（机械制造及其自动化专业论文）纳米结构碳化钨钴涂层精密磨削机理的实验研究.pdf

硕士学生论t 摘要 纳米结构陶瓷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， 其优良的性能使其在工程上有着极其广泛的应用前景。本文对n w c 1 2 c o 涂 层精密磨削的磨削机理进行了研究。通过实验研究、理论建模和分析，揭示了 n w c 1 2 c o 涂层精密磨削机理，其研究成果对纳米结构陶瓷涂层工业化应用和 陶瓷材料精密磨削理论的完善具有重要的理论价值和实用价值。 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自0 的基础理论进 行了初步的分析，提出了构建n - w c 1 2 c o 涂层精密磨削基础理论的研究思 路。论文对n w c 1 2 c o 涂层精密磨削的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n w c 1 2 c o 涂层精密磨削过程进行了 较详细的试验研究，分析了磨削参数如砂轮磨削深度、工件进给速度、金刚石 砂轮粘结剂类型和磨粒尺寸等对n w c ，1 2 c o 涂层材料精密磨削的磨削力、磨 削力分力比、比磨削能、磨削表面租裢度、磨削后表面亚表面损伤等可磨削性 指标的影响规律。通过研究，基于磨削力随磨削用量参数变化的分段特征，分 段建立了n w c 1 2 c o 涂层精密磨削的单颗磨粒法向磨肖0 力模型，磨削力理论 模型既考虑了砂轮磨削深度、工件进给速度和砂轮速度等磨削用量参数，也考 虑了材料初始切入力。研究表明：磨削力随砂轮磨削深度、工件进给速度的增 大而增大：砂轮磨粒尺寸和砂轮粘结n 磨屑工件涂层表面间滑擦作用等因素 对n w c 1 2 c o 涂层精密磨自u 的可磨削性指标有较大影响；磨削1 1 w c 1 2 c o 涂 层时，为获得理想的磨削表面粗糙度r 。值，存在合理的砂轮磨削深度和工件进 给速度范围。 论文分析总结了陶瓷磨肖q 时材料去除机理的三种分类方式，基于n w c 】2 c o 涂层可磨削性规律的实验结果，结合被磨试件表面亚表面的s e m 观 察，充分揭示n w c 1 2 c o 涂层磨削时的材料去除机理，在大多数磨削条件 下，1 3 一w c 1 2 c o 磨削的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。 关键词：纳米结构陶瓷涂层；精密磨削；实验研究；磨削机理：磨削力 材料去除机理 塑童篁丝堡! ! 篁篁鎏星墓童璧型璺矍墼至竺竺圣 a b s t r a c t n a n os t r u c t u r e dc e r a m i cc o a t i n g si s an o v e lc l a sso fe n g i n e e r i n g m a t e r i a li nr e e e n ty e a r s ，i t sf i n ep r o p e r t i e sm a k ei th a v ev e r ye x t e n s i v e a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e i ni n d us t r y t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ep r e c i s i o n g r i n d i n g m e c h a n i s m sf o rn a n o s t r u c t u r e dc e r a m i cc o a t i n g sr n w c 1 2 c o ) t h r o u g he x p e r i m e n t i a li 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 ， p r e c i s i o ng r i n d i n g m e c h a n i s m sf o rn 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 ( n - w c 12 c o ) a r ed is c u s s e d t h er e s u l t sa d dag r e a tv a l u et ot h en a n o a t r u c t u r e d c e r a m i cc o a t i n g si nt e r m so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n f i r s t l y ，b a s e d o nt h el i t e r a t u r er e v i e w s ，t h i sp a p e rp u t sf 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 rt h eg r i n d i n gm 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 c c o a t i n g s ，a s w e l la st h et r a i no ft h o u g h tf o rs t u d y i n gi t t h ep a p e r c o m p r e h e n s i v e l yi n t r o d u c e s t 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 yi n g r i n d i n go 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 i np r e s e n tp a p e r ，t h ep r e c i s i o ng r i n d i n gp r o c e s so ft h e r m a l l ys p r a y e d n a n o s t r u c t u r e dc e r a m i cc o a t i n g s ( n - w c 12 c o ) w i t hd i a m o n dw h e e l i s s t u d i e di nd e t a i l t h ee f f e c to fg 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 gd e p t h o fg r i n d i n gw h e e l ，f e e d r a t e ，b o n dt y p ea sw e l la sw h e e lg r i ts i z eong r i n d i n g f o r c e ，g r i n d i n gf o r c er a t i o ，s p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g y ，s u r f a c er o u g h n e s s ， s u r f a c ed a m a g e sa n ds u b s u r f a c ed a m a g e sa r ea n a l y z e d d i f f e r e n tg r i n d i n g f o r c em o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e df o rs i n g l ea b r a s i v eg r i t sa td i f f e r e n t s t a g e s o ft h eg r i n d i n gp r o c e s s t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fg r i n d i n gf or c e i n v o l v e sg r i n d i n gd e p t ho fg r i n d i n gw h e e l ，f e e d r a t e ，s p e e do fg r i n d i n g w h e e i ，a sw e l la st h eb r e a k - i nf c i r c eo ft h em a t e r i a l i tt u r n so u tt h a t g r i n d i n gf o r c ei n c r e a s e sw i t ht h ed e p t ho fc u ta n df e d e r a t e t h ea b r a s i v e g r i t s o ft h e g r i n d i n g w h e e la n dt h et r i b o l o g i c a li n t e r a c t i o n so f b o n d c h i p w o r k p i e c es u r f a c ei nt h eg r i n d i n gz o n eb o t hh a v ea ne f f e c to nt h e g r i n d a b i l i t y t h e i ei sa p r o p e rr a n g eo fg r i n d i n gd e p t ha n df e e d r a t ef o r g e t t i n gl o w e rg r o u n ds u r f a c er o u g h n e s s t h i sp a p e rr e v i e w st h et h r e ek i n d so fm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m si n g r i n d i n go fc e r a m i cb a s e dont h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fg r i n d a b i l i t y ， c o m b i n e dw i t hs e mo bs e r v a t i o n so ft 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 一一 n a n os t f u c t u r e dc e r a m i cc o a t i n g sf n - w c 1 2 c o ) ，m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n is m i n c l u d i n g i n e l a s t i cd e f o r m a t i o na n dbr i t t l ed a m a g eo f n a n o s t r u c t u r e d c e r a m i cc o a t i n g s ( n w c i2 c o ) a r er e v e a l e di nm os tg r i n d i n gc o n d i t i o n s ， t h ep r e d o m i n a t em a t e r i a lr e m o v a l m e c h a n is mo fg r i n d i n gn a n o s t f u c t u r e d c e r a m i cc o a t i n g s ( n - w c 1 2 c o ) i si n e l a s t i cd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：n a n o s t r u c t u r e dc e r a m i c c o a t i n g ；p r e c i s i o ng r i n d i n g ； e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ；g r i n d i n gm e c h a n i s m s ；g r i n d i n g f o r c e ；m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m 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 他个人或集体己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： 莹f 丸 j 日期：抽弘年声月毋日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：“唯年乒月毋日 1 3 期：a 胃哗年午月莎日 走坼 基鼢j i j 学位论史 1 1 本文研究背景 第1 章绪论 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提出了许多 特殊要求，如耐高温、抗腐蚀、耐磨损等。为此科学工作者研制出了新型工程陶 瓷材料，这种材料的组成、显微结构及性能都明显的不同于金属材料。工程陶瓷 是一种新型的硬脆材料，一其具有许多优良的物理、机械性能，如高强度、高硬度、 高韧性、耐腐蚀、绝缘、化学稳定性好等等。自8 0 年代以来，美国、日本、德 国等发达国家竟相投入大量的资金来研究工程陶瓷材料的制各、加工理论、加工 技术和产品开发。事实上，发达国家已将高性能工程陶瓷材料列为优先发展领域， 我国也把陶瓷材料作为国家重点科技攻关项目。 近十多年来，纳米材料技术得到迅速发展，当材料晶粒尺寸小到纳米级( 几 十纳米) 时，就得到一种新型材料，叫做纳米结构材料。基于h a l l p e t c h 关系， 纳米结构材料将会具有很高的硬度。对大多数普通结构的工程材料而言，随着材 料硬度的增加，其韧性是减小的。但纳米结构材料则不然，以w c c o 材料为例， 研究表明【l 】，当w c 晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧性、强度、 耐磨性能都得到了提高。尤其是纳米w c 材料能够在提高硬度的前提下显著地 提高了材料的韧性。 纳米材料制备的关键因素是原始粉末粒度、晶粒长大抑制剂和烧结工艺。 目前存在的主要问题是烧结过程中的晶粒长大【2 】。由于烧结和团聚等难题的困 扰，目前制备纳米结构陶瓷块体材料还存在一定的技术困难。为发挥纳米材料的 优异性能，制备纳米结构陶瓷涂层已成为一条重要途经。而在众多的纳米陶瓷涂 层的制备方法中，采用热喷涂方法制备纳米结构陶瓷涂层有可能很快导致纳米结 构材料在工业上应用的实现【3 】。纳米粉体不能直接用于热喷涂，由于粒径( 1 1 0 0 n m ) 和质量太小及喷涂过程中容易烧结，需先将纳米粉体材料制备成能够直 接热喷涂的纳米结构喂料( n a n o s t r u c t u r e df e e d s t o c k ) 1 4 ，5 】。也就是将纳米级陶瓷颗 粒经颗粒重组工艺形成具有纳米结构的微米级聚合体进行热喷涂。 纳米结构陶瓷涂层具有优异的性能，有望替代现有的陶瓷涂层，在需要提 高耐磨蚀、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等性能的零部件上获得十分广泛的应用【3 】。 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 纳米结构碳化钨 涂甚稍惭磨削目l 皿r 的实验研兜 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。 纳米结构陶瓷涂层组装技术及其后续精密加工技术的发展将使纳米结构陶 瓷涂层无论用作结构涂层还是功能涂层；无论是军用还是民用都具有极大、极广 的应用前景。纳米结构陶瓷涂层研究的文献报道越来越多，其研究开发也引起了 各国政府和材料界的高度重视。在我国，纳米涂层材料的制备和应用研究已被列 为国家“十五”期间材料领域重点研究的方向之一p 】。 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，而在 纳米结构陶瓷涂层精密磨削( 加工) 机理方面，最近才有一些研究报道【6 _ 2 1 ，这些 研究是采用立式平面磨床端面磨削方式，而国内普遍采用卧矩台平面磨削工艺， 因此有必要对卧矩台平面磨削纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理进行实验研究。 本文正是基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 对纳米结构陶瓷涂层精密磨削加工方面的研究报道较少这一背景下提出的。本文 以近些年来新出现的纳米碳化钨钴( n w c 1 2 c o ) 陶瓷涂层材料为研究对象，+ 采用 卧矩台平面磨削方式，通过实验研究结合理论分析等手段，主要研究磨削参数对 纳米结构碳化钨钻涂层材料精密磨削的可磨削性指标的影响规律；揭示纳米结 构陶瓷涂层精密磨削的材料去除杌理：建立反映磨削参数与磨削力的磨削物理模 型；研究纳米结构陶瓷涂层材料精密磨削过程特性及其加工质量。 1 1 1 纳米结构喷涂陶瓷材料 1 1 1 1 热喷涂陶瓷涂层 热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状或粉末状的材 料加热至熔化或半熔化状态，通过高速气流使其雾化，并加速形成高速熔滴，喷 向基体在其上形成涂层，可以对材料表面性能( 如耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温 隔热性等) 进行强化或再生，起到保护作用，并能对因磨损腐蚀或加工超差引起 的零件尺寸减小进行恢复。同时，还可以赋予材料表面以特殊性能( 如电学、光 学等性能) f b 】。在热喷涂材料方面，近年来越来越多地使用陶瓷材料粉末及其复 合材料粉末。常用的陶瓷粉末有：氧化物、碳化物和复合材料粉末。近年来，人 们趋向于在金属基体上( 如钢) 采用高速火焰喷涂( h o v f ) 或等离子喷涂w c c o 、 a 1 2 0 3 t i 0 2 等陶瓷材料制各陶瓷涂层。 近年来，热喷涂技术己向高能高速喷涂方向发展，以超音速火焰喷涂及等离 子喷涂为代表，这两种方法都是通过大幅度提高喷涂颗粒的速度来获得高质量涂 层1 14 。h v o f 适合喷涂金属粉、合金粉、混合粉以及碳化物粉，特别适用的有 在金属基体中含有碳化物的涂层( 如w c c o 涂层) ，等离子喷涂己用于不锈钢及 碳化钨粉末涂层，尤其适用于a 1 2 0 3 、c r 2 0 3 及a 1 2 0 3 t i o ，_ 等陶瓷粉末涂层l 】“。 热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，颗粒 坝l “学位沦殳 与颗粒之问不可避免的存在一定孔隙或空洞，j l 隙率一般在4 2 0 之问，涂 层中还伴有氧化物和夹杂 1 “。喷涂涂层的形成过程决定了涂层结构及性能。喷 涂的最基本过程包括两个作用过程，其一是粒子与热源的相互作用( 加热、加速 等) 过程，决定粒子的状态：其二是熔滴与基体的相互作用( 粒子与基体的碰撞、 扁平化、冷却凝固等) 过程，决定粒子的结构、以及与基体或已形成的涂层表面 的相互作用，从而决定涂层的结构和性能【l3 1 。热喷涂工艺中影响涂层质量的基 本因素有：喷涂材料的加热温度( 热能) ，喷涂材料撞击到基体材料上的速度( 动 能) ，以及加热、喷涂、冷却时，喷涂材料和基体材料的氧化程度( 喷涂气氛) 【i4 1 。 决定热喷涂涂层质量的基本原理是：高的燃烧室温度及压力高的喷涂燃流速 度高的颗粒飞行速度高的涂层质量( 高的结合强度、密度和硬度) 【i 。 1 1 1 2 纳米结构喷涂材料重组新工艺 纳米材料又称纳米结构、纳米结晶或纳米复合材料，是指在纳米( 1 0 - o m ) 长度 范围( 1 1 0 0 n m ) 内的微粒、结构或纳米复合的材料，其晶粒尺寸至少在一维方向 上小于1 0 0 n m 。纳米结构材料具有以下三个特征：具有尺寸小于1 0 0 n m 的原子区 域( 晶粒或相) ，显著的界面原子数，组成区域间相互作甩【l7 1 。按照纳米结构材料 的空间维数可以分为以下四种：( 1 ) 零维的原子簇和原子簇的集合，( 2 ) 一维的多 层薄膜，( 3 ) - - 维的超细颗粒覆盖膜，( 4 ) 三维的纳米块体材料【1 7 ，l 引。作为纳米材 料的一个重要分支，纳米陶瓷是指其显微结构中晶粒、晶界以及它们之间的结合 都处于纳米尺寸水平，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺 寸都在1 0 0 n m 及以下【i 叭。纳米陶瓷具有类似金属的超塑性( 所谓超塑性是指材料 在一定的应变率下产生较大的拉伸形变) ，这已成为纳米材料研究中最令人注目 的焦点之一，也使得彻底解决陶瓷的脆性问题成为可能【l ”。 纳米材料的大量晶界和小尺寸效应这两大特性使其可用于制各纳米结构涂 层 3 1 。用纳米陶瓷颗粒热喷涂制各纳米结构涂层时，需要解决两个问题：一是纳 米陶瓷粉末的输送问题，由于纳米颗粒质量太小，比表面积又大，在喷涂过程中 容易造成输送管道堵塞。此外，因为冲量小，纳米颗粒无法在基材上沉积并形成 致密涂层，不能用于直接喷涂；二是在热喷涂工艺过程中如何保证纳米粒子不被 烧结长大，在最终的涂层中保持纳米晶结构【3 ，5 】。目前解决问题的常用办法之一 是将纳米级陶瓷颗粒经造粒工艺形成具有纳米结构的微米级粒料，然后用于热喷 涂。为了使涂层保持纳米级晶粒结构，一般选用喷涂速度快的方法进行喷涂f 如 等离子喷涂和h v o f 喷涂) 。等离子喷涂是一个快速的工艺过程，温度高 ( 1 0 0 0 0 0 c ) 、冷却速率极快( 1 0 6 1 0 7 k s ) 、粉末原料在等离子火焰中停留的时间 小于l o 3 s ，原子来不及扩散，纳米粒子生长受限，因此在涂层中形成纳米晶。 快速的加热和短时间的停留有效抑制了颗粒的长大、元素的扩散、第二相的形成 和长大。只要控制好条件，纳米陶瓷颗粒在喷涂过程中不会被烧结长大。强大的 冲击力使这些颗粒与基材形成的粘结性好，孔隙率小的致密涂层【”。 过去的几年中，热喷涂法制备纳米结构w c 。c o 涂层引起了人们广泛的兴趣。 1 9 9 4 年，美国c o n n e c t i c u t 大学的s t r u t t 研究小组首先应用热喷涂技术进行了纳 米结构w c 1 0 c o 涂层制备研究1 3 l ，研究结果显示：利用h v o f 不仅可以制各出 具有纳米结构的陶瓷涂层，而且所制备的纳米结构w c 1 0 c o 涂层还具有较高的 硬度( h v l 8 1 9 g p a ) 和很好的结合强度。但也有文献报道【2 0 】，使用h v o f 喷涂 方法制备的纳米结构w c c o 涂层的抗磨料磨损性能在所有测试条件下比用普通 粉末的喷涂涂层的抗磨损性能要差些，这主要是因为在热喷涂过程中，受纳米 w c c o 粉末颗粒的影响，使w c 晶粒的分解程度高，导致了w c 硬质相体积百 分比的减少，以及富含的钴粘结相非晶化。 1 1 2 纳米结构陶瓷涂层精密磨削的磨削机理研究 1 1 2 1 纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理的研究思路 纳米结构陶瓷涂层材料的高硬度、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，但其加工较困难，作为工程陶瓷最主要加工方法的超硬磨料磨削的方法， 有望成为加工纳米结构陶瓷涂层材料的最重要方法。 目前国内外对纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理及相关技术的研究较少，可在 现有的工程陶瓷磨削方面已的研究成果中得到依据和思路，并特别考虑纳米结构 涂层又不同于块体材料这一特性。在进行纳米结构陶瓷涂层精密磨削的研究时， 完全能够也有必要从材料科学领域学者们在纳米结构和普通结构陶瓷涂层摩擦 磨损实验等研究方面己取得的一些成果和思路中得到启发。基于本文的研究目的 是揭示纳米结构陶瓷涂层的磨削机理，那么有关陶瓷涂层及陶瓷块体材料特性特 别是磨损特性方面的研究成果对本文的研究也有很大的借鉴意义。 1 1 2 2 工程陶瓷磨削概述 工程陶瓷是一种难加工材料，加工时表现出的高硬度、高脆性与其物理化学 结构性能有关。研究表明，工程陶瓷是由共价键、离子键混合组成的物质，在常 温下对剪切力的变形阻力很大，且硬度很高。如a 1 2 0 s 中共价键与离子键之比为 4 ：6 ，s i c 中共价键与离子键之比为9 ：l 。含离子键较多的材料易受温度的影响， 而共价键在温度变化过程中比较稳定，即共价键材料具有低的热膨胀率和高的热 传导率，而且化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，使陶瓷显示 出很大的脆性，成为难加工材料。在常温下，陶瓷材料对剪切变形的阻力比金属 大的多。在陶瓷材料的加工过程中，容易萌生裂纹以至发生脆性断裂，不能象加 4 - 坝i j 学位论丘： 工金属材料那样采用切削的方法通过剪切滑移除去加工余量。特别是加工精度 高、形状复杂的零件非常困难，导致精加工费用大大增加。 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【2 i 22 1 。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【2 1 , 2 2 。工程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1 2 1 2 5 1 。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，又将受到那 些导致陶瓷元件强度损失的表面，亚表面损伤所限制。 关于工程陶瓷的磨削加工，国内外学者已进行了大量深入的研究，在陶瓷磨 削的材料去除机理，陶瓷磨削的磨削力、磨削力分力比、比磨削能、表面粗糙度 等规律，磨削加工表面亚表面损伤定性定量分析，磨削过程砂轮和加工工艺参 数选择，机床工具刚度对陶瓷磨削过程的影响，砂轮修整技术发展等等方面已取 得了不少有价值的结论 6 - 1 2 , 2 1 - 2 5 】。这些相关研究成果将对本文的纳米结构涂层材 料精密的磨削机理的研究提供借鉴和理论依据。 1 - 2 本文研究内容、目的和意义 本文基于纳米结构陶瓷涂层所具有极大和极广的应用前景，以及国内外在纳 米结构和普通结构陶瓷涂层精密磨削加工方面的研究报道较少这一背景下提出 的。本文对近些年来新出现的纳米结构碳化钨钴陶瓷涂层的精密磨削的磨削机 理进行研究。研究中借鉴了有关国内外在工程陶瓷磨削机理方面已取得的研究 成果外，同时还特别考虑了纳米结构涂层特性这个因素。 本文首先对工程陶瓷磨削的磨削机理进行综合分析，进而对纳米结构陶瓷涂 层材料精密磨削的磨削机理进行初步分析，并提出其研究思路。然后，采用卧 矩台平面磨削方式，通过大量实验研究结合理论分析，主要研究磨削参数对纳 米结构陶瓷涂层材料精密磨削的磨削力、磨削力分力比、比磨削能、磨削表面 粗糙度、磨削后表面亚表面损伤等可磨削性指标的影响规律；结合s e m 观测， 充分揭示纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理；建立反映磨削参数与磨 削力定量关系的磨削物理模型。 纳朱 怕碳化钨计泺层精惭磨| ! j | j 机删的实验州究 本文目的就是基本揭示纳米结构陶瓷涂层材料精密磨削的磨削机理，得到磨 削参数( 如磨削用量参数、砂轮特性参数) 对纳米结构陶瓷涂层磨削的可磨削性指 标的影响规律，以指导纳米结构陶瓷涂层材料的精密加工。 本文研究内容具有较强的前瞻性和创新性，所涉及的学科交叉性强，其研 究成果将为新型纳米结构陶瓷涂层材料的实际工程应用、纳米结构材料精密磨 削技术的理论体系的建立以及我国特种材料精密加工技术水平的提高奠定基 础。 1 3 课题来源和论文主要组成 1 3 1 课题来源 国家高技术发展计划8 6 3 计划课题：特种材料( 纳米结构材料) 精密磨削及其 预报( 项目编号：2 0 0 1 a a 4 2 1 1 8 0 ) 1 3 2 本文组成 本文由以下部分组成： 第1 章绪论：介绍本文研究背景、内容、目的和意义以及本文组成。 第2 章纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理初步分析：对国内外学者在陶瓷涂 层及陶瓷块体材料( 包括w c c o 和a 1 2 0 3 t i 0 2 金属陶瓷) 磨损特性、工程陶瓷磨 削机理等方面的研究工作作较全面的分析综合，在此基础上，对纳米结构陶瓷涂 层材料精密磨削机理进行初步分析，并提出其研究思路。 第3 章纳米结构碳化钨钴涂层精密磨削实验方案：对实验的纳米结构涂层 材料、磨削实验用精密磨床、金刚石砂轮及其修整、磨削实验工艺参数、实验数 据获取方案、表面亚表面损伤测量等进行介绍。 第4 章纳米结构碳化钨钴涂层磨削力的研究：磨削参数对n w c 1 2 c o 涂层 磨削力影响规律的研究；n w c 1 2 c o 涂层磨削力模型建立及实验验证；磨削参 数对n w c 1 2 c o 涂层磨削力分力比和比磨削能影响规律的研究。 第5 章磨削表面粗糙度和材料去除机理研究：n w c 1 2 c o 涂层精密磨削的 表面粗糙度规律的试验研究：a w c 1 2 c o 涂层精密磨削后s e m 分析和磨削材料 去除机理的研究。 1 4 本章小结 本章简单介绍了纳米结构陶瓷涂层的优异性能、制备方法以及其广泛的应 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。 第2 章纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理初步分析 本文对纳米结构w c c o 涂层精密磨削的磨削机理进行研究，其基础理论与 国内外学者关于工程陶瓷磨削机理等方面已取得的研究成果具有相当大的相似 性。同时要考虑到纳米结构涂层结构特性这个因素，有关陶瓷涂层及w c c o 块 体材料摩擦磨损特性方面的研究成果对本文研究也有非常大的指导意义。 本章对国内外学者关于陶瓷涂层及陶瓷块体材料磨损特性、工程陶瓷磨削机 理等方面的研究成果作较全面的分析与综合，在此基础上对纳米结构陶瓷涂层精 密磨削的磨削机理进行了初步分析，并提出其研究思路。 2 1 纳米结构陶瓷涂层材料的特性 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、磨酗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 估的。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z r 0 2 到a 1 2 0 3 t i 0 2 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【3 】。等离子喷涂的纳米w c c o 涂层在4 0 6 0 n 的载荷下，其磨损率仅 是同条件下普通涂层磨损率的1 1 6 ，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p j 。 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【3 】。 2 2 纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理 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w c c o 涂层磨削的材料去除中，占主导地位的是塑性变形去除 纳水结枷碳化钨自l i 泺屡精惭脯f ! j l j 目u _ ! h 的实验究 方式，磨削表面粗糙度低；而在纳米结构a 1 2 0 3 t i 0 2 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。出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。下面通过分析工程陶瓷磨削的磨 削时的材料去除机理，可以得到纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理。 2 2 1 工程陶瓷材料的特性 工程陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度、低膨胀系数以及耐高温、耐磨 损、抗腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，己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【2 “。 工程陶瓷材料由于其材料中密度低、位错少、晶体迁移率低，因而具有很高 的硬度【2 7 , 2 8 】。又由于工程陶瓷材料的抗拉强度远远低于其抗压强度( 拉压比一般 约为l 1 0 ) ，所以拉应力对材料更容易造成损伤。在陶瓷材料的加工过程中，拉 应力的形成也是不可避免的。而陶瓷晶体的滑移系统比金属少得多，由位错产生 滑移变形将非常困难。由于陶瓷材料较大原予间隙、低表面能和较大弹性模量使 得陶瓷材料呈现出高的脆性1 2 a 。陶瓷材料韧性极低，一般在受载后未发生塑性 变形就在很低的应力下断裂。陶瓷材料的脆性还可由其断裂韧性进行估计【2 引。 实际上陶瓷在加工和使用中受到一定的外力作用发生开裂，而此时的应力往往是 低于许用应力的，所以要解释低应力开裂这种现象就必须引入断裂韧性疋这个 概念。疋反映的是具有裂纹的陶瓷材料对外界的一种抵抗能力，实质上是阻止 裂纹扩展的能力，是工程陶瓷的内在特性【2 ”。陶瓷材料的内部和表面在加工时 很容易产生微观裂纹，受载时裂纹的尖端会产生很大的应力集中，应力集中的能 量又不能由塑性变形来释放，故裂纹会很快的得到扩展而致使材料断裂。 工程陶瓷不易产生塑性变形，大都表现为脆性破坏，因此陶瓷磨削在材料去 除机理方面与金属磨削有很大的不同，其磨削加工受工件材料特性、磨削加工工 艺参数、砂轮磨粒尺寸和粘结剂类型、砂轮修整条件、冷却液供给状况及机床剐 度等因素的影响。 2 2 2 “压痕断裂力学”模型和“切削加工”模型 对陶瓷加工，目前广泛采用的主要是使用金刚石工具( 主要是砂轮) 的磨削加 工方法。而金刚石砂轮磨削工程陶瓷的磨削去除机理，不同的学者又有着不同的 解释。但是大多数研究都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来进 行近似处理 2 3 , 2 9 - 3 3j 。 陶瓷材料磨削过程中，磨粒的作用过程是从磨粒切入工件时磨削深度( 磨削 力) 由小而逐渐增大到进一步增大，然后磨粒逐步离开加工区即磨削深度( 磨削力) 由大而逐渐减小直到减小为零，最后脱离加工区等过程，陶瓷材料的压痕这个过 程与普通维氏四面体会刚石压头所经历的从加载到进一步加载到卸载到最后离 一8 一 坝 j 学旺沧上 丌工件的几个阶段的过程是基本相同的，因此可借助压痕断裂力学来分析陶瓷材 料的磨削过程，把陶瓷磨削中磨粒与工件的相互作用近似看成理想的小规模压痕 现象，研究磨削裂纹的形成与扩展过程，从而进一步研究材料的去除过程以及陶 瓷磨削表面缺陷，评价陶瓷加工表面质量。材料的去除一方面是出于磨粒切入工 件时，磨粒切肖刃前方的材料受到挤压，当压应力值超过陶瓷材料的极限应力时， 便被压溃，形成大量的碎屑；另一方面由于压应力和摩擦热的作用，磨粒下方的 材料产生局部塑性流动，形成变形层，当磨粒划过后，由于应力的消失，引起变 形层从工件上脱离，形成切屑。 基于压痕断裂力学模型，结合磨粒作用过程中的应力分析，陶瓷材料精密磨 削时在磨粒作用后的变形行为及裂纹系统可用图2 1 来说明 t l , 2 1 , 3 4 , 3 5 。 图2 1 陶瓷磨削中金刚石砂轮磨粒作用后的材料的变形和裂纹系统 在图2 1 中，压头正下方是死区以及非弹性变形区。加载过程中，死区材料 没有变形。在磨粒的切深由小而逐渐加大的过程中，工件材料的变形由最初的弹 性接触阶段而进入到塑性变形阶段，再进一步发展到微观裂纹形成阶段。由于磨 粒的作用，非弹性变形区的材料向磨痕的两侧流动，从而形成堆积现象。 当磨粒的切深进一步加大时，非弹性变形区由于受到磨粒挤压，在载荷作用 下会加剧侧向流动，非弹性区被进一步扩大。由于压头作用所产生的楔形效应以 及非弹性区材料的侧向流动，弹性区的材料会由于摩擦作用，在非弹性区弹性 区边界处产生摩擦应力，摩擦应力使得弹性区边界的材料产生拉应力，当拉应力 超过材料的极限应力( 抗拉强度) 时，就会形成中位径向裂纹。在最大拉应力处或 从非弹性弹性边界的固有的一个或多个微裂纹处产生新的微观裂纹。摩擦应力 给微观裂纹扩展成为宏观裂纹提供原动力。通常宏观裂纹产生于磨粒的前下方， 纳水； f f j 碳化钨铀海崖梢常膳削帆心的实鸵时h 且向材料内部扩展，形成所谓的中位，径向裂纹( m e d i a nc r a c k ) ，由于中位裂纹几 乎与工件表面垂直，通常认为中位径向裂纹导致材料强度降低。 当磨粒划过加工区，类似于压头卸载过程的开始。在卸载过程中，非弹性区 内材料的变形不再增加，其侧向流动也停止，弹性区的材料也会因卸载过程的终 结而产生弹性回复。弹性回复使得非弹性区弹性区边界的摩擦应力改变方向， 中位裂纹也由于弹性回复而趋于闭合。同时，由于弹性回复的作用，非弹性区材 料受到挤压，而弹性区材料在左右两侧同时受到拉应力的作用。拉应力在中位裂 纹与材料自由表面之间沿非弹性区边界上某一点达到最大值。当拉应力超过材料 的极限强度值时，另一种宏观裂纹即横向裂纹( l a t e r a lc r a c k ) 贝i 可能在最大应力 点附近形成，并且与非弹性区弹性区边界的切线垂直。横向裂纹随着卸载( 磨粒 的进一步离去) 过程的完成而扩展。横向裂纹也可能起始于非弹性区弹性区边界 上由于加载f 磨粒的逼近) 所形成的微观裂纹处。在卸载过程中，根据裂纹扩展的 最小阻力原理，横向裂纹并不一定沿着直线路径扩展，而是逐渐向自由表面方向 弯曲，横向裂纹扩展至材料表面并导致表层材料的碎裂及脱落。通常认为，横向 裂纹向自由表面的偏移导致材料的去除( 形成磨屑) 【9 t 1 1 , 2 1 1 。 对陶瓷材料去除机理的研究也表明，在一定的加工条件下，陶瓷涂层材料能 够以塑性流动的方式被去除，压痕断裂力学模型预测了产生横向裂纹i 临界载荷， 在低于这一临界载荷加工条件时，材料去除将以塑性变形去除为主，塑性变形去 除方式类似于金属磨削中的切屑成形过程，其中涉及了滑擦、耕犁和切屑成形， 材料是以剪切切屑成形方式去除的2 3 4 , 3 4 3 5 。 在过去的几十年里，许多学者对各种硬脆材料进行了大量的压痕实验，即以 一定的垂直载荷将金刚石压头压入材料内部一定的深度来观察材料的变形情况。 在压痕实验的加载到卸载这样一个完整循环中，破坏裂纹由产生到扩展的过程如 图2 2 所示 9 , 3 4 , 3 5 1 。 i i h ) + ! l 、l ， r+ t ”一一r 一+ ； l ；弋“1 弋尹 二一一一一 图2 2 尖锐压头作用下的材料变形过程和裂纹系统f ” 了。专l 簟要等喜 罩亨一 对图2 2 中( i ) ( v i ) 的说明是：( i ) 初始加载：尖锐压头压入材料表面，压应 力的作用使得压头正下方的试件材料发生非弹性流动，接触区产生一不可恢复的 变形区( 永久塑性变形区) ，没有任何裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 ( i i ) 临界区：在某一临界载荷，变形区中丌始出现裂纹，并在压头正下方应力集 中处产生亚表面中位，径向裂纹，并随压力载荷的增大而扩展；( i i i ) 裂纹增长区： 载荷增加，裂纹持续向下扩展；( i v ) 初始卸载阶段：表面下的中位裂纹闭合，但 同时随着弹性接触恢复，表面上产生残余应力区；( v ) 侧向裂纹产生：在压头移 去之前，残余应力区占主导，进一步向表面径向扩展，向横向扩展过程中形成第 二个裂纹系统，在接近变形区表面产生横向裂纹；( v i ) 完全卸载：侧向裂纹继续 扩展，中位裂纹、横向裂纹最终形成以载荷点为中心的半币形状裂纹系统，若裂 纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。因此压头正下方形成两个主要裂纹系统：中位 径向裂纹和横向裂纹。中位径向裂纹的扩展通常导致材料强度的降低，而横向 裂纹向自由表面的偏移导致材料的去除( 形成切屑) 【9 3 4 , 3 s l 。 根据压痕断裂力学模型，只要压头( 单颗磨粒) 上所受的力p 超过临界值， 就会产生中位径向裂纹，且主要以脆性方式去除，其临界载荷p 为 2 3 , 3 5 ： p + = 5 4 5 ( a r 2 y 4 ) ( 霹h )( 2 1 ) 式中：口是常数( 普通维氏压头萨2 ，7 c ) ，7 和堤常数( 轳1 ，z o 2 ) ，疋为陶瓷材料 的断裂韧性，h 为材料的维氏硬度。 结合实际磨削条件的影响，本文认为产生横向裂纹的临界载荷只+ 为【9 ，： 只+ = 2 x 1 0 5 c ( 霹h 3 )( 2 2 ) 式中c 是考虑包括磨削液、磨削用量参数等实际磨削条件对加工影响的修正系 数，可通过实验得到。 将只值与单颗磨粒平均载荷相比较，可以用来预测磨削过程是横向断裂过 程还是塑性切除过程。从上式可以看出，产生裂纹的载荷临界值与陶瓷材料的硬 度及断裂韧性相关，当载荷低于这一临界值时，横向裂纹就不会出现，磨削过程 是塑性切除过程【1 1 ，3 6 】。 对于以塑性变形为主的非弹性变形方式来去除的涂层材料如1 1 w c 1 2 c o ， 采用位错塞积理论，基于位错塞积模型来建立产