碳化钛基陶瓷拉丝模的研究开发及其相关基础理论研究

论文摘要

本文研制开发出具有高硬度和耐磨性的碳化钛（TiC）基陶瓷拉丝模，并对其材料设计、受力分析、制备关键技术、拉丝试验平台的设计和损坏机理进行了深入系统的研究。 以TiC作为基体，添加Al2O3和微量金属，采用热压烧结工艺，研制成功具有高硬度及耐磨性的TiC基陶瓷拉丝模材料。结果表明：当Al2O3含量为20wt．％时，TiC基陶瓷拉丝模材料的综合物理机械性能最佳，抗弯强度为889MPa，硬度为19.1GPa，断裂韧性为7.74MPa·m1／2。研究了烧结工艺参数对TiC基陶瓷拉丝模材料力学性能的影响规律，制定出TiC基陶瓷拉丝模材料的最佳工艺参数为：烧结温度为1700℃，烧结压力为30 MPa，保温10min。 建立了TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工中的受力分析模型，得到TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工中承受的拉拔力。当拉拔线材为65Mn，直径由4.5mm压缩到4mm，压缩比为21％时，拉拔力最大值位于拉丝模定径区出口位置，其大小为4219.52N。 建立了TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工中的有限元分析模型，对拉拔加工过程进行仿真，得出TiC基陶瓷拉丝模在拉拔加工过程中的应力分布规律，结果表明：拉丝模轴向应力最大值为317MPa，径向应力值为2030MPa，主应力最大值为316MPa。研究了工作区锥角对TiC基陶瓷拉丝模应力的影响规律，结果表明：TiC基陶瓷拉丝模的最佳工作锥角为7°，且压缩比越大，对应的工作区锥角越大。 设计出适合制备TiC基陶瓷拉丝模的石墨模具，分析拉丝模的研磨工艺，探索出一套适合TiC基陶瓷拉丝模的制备方法，即：用0.5μmB4C微粒作为磨料，铸铁作为研磨工具，机油作为加工剂，采用机械手动相结合的研磨方法对TiC基陶瓷拉丝模进行研磨加工可以起到良好的研磨效果。 理论推导TiC基陶瓷拉丝模与钢套之间的过盈量为15.7～72.4μm之间，推导

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究目的与意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 拉丝模的基本结构
• 1.2.2 拉丝模材料的研究现状
• 1.2.3 拉丝模的结构优化研究现状
• 1.2.4 拉丝模加工技术现状
• 1.2.5 拉拔加工及拉丝模磨损研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 碳化钛基陶瓷拉丝模材料制备、物理机械性能与微观结构
• 2.1 改善拉丝模拉拔性能的途径
• 2.1.1 拉拔加工的工作特点
• 2.1.2 改善拉丝模工作性能的途径
• 2.2 陶瓷拉丝模材料的设计原则
• 2.2.1 组分设计原则
• 2.2.2 与被拉拔线材的合理匹配原则
• 2.2.3 提高陶瓷拉丝模耐磨性原则
• 2.3 陶瓷拉丝模材料的化学相容性分析与计算
• 2O₃的极限体积含量'>2.4 TiC基陶瓷拉丝模材料Al₂O₃的极限体积含量
• 2.5 TiC基陶瓷拉丝模材料的制备
• 2.5.1 原料的处理
• 2.5.2 制备工艺
• 2.6 性能测试
• 2.6.1 相对密度的测定
• 2.6.2 维氏硬度的测量
• 2.6.3 抗弯强度的测定
• 2.6.4 断裂韧性的测定
• 2.6.5 摩擦系数及耐磨性测定
• 2.7 TiC基陶瓷拉丝模材料的物理机械性能及微观结构
• 2.7.1 TiC基复合陶瓷拉丝模材料的物理机械性能
• 2.7.2 微观结构
• 2.8 本章小结
• 第3章 碳化钛基陶瓷拉丝模设计理论及有限元仿真
• 3.1 TiC基陶瓷拉丝模的结构及其受力分析
• 3.1.1 线材受力计算
• 3.1.2 拉拔加工中的拉丝模受力分析
• 3.2 TiC基陶瓷拉丝模拉拔过程有限元仿真
• 3.2.1 TiC基陶瓷拉丝模拉拔过程几何建模
• 3.2.2 TiC基陶瓷拉丝模网格划分
• 3.2.3 TiC基陶瓷拉丝模拉拔过程中的材料属性及边界条件
• 3.2.4 TiC基陶瓷拉丝模约束条件的建立
• 3.2.5 TiC基陶瓷拉丝模与线材之间摩擦副的建立及其相对运动过程
• 3.2.6 TiC基陶瓷拉丝模有限元计算求解及结果分析
• 3.2.7 TiC基陶瓷拉丝模不同工作区锥角下应力最大值分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 碳化钛基陶瓷拉丝模的制备工艺和关键技术
• 4.1 TiC基陶瓷拉丝模的模具设计
• 4.1.1 陶瓷材料的加工特性
• 4.1.2 TiC基陶瓷拉丝模模具设计
• 4.1.3 TiC基陶瓷拉丝模内孔形状的体现
• 4.2 TiC基陶瓷拉丝模内孔精密研磨加工
• 4.3 TiC基陶瓷拉丝模热装配钢套的关键技术与工艺
• 4.3.1 TiC基陶瓷拉丝模与钢套热装配过盈量的设计与计算
• 4.3.2 热装配钢套的设计
• 4.3.3 钢套加热温度的计算
• 4.3.4 TiC基陶瓷拉丝模的钢套的热装配
• 4.4 TiC基陶瓷拉丝模的主要性能指标的测定
• 4.5 本章小结
• 第5章 碳化钛基陶瓷拉丝模拉拔试验平台设计及拉拔试验
• 5.1 拉拔试验平台的设计
• 5.2 拉拔线材时工况条件分析
• 5.2.1 采用不同润滑剂时拉拔力的变化
• 5.2.2 采用不同拉拔速度时拉拔力的变化
• 5.3 TiC基陶瓷拉丝模拉拔加工中润滑机理
• 5.4 本章小结
• 第6章 碳化钛基陶瓷拉丝模的损坏机理分析
• 6.1 TiC基陶瓷拉丝模的损坏形式及其影响因素
• 6.1.1 TiC基陶瓷拉丝模的整体破损
• 6.1.2 TiC基陶瓷拉丝模的局部破损
• 6.2 TiC基陶瓷拉丝模的磨损特性研究
• 6.2.1 TiC基陶瓷拉丝模入口区微观形貌
• 6.2.2 TiC基陶瓷拉丝模入口区和工作区交界处微观形貌
• 6.2.3 TiC基陶瓷拉丝模工作区微观形貌
• 6.2.4 TiC基陶瓷拉丝模定径区微观形貌
• 6.2.5 TiC基陶瓷拉丝模定径区和出口区交界处微观形貌
• 6.2.6 TiC基陶瓷拉丝模出口区微观形貌
• 6.3 TiC基陶瓷拉丝模的磨损机理
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢