滑动摩擦拖覆自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具及其减摩抗磨性能研究

拉拔加工中，模具与线材接触区存在高温高压滑动摩擦，模具磨损严重，导致线材机械性能及表面质量下降。在耐磨性研究方面，模具的耐磨性与材料硬度、韧性及润滑密切相关。课题组前期研究观察到在氧化铝基复合陶瓷材料中添加固体润滑剂具有自润滑效应但常伴有机械性能降低。因此，课题组设想采用固体润滑材料结合硬度和耐磨性优良的复合陶瓷材料制备自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具，在拉拔加工高温高压工况下，在摩擦副形成滑动摩擦拖覆自润滑膜，起到减摩抗磨作用，提高线材表面质量及尺寸精度。课题拟在陶瓷摩擦学、表面工程学及模具制备技术等基础理论指导下，采用热压烧结实验、摩擦磨损实验及拉拔实验等实验方法结合计算机数值仿真分析来进行以下工作：1. 研究复合叠层陶瓷摩擦表面自润滑设计理论及方法；2. 系统分析自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具减摩抗磨性能及自润滑效应；3. 详细研究自润滑复合叠层拉拔模具制备关键技术。

拉拔加工中，模具与线材接触区处于高温高压状态，剧烈的摩擦磨损导致模具磨损严重，进而引起被加工线材出现机械性能及表面质量下降的状况。项目结合仿生摩擦学、表面工程学及陶瓷材料的物理化学性能等基础理论以及拉拔模具在拉拔加工中的受力情况，采用具有优良机械性能的Al2O3-TiC陶瓷材料和具有自润滑特性的Al2O3-TiC-CaF2陶瓷材料进行分层叠加，通过真空热压烧结办法制备出Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具。在高温高压摩擦力的驱动下使固体润滑剂CaF2微粒吸附在摩擦副表面，形成吸附补偿层，填平表面磨损后形成的微坑和损伤部位，在表面形成一层平整、光滑的自润滑层，增大摩擦对偶实际接触面积，减小压应力，使模具整体具有减摩抗磨效果。对制备的Al2O3-TiC/ Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具材料进行物理机械性能实验，摩擦磨损实验，并进行显微结构分析。结果发现：叠层试样具有较高的相对密度、硬度和断裂韧性等，试样的抗弯强度在平行于叠层和垂直于叠层方向上的值差别不大，试样整体性较好，力学性能均匀，克服了弱叠层陶瓷材料各向异性的缺点；Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷试样的平均断裂韧性值较Al2O3-TiC-CaF2 单体材料有所提高，层间残余应力的存在使其增韧的主要原因；Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷试样层间断面存在裂纹偏转，各单层材料断裂时以穿晶断裂为主，对于提高其整体的机械性能具有重要作用。由于摩擦过程中的“拖覆”作用，Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷材料中的Al2O3-TiC材料层黏附有固体润滑剂CaF2，叠层陶瓷试样整体表现出自润滑特性；Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷材料的摩擦系数和磨损率随着实验载荷和转速的升高逐渐下降，试样具有相对平衡的摩擦系数和磨损率，摩擦磨损性能较好；Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷材料的磨损机制主要是磨粒磨损和黏着磨损，Al2O3-TiC材料层的磨损形式主要是黏着磨损。叠层数目为5，层厚比为1:1时，Al2O3-TiC/Al2O3-TiC-CaF2自润滑复合叠层陶瓷拉拔模具具有较高的机械性能。