納米結(jié)構陶瓷涂層精密磨削的初步分析

劉偉香

(湖南理工學院 機械工程學院,湖南 岳陽 414006)

納米結(jié)構陶瓷涂層精密磨削的初步分析

劉偉香

(湖南理工學院 機械工程學院,湖南 岳陽 414006)

近年來納米結(jié)構陶瓷涂層材料得到了廣泛應用.本文介紹了納米結(jié)構陶瓷涂層材料的磨削特性,概述了工程陶瓷材料的磨削性能,對納米結(jié)構陶瓷涂層精密磨削的材料去除機理進行了初步分析.

納米結(jié)構陶瓷涂層;精密磨削;材料去除機理

隨著生產(chǎn)力發(fā)展及科學技術進步,各個領域?qū)Ξa(chǎn)品材料的性能要求越來越高,近年來新出現(xiàn)的納米結(jié)構陶瓷涂層材料具有高硬度、高強度、耐高溫和耐磨損特性,使其在機械制造、工具行業(yè)、電子、計算機、國防、航空航天、地質(zhì)勘探業(yè)等領域得到廣泛應用.然而納米結(jié)構陶瓷涂層材料的加工較困難,采用超硬磨料磨削加工成為其最重要加工方法.

納米結(jié)構陶瓷涂層材料要獲得更多工業(yè)化商業(yè)化應用的前提是,其制成的元器件不但其制備加工方法成本要低,效率要高,而且加工后表面質(zhì)量要好,尺寸精度要高,即要求加工方法經(jīng)濟高效低損傷.因此納米結(jié)構涂層的使用性能不但取決于其納米結(jié)構涂層組裝技術,也取決于其后續(xù)的精密加工技術.

1 納米結(jié)構陶瓷涂層材料的磨削特性

納米結(jié)構的摩擦磨損特性及耐磨性能在很大程度上反映了材料精密磨削的可磨削性.可磨削性一般通過磨削加工的磨削力、比磨削能、材料去除機理、磨削表面粗糙度、磨削加工后表面/亞表面損傷以及磨削后試件耐磨性等指標來評估.納米結(jié)構涂層材料的物理機械性能及顯微結(jié)構特性在很大程度上決定了其可磨削性.對陶瓷涂層材料和塊材的大量研究表明,有多種磨損機理存在,普遍認為陶瓷材料的耐磨損性能與材料的顯微硬度、韌性、顯微結(jié)構、缺陷種類以及材料硬度和磨料硬度之比有關.

納米結(jié)構陶瓷涂層材料耐磨性能比普通結(jié)構陶瓷涂層要高.納米結(jié)構氧化鋁/氧化鈦復合陶瓷涂層抗磨損性是普通涂層的3～4倍,添加ZrO2到Al2O3/TiO2納米粉中進行熱噴涂,在保持硬度與普通涂層相同的條件下,也大大提高了其抗磨損性能.等離子噴涂的納米WC/Co涂層在 40～60N的載荷下,其磨損率僅是同條件下普通涂層磨損率的六分之一,其顯微結(jié)構的變化引起了涂層硬度和韌性的提高,因而也提高了其抗磨損性能.

納米結(jié)構陶瓷涂層材料的抗磨損性能與涂層的硬度并不是簡單的線性關系.涂層的抗磨損性能不僅取決于涂層的斷裂韌性、彈性模量、摩擦過程中顯微結(jié)構的變化,還與涂層的密度和涂層的硬度有關.

2 陶瓷材料的磨削概述

磨削加工過程實質(zhì)就是材料的損傷過程,磨料通過對被加工陶瓷材料的有限度的損傷而實現(xiàn)加工.在一般的磨削加工條件下,陶瓷材料的加工區(qū)可分為非彈性變形區(qū)和彈性變形區(qū).非彈性區(qū)主要以顯微塑性變形、微觀裂紋、晶粒細化及碎裂的材料粉末化、氣孔及疏松區(qū)塌坑等為主,彈性區(qū)則以微觀裂紋、宏觀裂紋為主要表現(xiàn)形式.陶瓷的高硬度和高脆性使其磨削加工時容易產(chǎn)生表面/亞表面損傷,這些損傷包括顯微裂紋、顯微塑性變形、相變、殘余應力、晶粒細化及碎裂的材料粉末化、宏觀裂紋(中位/徑向裂紋和橫向裂紋)、氣孔及疏松區(qū)塌坑等.氣孔及疏松區(qū)塌坑、宏觀裂紋等表面/亞表面損傷將顯著地改變材料性能,使其強度降低,甚至使零部件產(chǎn)生破壞性失效.通常磨削條件和材料顯微結(jié)構及特性對磨削損傷的產(chǎn)生和損傷特征起決定作用.陶瓷材料的高效精密磨削加工的根本目標就是在保持足夠的材料表面完整性和尺寸精度的同時獲得最大材料去除率.但通過采用大的材料去除率來降低加工成本,又會受到那些導致陶瓷元件強度損失的表面/亞表面損傷所限制.

3 納米結(jié)構陶瓷涂層精密磨削材料去除機理的初步分析

工程陶瓷磨削的材料去除機理有以下三種分類方式:

第一種分類方式,一般文獻所指出的工程陶瓷磨削存在脆性去除方式和延展性(或塑性)變形去除方式.按這種分類方式,脆性去除方式包括了材料粉末化去除方式.脆性去除方式和延性變形(或塑性)去除方式是共存的,哪種材料去除方式占主導由被加工材料的特性、磨削工藝條件及砂輪特性等因素決定.

第二種分類方式,材料去除機理的三種方式即:延性(或塑性)變形去除方式、粉末化去除方式和脆性去除方式.而脆性去除方式包括了材料脆性碎裂和材料壓碎等去除方式.

第三種分類方式,基于材料磨削加工分為非彈性變形區(qū)和彈性變形區(qū),把陶瓷磨削的材料去除機理分為兩大類,一類是包括塑性變形和材料粉末化等去除方式的非彈性變形去除方式,另一類是包括材料脆性碎裂和材料壓碎的脆性去除方式.

在納米結(jié)構陶瓷涂層磨削的材料去除過程中,非彈性變形去除方式和脆性去除方式是共存的,非彈性變形主要是顯微塑性變形、材料粉末化等方式,脆性去除方式指材料碎裂和材料壓碎等材料去除方式.哪種材料去除方式占主導受磨削工藝條件、被加工材料顯微結(jié)構和材料特性參數(shù)、砂輪特性等控制.

通過對納米結(jié)構陶瓷涂層耐磨性的研究可以得知,在其它磨削條件相同的情況下,納米結(jié)構陶瓷涂層磨削的磨削力將比普通結(jié)構陶瓷涂層磨削的磨削力要大.在納米結(jié)構WC/Co涂層磨削的材料去除中,占主導地位的是塑性變形去除方式,磨削表面粗糙度低;而在納米結(jié)構Al2O3/TiO2涂層磨削的材料去除中,占主導地位的是脆性去除方式,磨削表面粗糙度較大.由于納米結(jié)構陶瓷涂層的脆性較大,因而容易產(chǎn)生磨削表面/亞表面損傷.

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[2]劉偉香.納米陶瓷涂層磨削表面殘余應力的研究進展[J].機電工程,2007,(9):19～22

[3]陳 煌,林新華,曾 毅,等.熱噴涂納米陶瓷涂層研究進展[J].硅酸鹽學報,2002,30(2):235～239

[4]梁秀兵,鄧智昌,許 一,等.熱噴涂納米粉體材料及其涂層制備[J].材料工程,2002:38～41

[5]歐忠文,徐濱士,馬士寧.納米表面工程中的納米結(jié)構涂層組裝[J].機械工程學報,2002,38(6):5～10

A Preliminary Analysis of Precision Grinding about Nano-structured Ceramic Coating

LIU Wei-xiang
(College of Mechanical Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

In recent years,nano-structured ceramic coating material has been widely applied.This paper introduced its grinding characteristics,summaried the grinding performance of engineering ceramics.The material removal mechanism of nano-structured ceramic coating in precision grinding was also preliminary analyzed.

nano-structured ceramic coating;precision grinding;material removal mechanism

TH161+.1

A

1672-5298(2011)01-0079-02

2010-12-02

湖南省教育廳2010年科研項目(10C0762)

劉偉香(1969? ),女,湖南婁底人,碩士,湖南理工學院機械工程學院副教授.主要研究方向:機械設計制造