Y-TZP/Al2O3陶瓷磨削性能和耐磨性的研究

论文摘要

先进结构陶瓷Y-TZP/Al2O3复相材料具有优良的力学性能和耐磨蚀性,作为油田钻井泵用缸套,其耐磨性已远远超过金属缸套,但是要想扩大应用,还需继续提高其耐磨性及降低制备成本。本文以油田钻井泵用Y-TZP/Al2O3陶瓷缸套为研究背景,通过模拟缸套实际工况下的磨损过程并和陶瓷的磨削加工过程进行对比分析,研究了磨削性能—材料力性—显微结构—耐磨性之间的联系,找出了影响Y-TZP/Al2O3陶瓷磨削性能和低磨损条件下耐磨性的主要因素。Y-TZP/Al2O3陶瓷的磨削实验结果表明,材料需要的磨削力主要受组成和显微结构影响,组成不同的材料,尽管力学性能相似,但是其磨削性能却显著不同;对于组成相同的Y-TZP/Al2O3陶瓷,材料的硬度对磨削力有直接的影响,硬度越大,需要的磨削力越大,比磨削能越大。陶瓷材料的脆性指数会影响试样磨削后的表面完整性,脆性指数越高,表面完整性越差。模拟缸套实际工况下的磨损过程表明,Y-TZP/Al2O3陶瓷的磨损属于低磨损,磨损方式主要为磨粒磨损,主要磨损机理为微断裂和脆性剥落,材料的磨损过程为:高周疲劳→塑性变形→微裂纹产生→微裂纹扩展→微断裂→脆性剥落→晶粒脱落。实验结果也表明,Y-TZP/Al2O3陶瓷的磨削性能和耐磨性主要受到硬度的影响,硬度越高,需要的磨削力越大,其耐磨性越好。对Y-TZP/Al2O3陶瓷的磨削过程和磨损过程对比分析发现,二者都符合压痕断裂力学模型,材料的受力状态和去除机理比较相似,从理论上肯定了陶瓷磨削过程和陶瓷缸套磨损过程的可比拟性,因此可以通过Y-TZP/Al2O3陶瓷的磨削力来判断其耐磨性。通过将Al2O3的加入量由12vol%提高至35-50vol%,研究了Al2O3含量对Y-TZP/Al2O3陶瓷力学性能和显微结构的影响。结果表明在少量（1-2wt%）MgO-Al2O3-SiO2系助烧剂参与下,添加35-45vol%的Al2O3,可得致密的Y-TZP/Al2O3复相陶瓷,和Al2O3含量为12vol%的Y-TZP/Al2O3陶瓷相比,力学性能基本持平;当Al2O3含量增加至50vol%,助烧剂加入量为4wt%时,制品的力性显著下降。以高铬铸铁为对磨材料,水润滑下往复摩擦磨损实验表明,Al2O3含量为35vol%时,试样的耐磨性最好,当Al2O3含量超过或不足35vol%时,试样的耐磨性均呈下降趋势。因此,将Y-TZP/Al2O3复相陶瓷中Al2O3的含量进一步增加到35vol%,可以提高制品的耐磨性,并降低制备成本。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 氧化锆的晶体结构及其种类
• 2.2 TZP陶瓷材料
• 2.2.1 Y-TZP 陶瓷材料
• 2O₃陶瓷'>2.2.2 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷
• 2.2.3 非相变第二相颗粒增韧补强
• 2.3 陶瓷磨削加工技术的研究进展
• 2.3.1 磨削概述
• 2.3.2 先进陶瓷磨削加工
• 2.4 先进结构陶瓷的摩擦磨损研究进展
• 2.4.1 陶瓷材料的表面特性
• 2.4.2 内部因素对结构陶瓷摩擦磨损特性的影响
• 2.4.3 外部因素对结构陶瓷摩擦磨损特性的影响
• 2.5 本课题的研究内容
• 第三章 实验设计和研究方法
• 3.1 实验方案设计
• 3.2 实验材料
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 试样的制备
• 3.3 实验研究方法
• 3.3.1 材料物理机械性能
• 3.3.2 磨削和磨损实验
• 3.3.3 物相分析
• 3.3.4 显微结构分析及表面粗糙度测试
• 3.3.5 晶粒尺寸的测量
• 2O₃陶瓷的磨削性能'>第四章 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷的磨削性能
• 4.1 引言
• 2O₃陶瓷磨削性能分析'>4.2 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷磨削性能分析
• 4.2.1 试样的磨削力分析
• 4.2.2 试样的磨削力比（Fn/Ft）分析
• 4.3 试样的比磨削能分析
• 4.4 材料表面粗糙度及表面三维轮廓分析
• 4.5 材料磨削机理分析
• 4.6 本章小结
• 2O₃陶瓷磨损过程的研究'>第五章 模拟实际工况下Y-TZP/Al₂O₃陶瓷磨损过程的研究
• 5.1 引言
• 5.2 ANSYS软件分析缸套和活塞的受力状态及磨损参数的确定
• 2O₃陶瓷的耐磨性及磨损机理'>5.3 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷的耐磨性及磨损机理
• 5.3.1 试样的耐磨性
• 2O₃陶瓷磨损机理分析'>5.3.2 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷磨损机理分析
• 2O₃陶瓷耐磨性的因素'>5.4 影响Y-TZP/Al₂O₃陶瓷耐磨性的因素
• 5.4.1 力学性能对耐磨性的影响
• 5.4.2 材料的显微结构对耐磨性的影响
• 5.4.3 相组成及t? m 相变对耐磨性的影响
• 2O₃陶瓷磨削过程和磨损过程对比研究'>5.5 Y-TZP/Al₂O₃陶瓷磨削过程和磨损过程对比研究
• 5.5.1 磨削过程分析
• 5.5.2 磨损过程分析
• 5.5.3 磨削过程和磨粒磨损过程的对比分析
• 5.6 本章小结
• 2O₃含量对Y-TZP/Al₂O₃陶瓷耐磨性的影响'>第六章 Al₂O₃含量对Y-TZP/Al₂O₃陶瓷耐磨性的影响
• 6.1 引言
• 2O₃含量对Y-TZP/Al₂O₃陶瓷耐磨性的影响'>6.2 Al₂O₃含量对Y-TZP/Al₂O₃陶瓷耐磨性的影响
• 2O₃含量的Y-TZP/Al₂O₃陶瓷力学性能对耐磨性的影响'>6.2.1 不同Al₂O₃含量的Y-TZP/Al₂O₃陶瓷力学性能对耐磨性的影响
• 2O₃含量的Y-TZP/Al₂O₃陶瓷显微结构对耐磨性的影响'>6.2.2 不同Al₂O₃含量的Y-TZP/Al₂O₃陶瓷显微结构对耐磨性的影响
• 2O₃和Z102间晶界强度'>6.2.3 Al₂O₃和Z102间晶界强度
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢