PDF《及其有限元分析》

第26 卷第6期 摩擦学学报Vol 26, No

6 2006 年11月TR I BOLOGY Nov,

2006 Al2 O3 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、 Ti(C,N)和SiCw 3种Al2O3 基陶瓷刀具材料作为研究对象 ,在MRH2 3型高速环

2 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 l2O3 /SiCw >A l2O3 /Ti(C, N) >A l2O3 /TiC. A l2O3 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 ( KI C )有关 ,磨损率 W 随E/H增加而增大 ,随KI C增加而减小. A l2O3 /TiC陶 瓷刀具材料的磨损机理以粘着磨损为主 ,A l2O3 /Ti(C,N)和Al2O3 /SiCw 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 :

10042 0595 (2006)

062 05662

04 A l2 O3 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Al2 O3 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 l2 O3 陶瓷增韧补强的方法 , 制备出多种高性能 A l2 O3 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 l2 O3 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Al2 O3 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Al2 O3 /TiC、 A l2 O3 /Ti ( C, N ) 和Al2 O3 /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Al2 O3 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 MRH2 3型高速 环2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 echan ical properties of three Al2O3 2based ceram ic materials Materials Fracture toughness/MPa・m1 /2 Flexure strength /MPa Hardness/GPa Elastic modulous/GPa Al2O3 /TiC 4.

9 825 21.

1 440 Al2O3 /Ti(C,N) 5.

25 845 21.

3 425 Al2O3 /SiCw 8.

5 780 21.

1 400 YG8摩擦副的摩擦磨损性能 ,上试样为 3种陶瓷块 , 尺寸为

15 mm *

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150 N, 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50275088). 收稿日期 :

20052 122 13;

修回日期 :

20062 042

20 /联系人邢书明 , e2 mail: 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