氧化锆基高铝球石工模具材料研制及其应用基础

　　工模具对高铝球石材料的要求，从提高高铝球石工模具材料的综合力学性能出发，采用纳米复合方法制备出具有较高综合力学性能的高铝球石工模具材料。从热压烧结工艺、微观结构及其与力学性能的关系等方面，系统研究了高铝球石工模具材料的增韧补强机理，发现晶内/晶间混合型的微观结构和穿晶/沿晶混合断裂模式，是高铝球石工模具材料强韧化提高的主要原因。根据胶体化学理论中的悬浮液的稳定机制，采用起空间位阻稳定作用的PEG为分散剂，对不同的高铝球石粉体进行了液相分散研究，通过优化PEG分散剂的分子量、加入量以及悬浮液的pH值等参数，结合超声分散及机械搅拌工艺，得到了分散均匀的纳米粉体及其混合粉体的稳定悬浮液。

　　研究和分析了材料吸水现象，得出在ZrO2相变等因素的作用下，高铝球石材料表面和内部出现的大量微裂纹及其某些不致密结构产生毛细管作用，造成了吸水现象，是材料吸水的原因所在。通过对组分的优化和在最优组分的热压烧结后期对材料进行保压处理，成功解决了材料吸水问题。探讨了组分含量、烧结工艺对高铝球石工模具材料微观结构和力学性能的影响，研制成功了高铝球石工模具材料ZrO2/Ti(C7N3)，其抗弯强度为1152MPa、断裂韧性为8.42MPa·m~(1/2)、硬度13.09GPa。与单一的纳米ZrO2高铝球石材料相比，其抗弯强度和断裂韧性都得到大幅提高。在致密的烧结高铝球石中，纳米Ti(C7N3)与纳米ZrO2形成了典型的晶内/晶间混合型结构，裂纹从晶间到晶内再到晶间的路径扩展，消耗了更多的断裂能，形成了沿晶/穿晶混合的断裂模式，是其综合力学性能得到较大提高的主要原因。裂纹偏转和桥联及裂纹分支和颗粒拔出，是复合材料韧性提高的表现。

　　对高铝球石工模具材料进行了摩擦磨损性能实验研究，并对其磨损表面微观形貌进行了观察和分析，探讨了ZrO2/Ti(C7N3)高铝球石工模具材料的磨损机理。单相纳米ZrO2高铝球石的磨损机理为脆性断裂和磨粒磨损，ZrO2/Ti(C7N3)高铝球石工模具材料的磨损机理为机械冷焊、塑性变形和磨粒磨损。分析了ZrO2/Ti(C7N3)高铝球石刀具的磨损形貌和磨损机理，其主要磨损机理是磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损。

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