中文摘要：

针对目前自润滑刀具减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的难题，提出纳微米复合与固体润滑剂的梯度复合协同改性新技术一方面通过采用固体润滑剂的梯度复合技术对陶瓷刀具材料复合体系进行剪裁设计，控制固体润滑剂含量从刀具材料表面到内部逐渐降低，实现刀具材料从表面良好的自润滑性能到内部良好的力学性能的梯度过渡；另一方面通过添加适当的纳米颗粒，借助纳米复合陶瓷的强韧化机制改善刀具材料的力学性能；二者协同作用，共同改善刀具的摩擦磨损性能，从而研制开发兼具高减摩和耐磨性能的新型纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具。通过建立刀具设计的物理模型、组成分布模型、残余热应力模型以及刀具工作应力的热-力耦合模拟模型，融合并建立面向高速切削的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的设计理论。通过对纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具在摩擦磨损实验与高速切削时的摩擦学特性研究，揭示其减摩与耐磨机理。

结论摘要：

自润滑刀具技术是高速切削技术的主要研究领域之一。本课题针对目前自润滑刀具减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的难题，提出了纳微米复合与固体润滑剂的梯度复合协同改性新技术，建立了刀具设计的物理模型、组成分布模型、残余热应力模型以及刀具工作应力的热-力耦合模拟模型，并进行了有限元模拟计算，提出了多元功能梯度材料的组成分布模型及组成分布函数，融合并建立了面向高速切削的纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具的设计理论。这样，一方面通过采用固体润滑剂的梯度复合技术对陶瓷刀具材料复合体系进行剪裁设计，控制固体润滑剂含量从刀具材料表面到内部逐渐降低，实现刀具材料从表面良好的自润滑性能到内部良好的力学性能的梯度过渡，另一方面通过添加TiB2和CaF2纳米颗粒，借助纳米复合陶瓷的强韧化机制改善刀具材料的力学性能。基于二者的协同作用，研制开发了兼具高减摩和耐磨性能的系列新型纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具。所研制的Al2O3/(W,Ti)C/CaF2微米复合多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度、硬度和断裂韧性分别比对应的均质材料提高了；Al2O3/TiC/CaF2多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的抗弯强度、硬度和断裂韧性分别比对应的均质材料提高了21%、16%和5.9%。所研制的TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料与相应均质刀具材料相比，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别提高了15.8%、6.7%和11.1%。制备了添加纳米CaF2的Al2O3/(W,Ti)C/CaF2和Al2O3/TiC/CaF2纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具材料，其抗弯强度、断裂韧性和硬度分别达到745 MPa、7.66 MPa？m1/2、19.57 GPa和865 MPa、6.73 MPa？m1/2、17.12 GPa，比相应均质材料提高了约74%、3.9%、5.0%和19.8%、6.7%和2.8%。分析了固体润滑剂CaF2和h-BN及其梯度分布对自润滑陶瓷材料摩擦磨损性能的影响，揭示了CaF2和h-BN在高温下由脆性向塑性转变并拖覆于摩擦表面形成自润滑膜，摩擦系数约为0.12~0.25，磨损率也明显降低，实现了良好的减摩耐磨效果。所研制的自润滑陶瓷刀具切削性能明显改善，表面粗糙度明显降低，刀具在整个生命周期内始终具有自润滑功能。