（机械制造及其自动化专业论文）纳米结构硬质合金磨削理论和工艺实验研究.pdf

纳米结构硬质合会磨削理论和1 二艺实验研究 摘要 高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金，在各种对材料有高耐磨 损性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合金优异 的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用，但高硬度、高耐磨损的性能也 使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段，对纳米结构硬质合金的研究多集中 在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性能的评价等材 料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论( 特别是磨削理论) 和相关 加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺实验，对纳米结构 硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究： 首先，介绍了纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题；回 顾了工程陶瓷磨削的主要研究成果，包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成 果；进而提出了本文的研究结构和内容。 然后，分析了材料物理机械性能与磨削力和磨削损伤之间的关系；在磨粒与 工件相互干涉的运动学和几何学基础上，建立了基于断裂力学理论的磨削力数学 模型，并进一步建立了比磨削能数学模型。数学模型说明磨削力和比磨削的大小 与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相关。 接着，选用了四种具有不同w c 晶粒度( 从微米级到纳米级) 的硬质合金进 行磨削工艺实验，分析磨削工艺参数和w c 晶粒度对纳米结构硬质合金磨削性能 的影响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力：工艺实验后用扫描 电子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和x 射线衍射仪分析磨削后试 样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理；采用端面研磨腐蚀法、直接腐蚀法 和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样，观察了试样亚表面的形貌和磨 削损伤；采用x 射线衍射法，分析残余应力在亚表面深度方向的变化规律。 最后，比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果，揭示了材料的物理机械 性能和磨削工艺参数对磨削力、比磨削能、材料去除机理、表面形貌、表面粗糙 度和磨削损伤的影响规律。磨削力数学模型的预测结果与工艺实验结果相吻合， 证明本文中建立的磨削力数学模型正确。随之，比磨削能数学模型的正确性也被 证实。在本文工艺实验条件下，虽然随着单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加，纳 米结构硬质合金以脆性断裂方式去除的比例增加，但是非弹性变形方式仍然是纳 米结构硬质合金磨削主要的材料去除方式。纳米结构硬质合金的表面粗糙度值随 单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加而单调递增。磨削表面形貌和粗糙度值证实， 树脂结合剂金刚石砂轮比陶瓷结合剂金刚石砂轮更适合磨削纳米结构硬质合金。 理论计算和工艺实验结果均表明，本文工艺实验条件下在纳米结构硬质合金的磨 i i 博i ：学位论文 削表面和亚表面中未发现宏观磨削裂纹。纳米结构硬质合金亚表面中存在明显的 磨削变质层，变质层的组织结构和平均厚度与磨削工艺参数和合金的物理机械性 能密切相关。在x 射线透射深度范围内，磨削表面的残余应力沿表面层深度方向 存在明显的梯度变化，其分布和大小与工艺实验参数有关。非弹性变形的材料去 除方式是产生表面残余应力的主要原因。 本文的数学模型和工艺实验研究成果揭示了纳米结构硬质合金的磨削机理， 其研究成果有助于推动该类新型材料在工程中更为广泛的应用。 关键词：磨削；数学模型；磨削力；比磨削能；去除机理；表面完整性；纳米结 构；硬质合金 1 1 1 a bs t r a c t d u et ot h e i rh i g hh a r d n e s s ，h i g ht o u g h n e s s a n d h i g h w e a rr e s i s t a n c e ， n a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d em a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n g f i e l d sw h e r eh i g hw e a rr e s i s t a n c ea n dt h e r m a ls t a b i l i t y a r er e q u i r e d a l t h o u g ht h e p r e e m i n e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d e s f a c i l i t a t et h e i r w i d ea p p l i c a t i o n s ，t h e ya l s oc r e a t eac h a l l e n g i n gp r o b l e mi ng r i n d i n g n o w a d a y s ，m o s t r e s e a r c h e so nn a n o s t r u c t u r dt u n g s t e nc a r b i d e sa r ef o c u s s e do nh o w t oi m p r o v et h e m a t e r i a lp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m a i n t a i nt h em a t e r i a ls t a b i l i t y , e v a l u a t i n gt h e m a t e r i a lw e a rr e s i s t a n c e ，e t c v e r yf e ws t u d i e sa r ef o u n do np r e c i s i o np r o c e s s i n go f s u c hm a t e r i a l s e s p e c i a l l yo ng r i n d i n gm e c h a n i s m sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h eg r i n d i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n to f n a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d ea r e i n v e s t i g a t e dd e e p l yt h r o u g he x p e r i m e n t a la n a l y s i s a n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n g i tl s e x p o u n d e da sf o l l o w ： f i r s t l y i ti n t r o d u c e sp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a p p l i c a t i o nf i e l d s ，a n dc h a l l e n g i n g p r o b l e m sf o rn a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e n c a r b i d e s t h e nt h es e c t i o nr e v i e w sm a j o r a c a d e m i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si ng r i n d i n gh a r d b r i t t l em a t e r i a l s ，w h i c h i n c l u d e s g r i n d i n gm e c h a n i s m sa n dw e a rm e c h s n i s m so ft u n g s t e nc a r b i d e s t h i ss e c t i o n s a l s o b r i e f l yi n t r o d u c e st h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n d c o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n s e c o n d l y t h ee f f e c t o fp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ng r i n d i n gf o r c ea n d g r i n d i n gd a m a g ea r ed i c u s s e d an e wm a t h e m a t i c a lm o d e lo ng r i n d i n gf o r c e i sb u i l t b a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c so fb r i t t l es o l i d s ，w i t ht h eg e o m e t r i ca n dk i n e m a t i c so f g r i n d i n gp r o c e s sc o n s i d e r e d b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，as p e c i f i cg r i n d i n g e n e r g ym a t h e m a t i cm o d e li st h e nb u i l t t h e s em a t h e m a t i c a lm o d e l ss h o w t h a tg r i n d i n g f o r c ea n ds p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g yn o to n l yr e l a t et og r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sb u t a l s ot op h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s t h i r d l y ，i no r d e rt oa n a l y z et h ee f f e c t so fg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，d i a m o n d w h e e lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ep h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fn a n o s t r u c t u e d t u n g s t e nc a r b i d e so ni t sg r i n d a b i l i t y ，f o u rd i f f e r e n tt u n g s t e nc a r b i d e so f v a r i o u sg r a l n s i z e s ( f r o mt h en a n o m e t e rl e v e lt ot h em i c r o m e t e rl e v e l ) w e r es e l e c t e d a sg r i n d i n g e x p e r i m e n t a ls a m p l e s g r i n d i n gf o r c e si nt h r e ed i r e c t i o n s a r em e a s u r e dw i t haf o r c e d y n a m o m e t e r s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) a t o m i cf o r e em i c r o s c o p y ( a f m ) ，p r o f i l o m e t e r ya n d x r a yd i f f r a c t o m e t r y ( x r d ) a r eu s e dt oe v a l u a t et h eg r o u n dw o r k p i e c es u r f a c e sf o ri n f o r m a t i o n o ns u r f a c ei n t e g r i t y i v a n dm a t e r i a l r e m o v a lm e c h a n i s m s ，e t c t h r e em e t h o d sa r ea p p l i e dt op r e p a r e i n g w o r k p i e c es a m p l e sf o ro b s e r v i n gs u r f a c ea n ds u b s u r f a c ed a m a g ei n d u c e db yg r i n d i n g o n eo ft h em e t h o d si st og r i n d i n gt h es i d ep l a n ep e r p e n d i c u l a rt og r o u n ds u r f a c e ，a n d p o l i s ht h eg r o u n ds i d ep l a nw i t hd i a m o n dp o w d e r s ，a n dt h e ne t c ht h es a m ep l a n ew i t h c h l o r o a z o t i ca c i d a n o t h e rm e t h o di st op o l i s ha n de t c ht h eg r o u n ds u r f a c el a y e rb y l a y e r s u r f a c er e s i d u a ls t r e s si se v a l u a t e db yt h ex r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d l a s t l y ，i n t e r m so f p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d g r i n d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r so fn a n o s t r u c t u e dt u n g s t e nc a r b i d e s ，b o t ht h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l r e s u l t so ng r i n d i n gf o r c e ，s p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g y ，m a t e r i a l r e m o v a lm e c h a n i s m s ， g r o u n ds u r f a c et o p o g r a p h y , s u r f a c er o u g h n e s sa n dg r i n d i n gd a m a g e a r ec o m p a r e d g r i n d i n gf o r c e sp r e d i c t e db a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e ls h o w sag o o da g r e e m e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w h i c hv a l i d a t e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l w h e r e a f t e r ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lo ns p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g yi sv a l i d a t e d q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n d q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tb r i t t l ef r a c t u r e g r a d u a ll yb e c o m e sm o r eo b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s ei nt h em a x i m u mu n d e r f o r m e dc h i p t h i c k n e s s h o w e v e r i n e l a s t i ed e f o r m a t i o ni st h em a i nm a t e r i a l - r e m o v a lm e c h a n i s m w h e ng r i n d i n gn a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d e si nt h i ss t u d y s u r f a c er o u g h n e s sa l s o i n c r e a s e sw i t ht h em a x i m u mu n d e r f o r m e dc h i pt h i c k n e s s t h er e s i nb o n dd i a m o n d w h e e li sm o r es u i t a b l ef o rg r i n d i n gn a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d e st h a nt h ev i t r i f i e d b o n dd i a m o n dw h e e l b o t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s a n dt h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n sd e m o n s t r a t en og r i n d i n gc r a c k si nt h eg r o u n ds u r f a c ea n ds u b s u r f a c eo f t h en a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d e s h o w e v e r , g r i n d i n g - i n d u c e ds u r f a c ei n t e g r i t y p r o b l e m s ，s u c ha si n e l a s t i cd e f o r m a t i o na n dr e s i d u a ls t r e s s ，a r ef o u n di nt h es u b s u r f a c e o ft h eg r o u n dw o r k p i e c e s ，a n da r ea s s o c i a t e dw i t hg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d w o r k p i e c em a t e r i a lp r o p e r t i e s s u r f a c er e s i d u a ls t r e s si sf o u n dt oh a v ead e p t hg r a d i e n t i nt h eg r o u n ds u r f a c e i n e l a s t i cd e f o r m a t i o ni sap r i m a r yf a c t o rc a u s i n gs u r f a c e r e s i d u a ls t r e s si nt h eg r o u n dn a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d e s b a s e dt h er e s u l t so f t h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h eg r i n d i n g m e c h a n i s mo f n a n o s t r u c t u r e dt u n g s t e nc a r b i d ei se x p o s i t e d ，w h i c hc o n t r i b u t e st op r o m o t eaw i d e r a p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d k e yw o r d s ：g r i n d i n g ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；g r i n d i n gf o r c e ；s p e c i f i cg r i n d i n g e n e r g y ；m a t e r i a l - r e m o v a l m e c h a n i s m ；s u r f a c ei n t e g r i t y ；n a n o s t r u c t u r e d ； t u n g s t e nc a r b i d e s v 博 j 学位论文 附表索引 表1 1 硬质合金分类标准2 表1 2 国内研制的超细硬质合金性能3 表3 1 磨削实验用硬质合金牌号和性能一2 8 表3 2 精密平面磨削实验工艺参数3 5 表3 3 金刚石砂轮修整参数3 7 表5 1y h 6 f 的x 射线衍射谱图分析数据6 6 表5 2y h 6 f 物相定量能谱( e d s ) 分析结果6 8 表5 3y h 6 f 磨削表面和亚表面能谱( e d s ) 分析结果7 3 表5 4 不同倾斜角l f ，值下x 射线穿透深度7 3 博 ：学位论文 插图索引 图1 1 抑制剂对纳米相w c 粉末烧结的硬质合金硬度与裂纹抗力的影响4 图1 2 磨钝磨粒平面沿新生成表面滑动时的磨削力示意图“5 图1 3 磨粒通过磨削区的耕犁及成屑9 图1 4 维氏压头产生的塑性变形区、中位径向裂纹和侧向裂纹系1 0 图1 5 维氏压头滑擦产生的塑性变形区、中位径向裂纹和侧向裂纹系1 2 图1 6 氧化铝陶瓷切削加工机理示意图1 2 图1 7 单颗磨粒中材料的变形行为1 6 图3 1m g k 7 1 2 0 x 6 精密平面磨床2 9 图3 2k i s t l e r9 2 5 7 b a 测力仪传感器部分一3 0 图3 3 磨削力测试系统示意图3 0 图3 4j s m 一5 6 1 0 l v 扫描电子显微镜和o x f o r d i n c a 能谱仪3 l 图3 5 扫描电镜结构原理图一3 1 图3 6 原子力显微镜工作原理框图3 2 图3 7n p x l 0 0 原子力显微镜和n a n o p i c s l 0 0 0 控制器3 3 图3 8 原子力显微镜微悬臂工作原理图3 3 图3 9t 8 0 0 0 表面轮廓仪一3 4 图3 1 0 日本理学d m a x2 5 5 0x 射线衍射仪一3 5 图3 1 1 制动式滚轮修整器工作原理示意图3 7 图3 1 2 典型的磨削力信号3 9 图3 1 3 表面亚表面形貌观察位置示意图4 0 图3 1 4 断面粘结法亚表面观察试样制备示意图一4 2 图3 1 5 锥度斜面抛光法的亚表面磨削损伤观察区域示意图一4 2 图3 1 6 多重倾角j ：c ，法残余应力测试原理图4 5 图4 1 单颗磨粒法向磨削力与单颗磨粒的最大未变形切屑厚度间关系4 9 图4 2 磨削表面形貌s e i 图，其中s d 9 0 n 1 0 0 b 磨削，a p = 5 1 上m ，v w = 3 0 m m s ，v 。= 3 1 4 m s 51 图4 3 磨削表面形貌s e i 图，其中s d 6 0 0 n 1 0 0 b 磨削，a p = 5 i t m ，v w = 3 0 m m s ， ，j = 31 4 m s 5 2 图4 4 硬质合金的物理机械性能对磨削力的影响5 2 图4 5 磨削表面形貌s e i 图，其中s d 8 0 n 1 0 0 b ，a p = 3 0 p , m ，w = 3 0 m m s ，1 ，= 3 1 4 m s 5 3 i x 纳米结构硬质合金磨削理论和工艺实验研究 图4 6 磨削表面形貌s e i 图，其中s d 6 0 0 n 1 0 0 b ，口p = 1 5 “m ，w = 3 0 m m s ，= 3 1 4 m s 5 4 图4 7a f m 观察的磨削表面形貌3 d 视图，其中s d 2 0 0 0 n 1 0 0 v ，a p = 2 p m ，1 ，w = 3 0 m m s ， v s = 31 4 m s 5 5 图4 8 比磨削能与单颗磨粒最大未变形切屑厚度间关系5 7 图5 1 使用s d 8 0 n 1 0 0 b 砂轮磨削的y h 6 f 表面形貌s e i 图一6 0 图5 2 使用s d 6 0 0 n 1 0 0 b 砂轮磨削的y h 6 f 表面形貌s e i 图6 0 图5 3 金刚石砂轮结合剂对表面形貌的影响一6 0 图5 4 工作台速度对s d 8 0 n 1 0 0 b 砂轮磨削的y h 6 f 表面形貌影响6 1 图5 5 砂轮设定切深对表面粗糙度的影响6 2 图5 6 磨削进给量对表面粗糙度的影响一6 3 图5 7y h 6 f 磨削表面形貌s e i 和b e c 图6 4 图5 8y l l 0 磨削表面形貌s e i 和b e c 图6 4 图5 9y h 6 f 断口x 射线衍射谱图6 5 图5 1 0y h 6 f 牌号w c c o 硬质合金磨削表面x 射线衍射谱图6 6 图5 “y h 6 f 和y l l 0 牌号硬质合金断口s e i 图6 7 图5 1 2y h 6 f 能谱物相分析( e d s ) 6 8 图5 1 3 端面磨削研磨腐蚀法观察的y h 6 f 试样亚表面s e i 图6 9 图5 1 4 端面磨削研磨腐蚀法观察的y l l 0 试样亚表面的s e i 图7 0 图5 1 5 表面腐蚀法观察的亚表面的s e i 图7 0 图5 1 6 表面研磨法观察的y h 6 f 试样亚表面7 1 图5 1 7 表面研磨法观察的y l l 0 试样亚表面7 2 图5 1 8 磨削表面和亚表面e d s 分析取样区域7 2 图5 1 9 不同倾斜角l f ，值下的磨削表面x 射线衍射谱线7 4 图5 2 0y h 6 f 磨削表面宏观残余应力测试结果7 4 图5 2 1y h 6 f 磨削表面残余应力沿表面层深度方向的分布7 5 图6 1 单颗磨粒最大未变形切屑厚度与y h 6 f 的表面粗糙度间关系8 0 图6 2x 射线衍射原理示意图8 l 图6 3 不同磨削条件下磨削表面w c ( 1 0 1 ) 晶面x 射线衍射半高宽8 2 x 纳米结构硬质合余磨削理论和丁艺实验研究 符号列表 砂轮设定切深 磨粒最大未变形切屑厚度 工件与磨粒磨损平面间实际接触面积 工件宽度 砂轮表面单位面积内有效磨粒数 磨削力比 与静态砂轮磨粒密度相关的系数 测力仪基体在x 方向刚度 测力仪基体在y 方向刚度 测力仪基体在z 方向刚度 晶面间距 砂轮当量直径 弹性模量 单颗磨粒切向磨削力 单颗磨粒法向磨削力 单颗磨粒在法向的切削力单元 单颗磨粒在法向的摩擦力单元 单颗磨粒在切向的切削力单元 单颗磨粒在切向的摩擦力单元 接触弧长上的法向磨削力 单位接触宽度上的法向磨削力 凡7 的切削力单元 r 的摩擦力单元 单位接触宽度上的切向磨削力 r 的切削力单元 r 的摩擦力单元 磨削y f 0 6 牌号w c c o 硬质合金的单颗磨粒法向磨削力 磨削y h 6 f 牌号w c c o 硬质合金的单颗磨粒法向磨削力 磨削y l l 0 牌号w c c o 硬质合金的单颗磨粒法向磨削力 磨削y u 0 6 牌号w c c o 硬质合金的单颗磨粒法向磨削力 测力仪记录的x 坐标轴方向的分力 测力仪记录的y 坐标轴方向的分力 x i i 蚰 明 盯 m 邰嘶如6 f c a g g q d d e凡氏r吖蹦彤吖州蹦盹r目 博i ：学位论文 测力仪记录的z 坐标轴方向的分力 显微硬度 与磨削条件和材料机械物理性能相关的系数 与材料机械物理性能相关的系数 与单位接触面积磨削力相关的比例系数 断裂韧性 单位面积法向切削力 接触弧长 2 口s i n l f ，图线的斜率 磨粒切削过程中摩擦力和切削力的相对关系系数 砂轮单位宽度接触面积上的有效磨粒数 平均接触压力 磨削功率 压痕测试的临界载荷 中位裂纹成核临界载荷 侧向裂纹成核临界载荷 平均磨屑横截面积 去除的材料体积 磨屑宽度与厚度比 磨削表面粗糙度 比磨削能 比磨削能理论模型计算数据 比磨削能实验数据 最小二次法拟合的比磨削能 砂轮线速度 工作台进给速度 与磨粒分布相关的指数 与磨粒分布相关的指数 与材料机械物理性能相关的指数 材料表面任意方向 与材料机械物理性能相关的指数 摩擦系数 无量纲常数 x 射线线性吸收率 泊松比 r h k 七k 心噩氏m 聆万尸r。厶q纨，如 蜥 魄 仅8矽ya y 纳米结构硬质含金磨削理论和丁艺实验研究 x 射线入射角 x 射线衍射角 无应力时x 射线入射角 有应力时x 射线入射角 x 射线穿透深度 s i n 2 嫩被测件的倾斜角 密度 磨粒磨损面的平均面积 口拍岛钆f 缈p 万 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：彳辑、：罨日期：即年岁月乃日 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 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 砭擘噶 导师签名：筇嘻9 氮 日期：夕研年岁月o 日 h 期：移吁年j 一月口日 博上学位论文 1 1 选题背景和研究目的 第1 章绪论 将原始粉料中的w c 颗粒的晶粒度减小至纳米尺度，再经纳米复合技术可制 备出性能优良的新型硬质合金。研究者将此种新型材料称为纳米结构硬质合金 t - 5 l 。纳米复合技术有效地解决了传统结构硬质合金硬度与强度不能同时提高的矛 盾【6 1 们。纳米结构硬质合金的硬度、断裂韧性、抗弯强度、耐腐蚀性和耐高温性能 更为优异【6 - 8 , 1 1 - 1 3 】。纳米结构硬质合金优良的物理机械性能和稳定的化学特性，有 助于其在各种对工具和结构件有耐磨损和热稳定性要求的领域得到更为广泛应用 1 , 4 , 5 , 1 4 】，如作为塑料、铸铁和a 1 s i 合金等材料的切削刃具，或凿岩钻头和电路板 用微钻等刃具：冲压和拉伸的模具；耐磨损的轴承和密封球阀等。为了获得更多 工业化、商业化的应用，应在保证纳米结构硬质合金件的尺寸精度和表面完整性 基础上，不断地提高其生产效率，降低其制造成本。 现有研究成果及工程上的应用可以看出，磨削仍是纳米结构工程陶瓷最常采 用的机械加工方式i l5 。1 。7 1 。目前，对纳米结构硬质合金的研究主要集中在纳米级w c 粉末的制备1 8 棚1 、烧结和成型工艺【2 4 - 3 8 1 、抑制剂的选择【2 8 , 3 9 - 4 2 、物理机械性能改 善 7 , 1 0 , 2 8 , 4 3 - 4 6 】以及摩擦磨损机理【4 7 。5 5 】等材料学方面的研究。对纳米结构硬质合金件 机械加工方法，特别是磨削理论和相关技术方面的研究鲜见于各类学术论文中。 磨削加工时，工件与磨具接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及 磨粒和结合剂与工件之间的摩擦作用产生了磨削力【5 6 1 。根据能量守恒原则，可由 磨削工艺参数和功率推导与磨削力做功有关的比磨削能。比磨削能反应了磨粒与 工件材料间干涉程度，由成屑能、耕犁能和滑擦能组成【5 6 , 5 7 , 5 9 , 6 0 。磨削时输入的大 部分能量以热的形式消散，向磨具、工件、切屑、冷却液和周围环境传递。只有 少部分能量用于形成新生表面、切屑和残余应力1 6 1 o 通常，“破坏 和“生长是 工件成型加工的两种方式。磨削所产生的微观表面形态主要由磨粒切刃与工件的 干涉作用产生的沟痕叠加而成1 6 ，是以“破坏力的方式实现工件的成型加工。因 此在磨削过程中磨粒不可避免地会对工件造成一定程度的损伤【6 2 。们。某些磨削损 伤不可避免的会影响工件的使用性能和寿命 1 , 7 2 】。所以了解磨削损伤的形成和扩 展机理将有助于优化工艺参数，以便抑制磨削损伤的形成。 纳米结构硬质合金优异的的物理机械性能有助于其在工程中的应用，也增加 了磨削加工的难度。由于对纳米结构硬质合金的磨削机理不甚了解，以致不能在 加工前预测可能产生的磨削损伤。制约了优化磨削工艺参数的可行性，增加了应 纳米结构硬质合金磨削理论和工艺实验研究 用中的不稳定性和危险性。上述问题严重地制约了纳米结构硬质合金在工程中的 应用和推广，影响了其优异性能的发挥，也制约了工程技术的进步发展。因此对 纳米结构硬质合金磨削过程、磨削力、比磨削能、材料去除和表面完整性等相关 理论和工艺进行全面深入地研究尤显重要。国内外研究者对传统结构硬质合金的 磨削理论和工艺已作了大量研究【1 7 , 7 3 - 7 7 】，但对新型的纳米结构硬质合金和热喷涂 的纳米结构硬质合金涂层磨削理论和工艺的研究处于起步阶段 7 8 , 7 9 】，还有大量的 理论和工艺实验研究工作需要完善。 本文旨在通过建立数学模型和开展磨削工艺实验，构建纳米结构硬质合金磨 削的基础理论：揭示纳米结构硬质合金的磨削力、比磨削能、表面完整性和材料 去除方式与工艺参数和纳米结构硬质合金物理机械性能间的关系；探讨纳米结构 硬质合金的磨削机理。为寻求磨削工艺参数优化模型，实现纳米结构硬质合金高 效、经济、优质和低损伤地加工提供理论和实验基础。 1 2 纳米结构硬质合金 1 2 1 硬质合金发展历程 硬质合金是由难熔的金属碳化物( 如碳化钨w c ) 和金属粘结剂( 如钴c o ) ， 经粉末冶金方法制备而成【g 训。从1 9 2 3 年德国人s c h o r o t e r 首先采用粉末冶金方法 生产出w c c o 硬质合金以来，硬质合金经历了普通合金、亚微细晶粒合金、超细 及纳米晶粒合金阶段【1 , 1 2 , 8 0 】。由于世界各国硬质合金的种类和用途繁多，硬质合金 分类的国际标准尚未形成。目前普遍较为接受的划分标准是，按扫描电子显微镜 观察的硬质相w c 晶粒度所属区间来划分合金类别l 5 j 。 表1 i 硬质合金分类标准1 5 】 w c c o 硬质合金的物理机械性能，由硬脆的硬质相w c 和柔软有韧性的粘结 相c o 共同决定。硬质相w c 具有超常的硬度、耐磨损和耐磨蚀性能；粘结相c o 提高了合金韧性与断裂强度 1 , s 0 】。在一些需要承受较大冲击载荷的场合( 如冲压模 具) ，通常采用高c o ( 1 6 - - - ，2 5 wt ) 的硬质合金以提高其韧性。但随着粘结相含量 的提高，硬质合金的耐磨性会显著下降【1 1 ，1 3 】。这对于一些同时需要高韧性和高耐磨 性的场合( 如矿山工具等) 是不合适的。综合两者之间的矛盾，使两者得到共同 提高是材料研究者直努力的方向。 2 博七学位论文 研究表明，减小w c 晶粒度可改善硬质合金的物理机械性能【8 , 1 2 , 8 1 】。硬质合金 中的w c 晶粒越细，合金缺陷越少，粘结相c o 的平均自由程减小。当其它一切条 件等同的情况下，硬质合金的物理机械性能，如硬度、模量、耐磨性、抗弯强度 等都随着硬质相w c 的平均晶粒度变小、粒度分布变窄而得到增强【1 , 1 3 】。在烧结温 度下粘结相金属c o 已呈液态，c o 的弥散性也因较细w c 粉末原材料而得到改善 i l 】。表1 2 中列举了从“九五 至今我国开发的超细硬质合金性能情况【5 1 。当w c 晶粒度减小到0 2 i t m 时，硬质合金的物理机械性能会发生突变【1 , 1 3 1 。因此，材料研 究者希望能制备出含纳米级w c 晶粒的纳米结构硬质合金，利用小尺寸效益彻底 解决硬质合金材料在硬度和强度间的矛盾。 表1 2 国内研制的超细硬质合金性能5 】 1 2 2 纳米结构硬质合金制备 w c 粉末的晶粒度和纯度不仅影响硬质合金中w c 颗粒的晶粒尺寸，更是提 高硬质合金物理机械性能的关键环节【8 , 9 , 1 1 , 2 0 。纳米级w c 粉末的制备方法有多种， 目前研究得比较深入的有喷雾干燥法、溶胶凝胶法、冷凝干燥法、气相沉积、反 应喷射工艺、机械化学合成法、机械一热化学工艺合成和真空等离子体喷射沉积 等方法【2 1 , 2 2 , 2 6 , 3 4 】。 由于硬质合金的组织和性能对烧结的温度、工艺参数以及合金成分比较敏感， 并且受液相烧结时的致密化速率等因素的影响【l 】。纳米级w c 粉末的比表面积大、 粉末活性强，其烧结机制与传统w c 粉末有很大区别l 1 , 3 3 】。材料研究者开发出多种 适合纳米级w c 粉末烧结新技术，例如热等静压、快速热等静压、超高压烧结、微 波烧结、电磁场烧结、冲击波烧结和高能高速烧结等技术 2 7 , 2 9 , 3 1 , 3 3 - 3 8 1 。纳米结构硬 质合金烧结的关键是控制纳米级w c 晶粒在烧结过程中的长大。纳米结