（机械制造及其自动化专业论文）纳米结构wcco涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 纳米结构w c c o 涂层材料是近年来国内外迅速发展的一种新型的工程材 料，其优良的性能如高硬度、高耐磨性、低孔隙率、抗氧化以及抗腐蚀等，使其 在工程上有着极其广泛的应用前景。本文对纳米结构w c c o 涂层精密磨削的磨 削机理和磨削后的材料耐磨性能进行了研究。通过实验、理论建模和分析，揭示 了纳米结构w c c o 涂层精密磨削机理及磨损机理，并分析了磨削工艺参数对磨 削后材料耐磨性能影响规律。目前国内外对纳米结构w c c o 涂层材料磨削后的 耐磨性能研究尚少，这方面所进行的研究工作具有一定的理论价值与实用价值。 论文首先在文献综述的基础上对纳米结构陶瓷涂层精密磨削的基础理论进 行了初步的分析，对陶瓷及陶瓷涂层材料的摩擦磨损性能研究概况和研究方法做 了简单的介绍。本文根据研究目的提出了研究方案，对纳米结构w c c o 涂层精 密磨削和磨损实验研究方案进行了详细的介绍。 本文采用卧矩台平面磨床对热喷涂纳米结构w c c o 涂层精密磨削过程进行 了较详细的实验研究，分析了磨削参数如砂轮深度、工件进给速度、砂轮特性等 对纳米结构w c c o 涂层材料磨削表面粗糙度的影响规律。研究表明：磨削表面 粗糙度随工件进给速度和磨粒尺寸的增加而增加，而随磨削深度先降低后增大， 磨粒尺寸对表面粗糙度影响最大，相同磨粒大小的砂轮，陶瓷结合剂砂轮比树脂 结合剂砂轮加工出的试件表面粗糙度要好。纳米结构w c c o 涂层磨削时材料去 除机理主要是以塑性变形为主的非弹性变形方式，脆性去除方式极少。 本文随后对磨削后的试件与淬火4 5 钢组成的摩擦对偶副进行了销盘式摩擦 磨损实验研究，对试件磨损率进行评估，对磨削工艺参数对磨削后纳米结构 w c c o 涂层耐磨性能的影响规律进行了分析并建立数学模型。研究表明：磨后 试件磨损率随砂轮磨削深度、工件进给速度、磨粒尺寸的增加而增加，陶瓷结合 剂砂轮加工出的工件其耐磨性能比树脂结合剂砂轮的要好。磨削后的试件表面粗 糙度对试件磨损率有一定影响。对试件的检测分析认为纳米结构w c c o 涂层的 主要磨损机理是粘着磨损，也有磨料磨损，属二体磨料磨损，不存在疲劳磨损和 微动磨损。 关键词：纳米结构w c c o 涂层；磨削机理；磨损机理；实验研究；建模 l i 纳米结构w c c o 涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究 a bs t r a c t n a n o s t r u c t u r e dw c c oc o a t i n gi san o v e lt y p eo fe n g i n e e r i n gm a t e r i a lt h a th a v e b e e nd e v e l o p e dw i d e l yi nh o m ea n da b o a r di nr e c e n ty e a r s ，i t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s s u c ha sh i g hh a r d n e s s ，h i g hr e s i s t a n c et oa b r a s i o n ，l o wp o r e - r a t e ，a n t i - o x i d a t i o n m a k ei th a v ev e r ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e si ne n g i n e e r i n g t h i sp a p e r d e a l sw i t ht h ep r e c i s i o ng r i n d i n gm e c h a n i s m sa n dt h ew e a rp e r f o r m a n c eo fg r o u n d s a m p l e sf o rn a n o s t r u c t u r e dw c c oc o a t i n g i tp u tf o r w a r dt h eg r i n d i n gm e c h a n i s m s a n dw e a rm e c h a n i s m so fn a n o a t r u c t u r e dw c c oc o a t i n g st h r o u g he x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n da n a l y s i s l i t t l er e s e a r c ho nt h ew e a r p e r f o r m a n c eo fg r o u n dn a n o s t r u c t u r e dw c c oc o a t i n gh a sd o n ei nh o m ea n da b r o a d t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sr e g a r dh a sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h i s p a p e rf i r s t l yp u t s f o r w a r dt h e p r e l i m i n a r ya n a l y s i sf o rg r i n d i n g m e c h a n i s m so fn a n o a t r u c t u r e dc e r a m i cc o a t i n g s ，a n di n t r o d u c e st h es u m m a r i z a t i o n o fc e r a m i cw e a rp e r f o r m a n c ea n dr e l a t e dr e s e a r c hm e t h o d sb a s e do nt h el i t e r a t u r e r e v i e w s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha i m ，i tp u t sf o r w a r dt h es c h e m ea n dd e t a i l e d l y i n t r o d u c e st h es c h e m ef o rt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y i n g r i n d i n g a n dw e a ro f n a n o a t r u c t u r e dw c c oc o a t i n g t h i sp a p e rc a r r i e so u td e t a i le x p e r i m e n tf o rt h ep r e c i s i o ng r i n d i n gp r o c e s so f t h e r m a l l ys p r a y e dn a n o s t r u c t u r e dw c c oc o a t i n gw i t hh o m e m a d ed i a m o n dg r i n d i n g w h e e l si ns u r f a c eg r i n d e r i ta n a l y z e sh o wt h eg r i n d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sg r i n d i n g d e p t h ，f e e d r a t eo fw o r k p i e c e ，g r i n d i n gw h e e lc h a r a c t e r i s t i c i n f l u e n c eo ng r o u n d s u r f a c er o u g h n e s s i tt u r n so u tt h a ts u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s ew i t hf e e d r a t eo f w o r k p i e c ea n dg r a i ns i z e ，w i t ht h eg r i n d i n gd e p t hi n c r e a s e ，s u r f a c er o u g h n e s s d e c r e a s ef i r s t l ya n d a n dt h e ni n c r e a s e t h el a r g e s tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h es u r f a c e r o u g h n e s si sg r a i ns i z e s u r f a c er o u g h n e s so ft h es a m p l e sg r o u n d b yt h ev i t r i f i e d g r i n d i n gw h e e li s b e t t e rt h a nb yr e s i n o i dg r i n d i n gw h e e l t h em a t e r i a lr e m o v a l m e c h a n i s m si sm o s t l yi n e l a s t i cd e f o r m a t i o n ，w h i c hi sp r i m a r i l yp l a s t i cd e f o r m a t i o n ， b r i t t l er e m o v a li sl i t t l e s u b s e q u e n t l yf r i c t i o n a l a n dw e a rt e s t so ft h eg r o u n ds a m p l e sw h i c hm a t c h q u e n c h i n g4 5s t e e lh a v ed o n eb yp i n - d i s kt y p e i ti se v a l u a t et h ew e a rr a t eo ft h e s a m p l e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fg r i n d i n gp a r a m e t e r so nt h ew e a r p e r f o r m a n c eo fg r o u n dn a n o s t u c t u r e dw c c oc o a t i n ga n de s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sb a s e do nt h ew e a re x p e r i m e n t a ld a t a i tt u r n so u tt h a tt h ew e a r r a t eo fg r o u n ds a m p l e si n c r e a s ew i t hg r i n d i n gd e p t ha n df e e d r a t eo fw o r k p i e c ea n d i i i g r a i ns i z e w e a rr a t eo ft h es a m p l e sg r o u n db yt h ev i t r i f i e dg r i n d i n gw h e e li sb e t t e r t h a nb yr e s i n o i dg r i n d i n gw h e e l g r o u n ds u r f a c er o u g h n e s sh a sc e r t a i ni n f l u e n c eo n w e a rr a t e b a s eo nc a r e f u l l ym e a s u r e da n da n a l y z e d ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h ew e a r m e c h a n i s m so fn a n o s t r u c t u r e dw c c oc o a t i n gi sa d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a r w h i c hb e l o n gt ot w o b o d ya b r a s i v ew e a r ，f a t i g u ea n dj i g g l yw e a rn e v e re x i s t k e y w o r d s ： n a n o s t r u c t u r e dw c c o c o a t i n g ；g r i n d i n gm e c h a n i s m s ； w e a r m e c h a n i s m s ；e x p e r i m e n t a li n v e s t 主g a t i o n ；m o d e l i n g w 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名和垮 日期：上4 锈一月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 扫泠 叩辋呼 日期：) 0 年j 月9 日 日期：洲年s 月罗日 碗士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章绪言 高性能陶瓷涂层是继有机树脂涂层、金属及合金涂层之后涌现出来的一大 类菲金属无桩涂层，随着宇航、电子、军工等尖端科技的发晨，近半个世纪，特 别是2 0 世纪9 0 年代以来，得到了持续高速的发展。美国在2 0 世纪9 0 年代陶瓷 涂层的年增长率保持在1 2 班上，有的领域如航空发动杌，陶瓷涂层应用的年 增长率高达2 5 。与陶瓷块楗相比，高性能的陶瓷涂瀑有诲多优点，如能有机 将金属材料的强韧性、易加工性、导电导热性等和陶瓷材料耐高温、高耐磨、高 蓖誊蚀等特点缝合起来，发挥豫类材糕豹综合优势，获得相当理想的复合材料结构； 能够用于制备陶瓷涂层的材料品种包括氧化物和复合氧化物、碳化物、氮化物、 醐纯物、硅化物阻及金璃陶瓷等；能够在不同基体材料上沉积陶瓷涂层；涂层功 能极广，根据需要采用不同的制各陶瓷涂层的工艺，获得各种功能表面强化涂层 和特种功能涂层，如高耐磨、减摩自润滑、可磨耗密封、高摩阻制动、耐腐蚀、 抗氧化、耐糍涎、防辐射等等，涂层的厚度容易控制；容易实现劁黯豹局部改性 与表面强化，成型容易n 1 。陶瓷涂层的应用范围极广，随着现在的发展，开发了 更多豹凝的能陶瓷涂层。缀多需要极耐痞豹场合都可霄在表萄翱涂层的方法来增 加耐磨性，对耐磨涂层的要求取决于耐磨涂层与基体材料的机械匹酉已性与化学匹 配性，旌加载荷的方向和大，j 、以及涂层本身的性能。对涂层牢固性的要求有：成 保证基体无变形；涂层与基体材料的弹性摸量、刚度、热膨胀系数的匹配；涂层 与基体材料之间有较大的亲和力。对涂层的耐磨性要求有：尽量提高涂层硬度； 瑟具煮高温红硬性；涂层与慰倭摩擦材料之阀的化学溶解度要小；耐腐蚀拣能强； 涂层颗粒之间的结合强度要高。如纳米结构碳化钨，钴( w c c o ) 涂层是高性能 陶瓷中霾要豹种，耐蠹性极好，它是在w c 中加入c o 结合帮经喷涂丽成的一 种涂层，c o 对w c 等硬质颗粒润湿憔极好，因而使碳化钨颗粒能牢固地粘结在 一起，不会发生剥落，更好地发挥碳化钨硬质相的耐磨特性。其应用领域相当广 泛，如电力黥源、石油化工以及冶金忑业等。目前，对纳米结构陶瓷涂层的研究 主要集中在制备方法和结构表征方面，具体如：涂层材料的结构和表征、涂层材 孝幸在热喷涂过程中的熔融手日冷却过程、涂层材料优莛性能的发现和表经、涂层的 使用以及在使用过程中行为特镊的研究等。然而，关于纳米结构陶瓷涂层后续精 密磨削加工按术的开发和研究，还处于起步阶段，相关研究报道还不多。 一般来说，纳米结构陶瓷涂层要获得更多的工业化商业化应用的前提是， 其制成的元器件不但制备加工方法成本要低，效率要高，而且其加工后表面质量 纳米结构w c c o 涂层的精密磨削驶磨削后癌损性能研究 要好，足寸精度要高，即加工方法要育经济高效低损伤的特点。一般来说，对于 这种特定的纳米结构陶瓷，大都采用金刚石砂轮精密磨肖i 技术进行加工【”。纳米 结构涂层的使用性能取决于涂层的喷涂技术以及后续的精密加工技术。基于对纳 米结构辫瓷涂层的工业化藏用豹认识，对其豹研究弓i 起了各国政府和奉孝糕科学界 的高度重视，在我国，纳米结构涂层的制备和应用研究是国家“十五”期间材料 镁域的重点研究方向之一睁l 。目髓对纳米结构陶瓷涂层的研究主要集中在制各方 法和结构表征方面，雁在纳米结构陶瓷涂层精密磨强4 ( 加工) 机瑗以及磨削后的摩 擦磨损性能方面，还处于起步阶段 4 。1 2 1 。这些报道大多是采用立式平面磨床端面 磨削方式，丙国内普遍采用卧矩台平瑟磨削工艺，露必要采用国产砂轮对黔矩台 平面磨削纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理以及磨削后的试件摩擦磨损性能进行 实验研究。 纳米技术将在2 l 世纪给人类工业带来很大的变革，纳米结构材料就是近年 来发展起来的应用前景极广的工程材料。纳米结构材料其有高硬度、商强度、耐 高温、耐磨损等优良特性，已广泛应用于航空航天、仪器仪表、电子电器、汽车 以及制造领域。但纳米结构材料的高硬度、高强度以及高断裂韧性会给加工带来 极大的爨难，可能产生诸如变形层、表蠢，鼗表面微裂纹、毒| 料粉本亿及残余应 力等各种类型的表面亚表面损伤，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工。 前面提到，磊前对纳笨结构材料，广泛采用的主要是使用金剐霸砂轮的窘削加工 方法。本课题将主要研究对象就是纳米结构w c c o 涂层材料。纳米结构w c c o 陶瓷涂层材料在磨削时材料主要去除机理是非弹性变形方式，以塑性变形为主， 包括w c 塑性变形及c o 的屈服掺出变形，伴随一定的材料粉末他，也存在少量 的材料聪碎和因钴相的挤出而产生的w c 晶粒脱落等方式，材料脆性去除方式 极少1 2 ，l “”j 。课遂将对纳米结构w c c o 涂爱材料的瘗削及其蒲削后的摩擦磨损 性能进彳予研究。 磨损是机械零件失效的三种主要原因之一，各种机械零件的客损所造成的能 源和材料的损失是相当惊人的。据统计，世界工业发达圉家的能源约3 0 是以 不同形式消耗在磨损上的，如美因评议局( o t a ) 的报告。每年由于摩擦磨损造 成的损失约为1 0 0 0 亿美元，占颡民经济总收入的4 h 】。磨损是在摩擦作尾下 物体相对运动时，表面逐渐分离出来磨屑从而不断损伤的现象，是一门极为复杂 的过程，涉及到许多物理、化学及力学过程，也涉及到金猫学，表葱物理、亿学、 塑性变形和断裂理论等学科以及一系列的影响因素。材料的磨损是一个系统函 数，依赖于材料的磨损依赖于接触的几何形状，表面粗糙度，微结构特征，晶粒 尺寸，断裂韧性，速度，载荷，温度，持续时间，环境以及润滑油的状况等。曩 前对于磨损机理的研究已经比较的成熟，大体上可分为粘着磨损，磨粒磨损，接 触疲劳瘩损和媵蚀磨损等。但对予具体戆材料在特定的场合下，其磨损槐瑾是楣 硕士学位论文 当复杂的。陶瓷涂层有许多独特的摩擦学特性：高硬发、高刚度、高弹性模量、 使陶瓷涂层其有优异的耐糙羞磨损、磨料磨损等性能；陶瓷材料由于其原予结构、 化学键及晶体结构等与金属材料不同，与金属偶件的相容性小，化学亲和力小， 摩擦系数小，携耗小，褒损率低，寿命长；耐腐镶瘩损性能强；具有很裔的抗畿 温磨损性能；陶瓷涂层含有或多或少的孔隙。使乏成为很好的储油结构，有利于 减少摩擦；陶瓷涂层能弼激光束、电子束等高能柬改往蓬熔处理，能改变其晶体 结构，大大提高其硬度，从而大大提高其耐磨性能。由于陶瓷材料材质脆、塑憔 变形能力差，因而其耐疲劳磨损、冲击磨损和高应力摩擦磨损的能力较麓。 磨削加工过程实质是一个耪料的损伤过程，褰料透过对被掘工陶瓷材糕豹有 限的损伤而蜜现加工。高效精密磨削加工纳米结构陶瓷涂层的根本目标是在保持 足够豹尺寸精度和材料表面完整性及足够豹陶瓷元件强度和辩磨性的同时，获得 晟大的材料去除率，实现纳米结构陶瓷涂屡的高效、低损伤的加工。然而，通过 采用大材料去除率降低加工成本，又主要受到那黛将导数纳米结构陶瓷涂层元件 耐磨性能损失的表面亚表面损伤所限制。露前在工程陶瓷的磨削方嚣，人们考 虑得更多的是表面质景，很少依据驻表面磨削损伤来进行磨潮工艺参数的优化。 犍密磨剡麴王羯瓷涂层骺，对鼹瓷涂层塞削后的烟王蒺蟹煞谱徐，除了评价其磨 削表面粗糙度和磨削表面亚表面形貌外，非常重要的是对其表面耐磨性能的评 价，磨潮表藤亚表瑟损伤对涂罄痦剃后的耐磨性能将产生了较大的影响。 目前，一些研究者做了一些普通结构和纳米结构陶瓷涂层耐磨性能实验和研 究，主要是考虑法向接触载荷、滑行距离和滑行速度等以及表面性能对耐磨性能 的影响。s m 。h s u 等对陶瓷块楗做了丈量豹实验，褥到了缀多实验数据，并从中 找出了一些规律，并结合磨损机理分析，根据某个阶段占主导地位的磨损机理的 不同霹每个阶段豹磨损状况遴行分类，对每个阶段的都建立了粳应豹数学模墅来 做直观性的描述，并考虑到了摩擦过程中产生的热。然而，关于磨削参数对普通 结构陶瓷( 包括块材和涂层) 的表面i | i 于磨性能豹影晌规律，尽管已有学者进行了 研究【1 5 0 钔，但这方面的报道较少。关于磨削后的表面粗糙度、表霞残余应力、 表面，溉表面损伤等对陶瓷涂层表面耐磨性影响的研究非常的少。而磨削参数对 纳米缝构羯瓷涂层磨崔后的表鞭耐蘑性能影豌撬律的研究贱溢未烫有文献报道。 本文是纂于纳米结构陶瓷涂层材料所具有的广泛的应用前景，以及国内外 砖纳米结稳陶瓷涂层精密磨削加工方面的研究较少这背景下提出的。本文以纳 米结构w c c o 涂层材料为研究对象，采用卧矩台平面磨削方式，用国产砂轮通 过实验研究结合理论分析等手段，主要研究纳米结构w c c o 涂层材料精密磨削 时的材料去除机理，磨削参数对纳米结构w c c o 涂层材料煺密磨酗的磨削表露 粗糙度的影响规律；再对磨削后的试件进行磨损实验研究。分析磨削参数如工件 遴绘速度、磨剡深度、砂轮特性等以及摩削表匿褪糙度瓣蘑餐后材孝季豹瘩损性能 纳米结构w c c o 涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究 的影响规律。 1 2 本文研究内容、目的和意义 1 2 1 研究内容 近些年来，纳米材料技术和表面工程技术有了较大的发展，人们采用颗粒重 组工艺( 造粒工艺) 将纳米级陶瓷颗粒形成具有纳米结构的微米级聚合体，然后 再在金属基体上分别采用高速火焰喷涂( h v o f ) 或等离子喷涂方法进行热喷涂 以制各出纳米结构w c c o 涂层材料等，这种陶瓷涂层在性能上，结合强度高、 硬度高、耐磨损性能好、耐腐蚀性好，在汽车制造、工具行业、国防、航空航天、 地质勘探业等领域将具有相当大的应用前景。目前，对纳米结构陶瓷涂层的研究 主要集中在制备方法和结构表征方面，性能方面以摩擦学、电学、热学等方面的 研究为主，具体如：涂层材料的结构和表征、涂层材料在热喷涂过程中的熔融和 冷却过程、涂层材料优良性能的发现和表征、涂层的使用以及在使用过程中行为 特征的研究等 1 , 1 9 】。高效精密磨削加工纳米结构陶瓷涂层的根本目标是在保持足 够的尺寸精度和材料表面完整性及足够的陶瓷元件强度和耐磨性的同时，获得最 大的材料去除率，实现纳米结构陶瓷涂层的高效、低损伤的加工。然而，通过采 用大材料去除率降低加工成本，又主要受到那些将导致纳米结构陶瓷涂层元件耐 磨性能损失的表面亚表面损伤所限制。 目前，一些研究者做了一些陶瓷涂层耐磨性能实验和研究，主要是考虑磨损 参数以及试件表面质量对耐磨性能的影响 2 0 - 2 h 。研究表明，陶瓷材料本身的显 微结构和材料特性如颗粒尺寸、孔隙率、硬度、断裂韧性对陶瓷块材或涂层材料 在干磨削或润滑磨削条件下的摩擦或滑擦的耐磨性能有很大的影响，接触载荷、 温度以及环境同样对陶瓷材料的耐摩擦行为有很大的影响。已有学者就普通结构 陶瓷( 包括普通结构陶瓷涂层) 的表面耐磨性能进行了初步研究 2 0 , 2 2 】。也有学者对 磨削参数对陶瓷加工后表面耐磨性能的影响规律进行了研究。而磨削参数对纳米 结构陶瓷涂层磨削后的表面耐磨性能影响规律的研究以及纳米结构陶瓷涂层磨 削后耐磨性能的评价则尚未见有文献报道。 另一方面，陶瓷涂层在摩擦应用场合情形下，涂层表面同时承受着法向力和 切向力，这些力从涂层表面传递到基体块材中。研究发现，涂层的有效寿命常常 不是因为常规磨损而是取决于粘结失效或粘聚失效。粘结失效是由于涂层与基体 分界面的应力上升引起的，粘聚失效是涂层内的应力引起的，因此区分这些应力 的种类和源头并找到使它们最小的方法是相当的重要。 论文主要以纳米结构w c c o 涂层为研究对象，采用实验研究结合理论建模 和分析，研究了磨削参数对纳米结构陶瓷涂层精密磨削后的试件表面粗糙度、磨 削力以及耐磨性能的影响规律；分析了磨削参数与磨削表面粗糙度的关系。建立 硕士学位论文 反缺磨削参数与磨澍后试件耐廉性能之间定量关系的模型。 1 2 。2 匿的翔意义 本研究的目的是通过实验研究、理论建模和分析，分柝讨论纳米结构陶瓷涂 屡精密癌削的基础理论，建立磨削参数和磨后工件耐磨性能乏闯的关系，以寻求 最优的磨粼王艺参数以实现纳米结构陶瓷涂层的高效经济优质低损伤貔加工。磷 究内容具有前沿性和创新性，所涉及的学科交叉性强，其研究成果对纳米结构陶 瓷涂鬣的工蛾化应用、纳米结稳材料精密磨削技术的理论体系的建立具有重要豹 理论价值和实用价值。 1 3 课题来源和论文主要组成 1 3 1 课题来源 本文研究内容主要来源于以下课题的相关研究内容 滟南省自然科学基金磨削参数对纳米陶瓷涂层袁厦耐磨性影响规缮的砚 究( 项目编号0 5 j j 3 0 0 9 ) 淮南大学科学基金鬟点项目翡潮参数对纳米晦瓷涂层表面耐窘性影响规 德的研究 1 3 2 本文结构 本文由以下凡部分组成： 第一章绪言：介绍本文的研究背景、魄容、目的意义以及本文结梅。 第二章纳米结构w c c o 涂屡材料的制各及陶瓷材料磨削磨损性能研究概况：介绍了 纳米w c c o 颗粒的剖备以及重组耨王艺、纳米表面工程的磷究背景、两种常见热喷涂技术 以及对涂层耐磨性能的影响。还介绍了陶涤耐磨憔能的研究方法及相关结论和纳米结构陶瓷 涂层磨削掰孝孝萼去除枫理基础理论。 第三章纳米结构w c c o 涂层磨削磨损实验方案设计：主要包括纳米结构 w c c o 涂层磨削试验方案，以及相关仪器的介绍和随后的纳米结构w c c o 涂层试 件的磨损试骏方案。 第四章纳米结构w c c o 涂层精密磨削及其耐磨性能研究：主要包括分析磨 削参数与磨削表面粗糙度的关系，表瑟褪糙度与缡米结构w c c o 涂朦蘑损率的关 系，磨削参数对涂层纳米性能影响规律，通过s e m 观察对纳米结构w c c o 涂层 瓣损视理分橱。 第驻章纳米结构w c c o 涂层磨损机理分析与建模：主要对磨损后试件表面 形貌进行s e m 观察，分析其磨损机理。并分析了纳米结构w c c o 涂层耐磨性能， 对实验数据熬理分孝斥，建立了反映蘑剡用鳖参数与瘩损率之间豹数学模型。 纳米结构w c c o 涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究 1 4 本章小节 本章简单介绍了纳米结构陶瓷涂层广泛的应用前景，主要介绍了本文的研究 背景、研究内容、研究目的和意义以及本文主要组成，提及了本论文的研究方法。 硕士学位论文 第2 章纳米结构w c c o 涂层材车茸的制备及陶瓷材料磨削磨 损性熊研究概况 2 。1 纳米w c c o 颗粒制备及其重组新工艺 表面工程是2 1 世纪正业发展的关键之一，它是先进制造技术的重要组成部 分，同时又可为先进制造技术的发震提供技术支撑。表面工稷，是经表面预处理 厝，遁过表面涂覆、表露改性或多种表蘧王程技术复合处理，改变爨体金属表谣 或非金属的表面形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性 能的系统工稷。表藤工程约基本特征是综合、交叉、复合、伉化。表露工程豹最 大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的功能薄层，赋予零件耐高 滠、茨腐蚀、稀密损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与制俸部件的整体 材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能f ”l 。在国家的节 能、节材“九五”规划中将表面工程应用作为重大措施之一，并列为节能、节材 示范项目。材料表面改性作为传统楗辩性能优化的基础也被列为国家自然辩学基 众“九赢”、“十五”、“十一五”优先资助领域。许多表面工程技术及其基础理论 疆究被列入了国家“8 6 3 ”项目、“9 7 3 ”项强、国家重大技术键薪顼嚣、匿家重 点科技攻关项目等。 纳米技术是2 0 世纪8 0 年代末期诞生并正在堀起的新技术。1 9 9 0 年7 月， 在美国巴尔的摩召开了豳际首届纳米科学技术会议( n a n a s t ) 。随着纳米科技 的发展和纳米材料研究的深入，具有力、熟、声、光、电、磁等特异性能的许多 低维、小尺寸、功熊化懿纳米结构表猫层能够显著改善材料的组织结构或赋予材 料新的性能。目前在高质量纳米粉体制备方面已取得了重大进展，有些方法已在 工业中应用。在金满材料表面获褥纳米结构表层豹途径主要有三种：表面涂覆或 沉积方法，表面自身纳米化方法和混合纳米化方法【1 9 】。 表面涂覆或沉积方法首先是利用粉体制备技术获得其有纳米尺度的颗粒，再 将这些颗粒通过表蕊技术固结在材料的表丽形成一个与基体化学成分相同或不 同的纳米结构表层。表面自身纳米化方法主要对多晶材料，采用非平衡处理方法 增加楗料表诼的自由毙，可以是粒燕维织逐渐细化至纳米量级。混合纳米化方法 是在制备热喷涂涂层、电刷镀层。粘涂层等表面工程涂覆层时，在熬质层中复合 纳米颓粒l 三 改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊的功能涂层。i 琵围绕以上途 径的开展研究，当前已经开发出多种实用的纳米表面工程技术：1 、纳米薄膜制 备技术；2 、纳米热喷涂技术：3 、纳米颗粒复合电刷镀技术：4 、纳米减摩自修 纳米结构w c c o 涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究 复添加剂技术；5 、纳米固体润滑干膜技术；6 、纳米粘接剂技术；7 、纳米涂装 技术；8 、金属表面纳米化技术”】。本文研究对象纳米结构w c c o 涂层就是用 热喷涂方法制备的。 图2 1 表面纳米化的三种方法【1 9 】 ( a ) 表面涂覆或沉积方法( b ) 表面自身纳米化方法( c ) 混和纳米化方法 纳米材料泛指晶粒尺寸在至少一维方向上小于l o o n m 的纳米粉末以及纳米 多孔材料和纳米致密材料，包括金属、氧化物、无机化合物和有机化合物等【2 5 1 。 w c c o 是其中重要的一种，其制备过程包括纳米粉体的制备，颗粒重组成可以 直接喷涂的纳米结构喂料，然后进行热喷涂处理。纳米结构的w c c o 粉末制备 通过热化学过程包括：( 1 ) 、通过在水中溶解钨酸铵和硝酸钴制备原始溶液；( 2 ) 、 原始溶液干燥后得到无定形的w c o 混合粉末；( 3 ) 、液化无定形w c o 转化为纳 米结构w c c o 2 3 1 。将纳米颗粒用于制备热喷涂纳米结构涂层时，需要将纳米颗 粒材料制备成一定尺寸，能够直接热喷涂的纳米结构喂料( n a n o s t r u c t u r e f e e d s t o c k ) 。因为质量和尺寸太小，纳米颗粒不能直接用于喷涂，且喷涂过程容 易发生烧结。纳米结构颗粒喂料的制备主要有以下三种”1 ： 1 、液相分散喷雾合成法 液相分散喷雾合成法工艺流成如图2 2 所示： 水溶性热空气雾 黏合剂化吹干 l 液相中超声波含有纳米粉可用于熟喷涂 1 分散纳米粉体体的溶胶状 的纳米结构喂 l 材料材料料 囤2 2 液相分散喷雾合成法制备若喷涂用纳米结构喂料【1 9 】 黏合剂可选能溶解在分散介质( 水或有机溶剂) 中的，具有一定黏结性能， 且为无灰型的高聚物，如醋酸纤维素，硝基纤维素等。 2 、原位生成喷雾合成法 基本思路是：按液相合成法在液相中先生成纳米颗粒，通过超虑、渗透、反 礤士学位论文 渗透及超离心等手段除去纳米颗粒以外的多余组分，加入适当的液相介质和其他 组分，再用液相分数喷雾干燥会成法制备纳米结构颗粒喂料。与液相分教喷雾于 燥合成法相比，此法简化了操作，且可以防止纳米颗粒在干燥过程中出现硬团聚 合鬏越长大髂发生，因此可获樗粒度可控晟尺寸分布零的纳米结擒颗粒曦料。 3 、机械研磨合成法 ， 通过视械研磨，高能球蘑等方法赢接将微米粉或非晶金满箔加工成纳米结构 喂料。具体的加工过程为：在干燥的高真空料机内通入a r 气( 或n 2 ) 作为保护 气，或在c h 3 0 h 合液n 2 介质中，通过对磨球，颗粒质量比、磨球数量和尺寸、 能量强度、球磨温度、介质等参数鲍控裁，裹速运转的硬质商能钢瓣球与研体之 间相互碰撞，使粉末颗粒反复进行溶结、断裂、在溶结，是晶粒不断细化，达到 纳米尺寸。在除去c h 3 0 h 和液n 2 奔质霜，纳米颗粒材料会因自隽的静电弓| 力 自行团聚为微米级的纳米结构颗粒喂料。 在朔 三 上的第l 或第2 晕中方法时，把纳米颗粒加入液体介质，形成纳米颗粒 有机溶剂或纳米颗粒水基溶剂的固体，液体体系，这涉及到一个关键问题是如何 使纳米颗粒稳定地分散在液体介质中。由予纳米颗粒具有的小尺寸效应，即比表 颗大、表嚣能窿，使褥纳米鬏粒窆气中和液体余质发生圈聚。若不对其进程分教 处理，则团聚的纳米颗粒进入涂层中不但达不到改善涂层性能的目的，反而有可 能降低涂层性能。对纳米颗粒进行分散处理的最佳途径莛对纳米颗粒进行表面改 性。通过对纳米颗粒进行适当的表面改性处理可以改善纳米颗粒与液体介质及其 成分的相容性，保证颗粒性能的发挥。颗粒材料箍其粒径减小其比表面积增大、 表面能升高。纳米颗粒具有的表面效应和小尺寸效应赢接影响纳米颗粒的团聚 性。表面效应是指纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比随纳米颗粒尺寸的减 小大幅度增艇，扶覆弓| 起缡米颗粒拣质变能。 表2 1 颗粒粒径大小与表面原子数的关系【1 9 】 粒径n ml5l o1 0 0 所含原子数个 3 04 0 03 0 0 03 0 0 0 0 0 0 表谍孤予磊分比，1 0 04 02 02 纳米鬏粒团聚的原因有以下几条：1 、继米颗粒表嚣黪毫荷弓i 力；2 、纳米黩 粒的高表面能；3 、纳米颗粒问的范德华力；4 、纳米颗粒表面的氢键及其他化学 键作用：液体奔震中纳米颗粒受力状况相当复杂，由予纳米颗粒具有极大豹比表 面积和较高的比表面能，在制备和后处理过程中极易发生颗敉团聚，使得粒径交 大，使其实际应用效果变差。针对含纳米颗粒的液体分散体系而言，其分散稳定 性一般指体系中纳米颗粒的尺寸大小、纳米颗粒浓度分蠢等特性保持不变。由于 纳米颗粒的睾直径在胶体颗粒尺寸范围内，所以可以用胶体的稳定理论来探讨纳米 颗粒在液体介震中的分数性。胶体豹稳定或聚沉取决于胶粒之潮的摊斥力和吸弓| 纳米结构w c ，c o 涂层的精密磨削及磨削后磨损性能研究 力。前者使稳定的主要因素，后者则是团聚的主要因素。 2 2 两种常用的热喷涂技术及对涂层耐磨性能的影响 热喷涂技术使材料表面强化与保护的重要技术，它在表面技术中占有重要地 位。热喷涂是利用一种热源将图片材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾 化并高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。这种技术在我国起于 2 0 世纪5 0 年代，目前无论在设备、材料、工艺、应用成果等方面都在迅速发展 与提高。热喷涂技术按照热源分可简单分为四大类：火焰喷涂、电弧喷涂或等离 子喷涂何特种喷涂。常见热喷涂技术特点如表2 2 所示。纳米材料的材料的研究 开发与应用，微纳米结构涂层的制备成为熟喷涂技术重要的发展方向。与传统 涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗疲劳等方面有显 著改善，且部分涂层可以同时具有上述多种性能。热喷涂技术是制备微纳米结 构涂层较好的技术，有很大的发展前景，这些技术包括超音速火焰喷涂( h v o f ) 、 真空等离子喷涂( v p s ) 、超音速等离子喷涂( h e p j ) 、高能等离子喷涂技术( h f p s ) 等其它先进热喷涂技术。 表2 2 常见热喷涂技术的特点【1 9 l 超音速火焰喷涂 技术特点等离子喷涂( p s ) 电弧喷涂( a s ) ( h v o f ) 熔粒速度m s 1 4 0 0 6 0 0 1 0 0 温度值，k1 0 0 0 0 1 2 0 0 03 0 0 0 4 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 涂层孔隙率l 1 0i 52 15 典型结合强度m p a 3 0 7 04 0 9 01 5 4 0 喷涂陶瓷颗粒材料，涂层一般颗粒材成本低，效率高，喷 涂层特点孔隙率低。结合性好，料，孔隙率低，结涂导电金属丝材，孔 污染低，成本较高合性好，成本较高隙率较高 纳米热喷涂技术中研究的关键技术与科学问题主要有：1 、纳米结构喂料的 制备方法及其对涂层性能的影响；2 、纳米颗粒材料热喷涂层与基体间的界面问 题；3 、纳米颗粒材料在热喷涂层动态制各过程中的物理、冶金、化学等过程；4 、 热喷涂层中纳米颗粒材料与其他材料之间的协同效应。热喷涂的基本工艺流成如 下图2 3 所示。 工件表面预处理( 净 化，预加工粗化，预热 等) 喷涂打底层 和工作层 喷涂层后处理( 机 械加工、封孔等) 图2 3 热喷涂基本工艺流程【1 9 】 2 2 1 超音速火焰喷涂及其对涂层耐磨性能的影晌 超音速火焰喷涂技术( h v o f ) 出现的标志是2 0 世纪8 0 年代在美国出现的 硕士学位论文 一种新型火焰喷涂装置j e t - k o t e 。该装鼹是利用一种特殊火焰喷涂枪获得高 滠、高速焰流用来喷涂碳化钨等难熔材料势得到优异性能的喷涂层。j e t - k o t e 趣音速火焰喷涂装凝图如图2 4 。图2 5 为j b t k o t e 超音速火焰喷涂枪原理图。 。曩 j 一 蠹 i 董薹i i j 董蓦 曩i 蓦j 蛋， i ：| ：圣“ i 舞_ _ 、， 叠曩 一董 嚣多蔓 一_ | ! ；_ 糍器i ：薹蔓 m 豢囊弹 蓦善 囊誊$ 圉2 4j e t - k o t e 超音速火焰喷涂装熏 1 一控制娠；2 一操纵盘；3 一点火装置；4 一喷涂检；5 ，6 一软管；7 _ _ 送粉器； 8 一冷却水泵 递过控制柜谣节送粉量及燃气积氧气。经送粉器用氮气输送帮调苇送粉量。 图2 + 5j e t k o t e 鼹罾遽火焰曦涂枪原理图 1 一可燃气与氧气接口：2 一燃烧赢：3 气体通道：4 一粉末送给入口：5 一粉末通道； 6 一喷涂枪嘴；7 一嚷涂焰流；8 冷圭| l 水瀑遂 通过气体接口1 氧气与可燃气混合并在较高压力下燃烧。当高温气流离开燃 烧室时，经膨涨喷嘴孺加速，形成超膏速焰流。羽氮气将粉末通过入口4 送到粉 沭通道5 。遴常情况下，超音速火焰喷涂时影响涂层纳米颗粒氧化强度、颗粒长 犬、涂层致密度、结合强度等的喷涂参数为燃料种类、燃气院、喷涂距离。 j 。h e 等研究指出，用h v o f 喷涂会成的纳米w c ，1 2 c o 涂层，比其相应的传 统材料表现为更高的耐压裂能力。然而，s t e w a r t 等则认为这将使得大量的w c 分解为更脆豹w 2 e 甚至是w ，在纳米w c c o 粉末燕喷涂过程中形成一种脆憔 竺耋篁塑兰竺：鎏量塑塑童鏖墅圣鏖型星塞堡堡! ! ! ! 垒 的1 1 ( c o ，w ，c ：) 无组织相，从而纳米结构的w c c o 涂层耐磨性能降低。有文献 报道，w c c o 颗粒喂料尺寸的降低，w c 相的分解程度会增加，因为降低颗粒 尺寸会增加w c 相的反应【2 0 】。从w c 到w 2 c 和w 的脱炭的转变，是由于在固 体w c 表面直接氧化的结果，即在w c 表面形成了非w c 相。然而，基于透射 分析，s t e w a r t 等认为，在热喷涂过程中，c o 相粘结剂熔化而w c 颗粒溶解于其 中。在这种情况下，周边的半熔的颗粒将被氧化而脱炭，促进了这一区域w c 的分解。颗粒在冲击到基体过程中冷却，使得w 2 c 在结合相中沉淀。 j h e 研究了超音速火焰喷涂纳米结构的w c c o ，通过改变重组粉末尺寸、 化学燃料( 氢和丙稀) 、以及燃料氧比率对以下三个方面进行了分析：( 1 ) 微粒 撞击到基体上的温度：( 2 ) w 2 c 相的体积份数；( 3 ) 涂层中的孔隙率。粒子送 入速度和枪的扫描速度以及喷射距离保持不变，得出的结论是：颗粒温度随微粒 尺寸的减小而增加。在微粒尺寸相同的情况下，用氢焰产生的最高微粒温度比用 丙稀产生的低。用氢做为燃料的情况下，当氢氧比率增加，微粒的温度上升。 在氢氧比率在一定的范围内微粒温度