环块磨损试验机上进行耐磨性实验，试块压力P 为1 5 0N 保持恒定，转速设置为1 0 0，2 0 0，3 0 0，4 0 0r m i n 和5 0 0r m i n，每个转速3 0m i n 停机，取下样品在乙醇中进行清洗，烘干后在高精度电子天平上称量，按照公式计算出磨损率，得到载荷1 5
20、0N 时磨损率随转速变化曲线图，如图3 所示。从图3 可以看出：实验试块的磨损率为3 1 1 0 _ 9 8 8 7 1 0 叫c m 3(N m)，实验样品具有良好的耐磨性。并且随着转速的提高，样品磨损率呈逐渐下降的趋势。这说明材料在高速下的滑动摩擦性较好，高速下的耐磨性要优于低速。图3 在不同转速下，A l。0 3 T i C 复合陶瓷材料的磨损率F 喀3W e a rr a t eo ft h e A 1 20 3 T i Cc e r a l n i cc o m p o s i t ea tt h ed i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d
21、s试环转速恒定为4 0 0r m i n 时，试块的压力进行改变，取值分别为5 0，1 0 0，1 5 0N，每3 0m i n 进行清洗、烘干并测量其质量。得到的磨损率曲线如图4 所示，其磨损率几乎没有变化，为6 6 5 1 0 叫c m 3(N m)。由此可以得出结论：A l。O。T i C 复合陶瓷材料的承压能力很强，可以承受幅度范围很大的压力，而压力的增加对材料的磨损率影响很小。图4 在相同转速不同压力下，A 1。0。T i C 复合陶瓷材料的磨损率F i g 4W e a rr a t eo ft h eA 1 20 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i
22、 t ea tt h es a m er o t a t i o ns p e e da n dd i f f e r e n tp r e s s u r e sR o t a t i o ns p e e di s4 0 0r m i nI-宣了zn昌吾一_兽葛。渗 万方数据第3 3 卷第1 2 期杨学锋等：A 1 2 凸T i C 复合陶瓷拉丝模材料的摩擦磨损性能2 3A l：0 3 T i c 复合陶瓷的磨损机理分析图5 为对A 1 2 0。T i c 复合陶瓷材料磨损形貌的S E M 照片。图5 a 为抛光面，图5 b 为磨损面。由图5 可以看出：在磨损表面某些部位发生了少量的A l
23、。0。晶粒脱落现象，而残留在表面的T i c 因为具有较高的硬度，对材料的耐磨性起到重要的作用。由图5 b 中还可以看出：在磨损表面有明显的机械磨损犁沟痕迹，表明在给定的实验条件下，A l。0。T i C复合陶瓷材料的磨损机理主要是脆性脱落和犁沟。图5A l zo。T i c 复合陶瓷材料抛光面与磨损面对比F i g 5P o l i s h i n gs u r f a c ea n dw o r ns u r f a c eo fA 1 20 3 T i Cc o m p o s i t e图6 是A l z 0。T i c 复合陶瓷材料磨损区不同放大倍数下的微观结构。可以清晰地看到磨损区
24、内形貌，图6 a、图6 b 是低倍s E M 照片，可以看出断裂面凹凸不平，是脆性断裂的典型特征。图6 c，图6 d是高倍s E M 照片，从中可以清楚地看到机械磨损犁沟痕迹。A l。0。T i c 复合陶瓷材料经热压后存在一定数量的气孔。由于材料内部气孔的存在，当受外力作用时，气孑L 周围就会产生很大的应力集中而容易产生裂纹。并且气孔作为裂纹源将诱导晶界产生裂纹的可能性增加，当应力达到一定程度时，图6A l。0 3 T i c 复合陶瓷材料样品磨损区表面形貌S E M 照片F i g 6S c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e(S E
25、 M)p h o t o g r a p h so ft h ew o r ns u r f a c e so fA 1 20 3 T i Cc e r a m i c m p o s i t e 万方数据硅酸盐学报裂纹处于不稳定状态而迅速扩展，当裂纹扩展到气孑L 时还将与气孔连通，其结果加速了裂纹扩展。图7 为A l。O。T i C 复合陶瓷材料表面磨损后的气孔及导致的磨损微裂纹。图7 磨损后A l。0 s T i c 复合陶瓷材料表面的气孔及微裂纹F i g 7P o r e sa n dm i c r o c r a c k so nt h es u r f a c eo fw o r
26、nA 1 20 3 T i Cc e r a m i cc o m p o s i t e3结论(1)在给定的试验条件下，A l。O。T i C 复合陶瓷材料与淬火4 5#钢滑动摩擦时，其抗磨能力随转速的提高而明显提高，其摩擦系数有所降低，同时磨损率减少。(2)在转速一定，改变压力载荷的情形下，A l。O。T i C 复合陶瓷材料磨损率几乎没有变化。A 1：0。T i C 复合陶瓷材料的主要磨损机理是机械磨损犁沟、粘着和脆性微脱落。(3)A l。O。T i C 复合陶瓷材料具有良好的综合力学性能，磨损率在高速下较低，耐磨性较好，是制备拉丝模的良好材料。参考文献：1 z H A N GzM，s
27、H E NHs，s u NFH F a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fc h e m i c a Iv a p o rd e p o s i t i o nd i a m o n d c o a t e dd r a w i n gd i e s J D i a mR e l a tM a t e r，2 0 0 1，1 0(1)：3 3 3 8 2 杨学锋，邓建新拉丝模的材质和结构 J 工具技术，2 0 0 4，3 8(8)：6 4 6 9 Y A N GX u e f e n g，D E N GJ i a n x i n T o
28、 o lT e c h n o l(i nC h i n e s e)，2 0 0 4，3 8(8)：6 4 6 9 3 邓建新，艾兴A 1 2 0 s 基陶瓷材料的摩擦磨损特性 J 材料研究学报，1 9 9 7，l l(3)：2 5 2 2 5 8 D E N GJ i a n x i n，A IX i n g C h i nJM a t e rR e s(i nC h i n e s e)，1 9 9 7，1 1(3)：2 5 2 2 5 8 4 邓建新，艾兴，冯益华，等陶瓷刀具切削加工时的磨损和润滑及其与加工对象的匹配研究 J 机械工程学报，2 0 0 2，3 8(4)：4 0 一4 5
29、 D e n gJ i a n x i n，A IX i n g，F E N GY i h u a，e 口Z C h i nJM e c hE n g(i nCh i n e s e)，2 0 0 2，3 8(4)，4 0 一4 5 5 L 0s y w e i，L uY u u n g-H w a w i r ed r a w i n gd i e sw i t hp r e s c r i b e dv a r i a t i o n so fs t r a i nr a t e J JM a t e rP r o cT e c h n o l，2 0 0 2，1 2 3：2 1 2 2
30、1 8 万方数据Al2O3/TiC复合陶瓷拉丝模材料的摩擦磨损性能Al2O3/TiC复合陶瓷拉丝模材料的摩擦磨损性能作者：杨学锋，邓建新，姚淑卿，YANG Xuefeng，DENG Jianxin，YAO Shuqing作者单位：山东大学机械工程学院,济南,250061刊名：硅酸盐学报英文刊名：JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY年，卷(期)：2005,33(12)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.LO Sy-Wei;LU Yuung-Hwa Wire drawing dies with prescribed variations o
31、f strain rate外文期刊2002(2)2.邓建新;艾兴;冯益华 陶瓷刀具切削加工时的磨损和润滑及其与加工对象的匹配研究期刊论文-机械工程学报2002(04)3.邓建新;艾兴 Al2O3基陶瓷材料的摩擦磨损特性 1997(03)4.杨学锋;邓建新 拉丝模的材质和结构期刊论文-工具技术 2004(08)5.ZHANG Z M;SHEN H S;SUN F H Fabrication and application of chemical vapor deposition diamond-coateddrawing dies外文期刊 2001(01)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(
32、10条)1.王凤霞 ZnO掺杂Mg-PSZ的微观结构及其摩擦学性能研究学位论文20072.殷海源.丁祥伟.陈贵山.李文生 R-215二氧化钛性能介绍期刊论文-涂料工业2005,35(1)3.杨学锋.邓建新.Yang Xuefeng.Deng Jianxin 陶瓷拉丝模在稳态拉拔状态下应力应变分析期刊论文-工具技术2005,39(4)4.罗军明.杨刚.万润根 3Y-TZP/Al2O3陶瓷拉拔模材料及应用研究期刊论文-金刚石与磨料磨具工程2002(2)5.胡明.高晶.陈秋华.于海成 磨损工艺对原位自生Al2O3-TiC铝基复合材料摩擦磨损行为的影响会议论文-20096.张冰.曹传宝.翟华嶂.项顼.
33、朱鹤荪 氮化钛复合改善堇青石材料的力学性能期刊论文-硅酸盐学报2004,32(7)7.吕志杰.艾兴.赵军.L Zhijie.Ai Xing.Zhao Jun Si3N4/TiC纳米复合陶瓷的制备、性能及微观结构期刊论文-稀有金属材料与工程2005,34(z1)8.王志义.史献峰.崔作林.WANG Zhi-yi.SHI Xian-feng.CUI Zuo-lin 二氧化钛复合纳米晶耐温性能的研究期刊论文-功能材料2005,36(9)9.于福文.吴玉程.陈俊凌.陈勇.种法力.YU Fu-wen.WU Yu-cheng.CHEN Jun-ling.CHEN Yong.CHONG Fa-li W-1wt%TiC纳米复合材料的组织结构与力学性能期刊论文-中国科学技术大学学报2008,38(4)10.张守全.朱警雷.黄继华.王海涛.张华.赵兴科.ZHANG Shou-quan.ZHU Jing-lei.HUANG Ji-hua.WANG Hai-tao.ZHANG Hua.ZHAO Xing-ke 反应等离子喷涂TiC/Fe涂层的摩擦磨损性能研究期刊论文-材料工程2009(7)引证文献(1条)引证文献(1条)1.石淑云.常立民 周期换向脉冲电沉积纳米Al2O3-Ni复合镀层的摩擦磨损性能期刊论文-电镀与环保 2007(2)本文链接：http:/