纳米结构陶瓷涂层精密磨削的初步分析

刘伟香

(湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006)

纳米结构陶瓷涂层精密磨削的初步分析

刘伟香

(湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006)

近年来纳米结构陶瓷涂层材料得到了广泛应用.本文介绍了纳米结构陶瓷涂层材料的磨削特性,概述了工程陶瓷材料的磨削性能,对纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理进行了初步分析.

纳米结构陶瓷涂层;精密磨削;材料去除机理

随着生产力发展及科学技术进步,各个领域对产品材料的性能要求越来越高,近年来新出现的纳米结构陶瓷涂层材料具有高硬度、高强度、耐高温和耐磨损特性,使其在机械制造、工具行业、电子、计算机、国防、航空航天、地质勘探业等领域得到广泛应用.然而纳米结构陶瓷涂层材料的加工较困难,采用超硬磨料磨削加工成为其最重要加工方法.

纳米结构陶瓷涂层材料要获得更多工业化商业化应用的前提是,其制成的元器件不但其制备加工方法成本要低,效率要高,而且加工后表面质量要好,尺寸精度要高,即要求加工方法经济高效低损伤.因此纳米结构涂层的使用性能不但取决于其纳米结构涂层组装技术,也取决于其后续的精密加工技术.

1 纳米结构陶瓷涂层材料的磨削特性

纳米结构的摩擦磨损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.可磨削性一般通过磨削加工的磨削力、比磨削能、材料去除机理、磨削表面粗糙度、磨削加工后表面/亚表面损伤以及磨削后试件耐磨性等指标来评估.纳米结构涂层材料的物理机械性能及显微结构特性在很大程度上决定了其可磨削性.对陶瓷涂层材料和块材的大量研究表明,有多种磨损机理存在,普遍认为陶瓷材料的耐磨损性能与材料的显微硬度、韧性、显微结构、缺陷种类以及材料硬度和磨料硬度之比有关.

纳米结构陶瓷涂层材料耐磨性能比普通结构陶瓷涂层要高.纳米结构氧化铝/氧化钛复合陶瓷涂层抗磨损性是普通涂层的3～4倍,添加ZrO2到Al2O3/TiO2纳米粉中进行热喷涂,在保持硬度与普通涂层相同的条件下,也大大提高了其抗磨损性能.等离子喷涂的纳米WC/Co涂层在 40～60N的载荷下,其磨损率仅是同条件下普通涂层磨损率的六分之一,其显微结构的变化引起了涂层硬度和韧性的提高,因而也提高了其抗磨损性能.

纳米结构陶瓷涂层材料的抗磨损性能与涂层的硬度并不是简单的线性关系.涂层的抗磨损性能不仅取决于涂层的断裂韧性、弹性模量、摩擦过程中显微结构的变化,还与涂层的密度和涂层的硬度有关.

2 陶瓷材料的磨削概述

磨削加工过程实质就是材料的损伤过程,磨料通过对被加工陶瓷材料的有限度的损伤而实现加工.在一般的磨削加工条件下,陶瓷材料的加工区可分为非弹性变形区和弹性变形区.非弹性区主要以显微塑性变形、微观裂纹、晶粒细化及碎裂的材料粉末化、气孔及疏松区塌坑等为主,弹性区则以微观裂纹、宏观裂纹为主要表现形式.陶瓷的高硬度和高脆性使其磨削加工时容易产生表面/亚表面损伤,这些损伤包括显微裂纹、显微塑性变形、相变、残余应力、晶粒细化及碎裂的材料粉末化、宏观裂纹(中位/径向裂纹和横向裂纹)、气孔及疏松区塌坑等.气孔及疏松区塌坑、宏观裂纹等表面/亚表面损伤将显著地改变材料性能,使其强度降低,甚至使零部件产生破坏性失效.通常磨削条件和材料显微结构及特性对磨削损伤的产生和损伤特征起决定作用.陶瓷材料的高效精密磨削加工的根本目标就是在保持足够的材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大材料去除率.但通过采用大的材料去除率来降低加工成本,又会受到那些导致陶瓷元件强度损失的表面/亚表面损伤所限制.

3 纳米结构陶瓷涂层精密磨削材料去除机理的初步分析

工程陶瓷磨削的材料去除机理有以下三种分类方式:

第一种分类方式,一般文献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)变形去除方式.按这种分类方式,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变形(或塑性)去除方式是共存的,哪种材料去除方式占主导由被加工材料的特性、磨削工艺条件及砂轮特性等因素决定.

第二种分类方式,材料去除机理的三种方式即:延性(或塑性)变形去除方式、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压碎等去除方式.

第三种分类方式,基于材料磨削加工分为非弹性变形区和弹性变形区,把陶瓷磨削的材料去除机理分为两大类,一类是包括塑性变形和材料粉末化等去除方式的非弹性变形去除方式,另一类是包括材料脆性碎裂和材料压碎的脆性去除方式.

在纳米结构陶瓷涂层磨削的材料去除过程中,非弹性变形去除方式和脆性去除方式是共存的,非弹性变形主要是显微塑性变形、材料粉末化等方式,脆性去除方式指材料碎裂和材料压碎等材料去除方式.哪种材料去除方式占主导受磨削工艺条件、被加工材料显微结构和材料特性参数、砂轮特性等控制.

通过对纳米结构陶瓷涂层耐磨性的研究可以得知,在其它磨削条件相同的情况下,纳米结构陶瓷涂层磨削的磨削力将比普通结构陶瓷涂层磨削的磨削力要大.在纳米结构WC/Co涂层磨削的材料去除中,占主导地位的是塑性变形去除方式,磨削表面粗糙度低;而在纳米结构Al2O3/TiO2涂层磨削的材料去除中,占主导地位的是脆性去除方式,磨削表面粗糙度较大.由于纳米结构陶瓷涂层的脆性较大,因而容易产生磨削表面/亚表面损伤.

[1]刘伟香.纳米结构陶瓷涂层的磨削机理[J].机械制造,2007,(10):42～44

[2]刘伟香.纳米陶瓷涂层磨削表面残余应力的研究进展[J].机电工程,2007,(9):19～22

[3]陈 煌,林新华,曾 毅,等.热喷涂纳米陶瓷涂层研究进展[J].硅酸盐学报,2002,30(2):235～239

[4]梁秀兵,邓智昌,许 一,等.热喷涂纳米粉体材料及其涂层制备[J].材料工程,2002:38～41

[5]欧忠文,徐滨士,马士宁.纳米表面工程中的纳米结构涂层组装[J].机械工程学报,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

湖南省教育厅2010年科研项目(10C0762)

刘伟香(1969− ),女,湖南娄底人,硕士,湖南理工学院机械工程学院副教授.主要研究方向:机械设计制造