纳米ZrO2增韧Al2O3复合陶瓷的超声磨削性能

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第４期　河南科技大学学报：自然科学版　Ｖ０１．２７　Ｎｏ．４　２００６年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｕｇ．　２００６　文章编号：１６７２—６８７１（２ｏｏ６｝ｏ４—００１２—０３　纳米ＺｒＯ２增韧ＡＩ２Ｏ３复合陶瓷的超声磨削性能　段铁林，冯大圣，赵波，秦军，井莉楠　（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作４５４０００）　摘要：采用树脂结合剂的金剐石砂轮，对纳米氧化锫增韧氧化铝复合陶瓷（纳米ＺＴＡ陶瓷）与普通纯　０３陶　瓷进行了超声磨削对比试验，对磨削加工表面显微形貌进行了ＳＥＭ观察，探讨了该材料超声磨削加工机理及　主要磨削参数对磨削力的影响。研究结果表明：对纳米ＺＴＡ陶瓷采用超声振动磨削可以获得较高的表面质　量和加工效率，因而是比较理想的加工方式。　关键词：纳米ＺＴＡ陶瓷；磨削性能；磨削参数；超声振动磨削　中图分类号：ＴＧ５８０．６９９；ＴＭ２８６　文献标识码：Ａ　０　前言　工程陶瓷材料由于其高硬度、高脆性而成为难加工材料。研究表明，在微米级陶瓷基体中引人纳米　分散相进行复合，可使陶瓷材料的强度、韧性大大提高，还可提高材料的硬度、弹性模量、抗蠕变性等　。　近年来，许多学者已对纳米复合陶瓷的制备过程、内部构造和可加工机制有了一定的研究，并取得了较　大的进展，但国内对纳米复合陶瓷的磨削加工性能的研究报道很少。　目前，陶瓷材料可磨削加工性能的研究相对落后［　Ｉ４】，因此开展磨削加工陶瓷材料的研究十分紧　迫。本文利用超精密磨床进行了纳米ＺＴＡ的磨削加工试验，探讨其材料去除机理和可磨削加工性，为　陶瓷材料的工业化应用提供技术支持。　１试验条件与方法　试验采用超精密数控机床对纳米ＺＴＡ陶瓷进行超声振动磨削加工，用扫描电镜研究磨削表面微观　特征和切屑形态，用ＹＤ．２００圆度仪测量圆度，用ＪＪＩ．Ｂ型三参数表面测量仪测量加工表面粗糙度，用三　向测力仪测量磨削力，用ＹＤ．１５型应变仪和ｓｃ　１６型光线记录示波器输出磨削力信号，同时进行数据采　样处理。然后绘制以磨削参数为变量的磨削力曲线。最后用ＳＥＭ观察磨削表面微观结构和形貌，并将　纳米ＺＴＡ与普通陶瓷材料的磨削进行对比研究。试验条件与纳米ＺＴＡ材料特性如表１、２所示。　表１　试验条件　表２纳米ＺＴＡ材料特性　参数　试验条件　参数　特性　密度／（ｇ／ｃｍ３）　４．６２—５．１０　工件　纳米２１＂０２复合陶瓷热压成形：６８９×ｄＰ７４×（２４—９０）；　断裂韧性／（ＭＰａ・ｍ　）　６．９—８．２　普通纯　ｏ３陶瓷（热压）：　４×ｑ７ｏ×４１．５　维氏硬度／（ＧＰａ）　２１　修整砂轮　金剐石砂轮，粒度ＤｏｘＢｘ　Ｄｉ＝６３０　％　１４　０１２＃。树脂结合剂；浓度１００％；　弹性模量／（ＧＰａ）　３１５　泊松比　０．３　修整条件　修整砂轮速度－３ｏｍ／ｓ；工作台往复速度　热冲击温度△　℃　３０ｏ一４０ｏ　Ｖｒ：５５０ｍｍ／ｍｉ　抗压强度／ＭＰａ　８５０—１３０ｏ　超声振　振动频率ｆ为２２．３７ｋＨｚ，振幅Ａ为ｌｌ，ｕｍ，发生器　抗弯强度／ＭＰａ　７５０—９０ｏ　动参数　功率Ｐ为９０Ｗ，垂直于砂轮线速度方向振动　耐磨性／（ｍＬ／ｒ）　１４　冷却　干磨削／乳化液　晶粒尺寸／ｎｍ　５０　基金项目：河南省创新人才基金项目（０４２１００１２００）　作者简介：段铁林（１９８２一），男，湖南新化人，硕士生　收稿日期：２００５—１２—２０　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　段铁林等：纳米２１０２增韧Ａｌ２　复合陶瓷的超声磨削性能　‘ｌ３‘　２试验结果与分析　工程陶瓷材料磨削机理目前主要有压痕断裂力学模型、切削模型等　Ｊ，总的来说塑性变形和脆性断　裂是材料去除的主要原因。在工程陶瓷磨削加工中，陶瓷材料的类别、磨削用量、砂轮结合剂的种类等　都是影响陶瓷工件表面质量的重要原因。　２．１磨削参数对磨削力的影响　磨削力是评价材料可磨削性优劣的一个重要指标［６】。本文主要从工件进给速度、砂轮磨削速度、磨　削深度等三个方面研究了它们对纳米ＺＴＡ陶瓷磨削力的影响。　（１）工件进给速度　对磨削力的影响。本试验采用１０００Ｂ型（树脂结合剂，磨粒尺寸ｌ５　ｍ）砂轮，　磨削深度ａ　＝１０￣ｔｍ，Ｖｓ＝３０ｍ／ｓ，　分别为２．６、９ｍｍ／ｓ。　图ｌ表明，在磨削条件相同的情况下，磨削力随着工件进给速度的增加而增大且呈递减趋势，这是　因为当　增大时，单颗磨粒的切削深度增大，使得总的磨削力增大。图ｌ还表明，在相同条件下，纳米　ＺＴＡ的磨削力比普通纯基体陶瓷的大，这是由于纳米ＺＴＡ陶瓷比普通纯基体陶瓷材料的耐磨损性能高　的缘故。另外，细粒度砂轮磨削的总磨削力比粗砂轮的要大，原因是在相同的磨削条件下，细粒度砂轮　实际参与切削的磨粒数比粗粒度砂轮要多得多。　（２）砂轮磨削速度　对磨削力的影响。同普通陶瓷一样，纳米ＺＴＡ陶瓷的磨削力也随着　的增　大而减少。这是因为　增大，一方面使磨粒的实际切削厚度减小，降低了每颗磨粒上的磨削力；另一　方面，产生高温，提高了陶瓷材料的断裂韧性，增加了塑性变形抗力。　（３）磨削深度０　对磨削力的影响。在　＝４　ｍｍ／ｓ，Ｖｓ＝３０ｍ／ｓ，０　分别为５、１０、２０、２５ｔ￣ｍ的试验条　件下，ａ。对磨削力的影响见图２。图２表明：在相同条件下，纳米ＺＴＡ陶瓷的磨削力比普通纯Ａ１２０３陶　瓷的磨削力大；磨削深度增大时，单颗磨粒的切削深度和实际参与磨削的磨粒数都增多，因此总的磨削　力增大。　７　冒　ｉ　、　、　襄　憾　・星　２　ｌ　工件进给速度／（ｍｎｄｓ）　磨削深度，　ｍ　图１　法向磨削力与工件进给速度的关系　图２法向磨削力与磨削深度的关系　２．２精密磨削加工表面微观形貌研究　在精密磨削过程中，如果把磨削深度控制在几十个甚至几个纳米，脆性材料在磨削过程中的去除机　制可由脆性去除变为延性流动。通常情况下，材料的脆性断裂通过空隙和裂纹的形成或延展、剥落及碎　裂等方式来完成；塑性成形去除过程涉及滑擦、耕犁和切屑成形，材料以剪切切屑成形方式去除。而在　本文的研究中，从纳米ＺＴＡ陶瓷的磨削表面的ＳＥＭ观察（见图３），可以清楚地看到被磨试件表面有大量　磨削划痕并有滑擦现象。　这表明，一般情况下，在纳米复合陶瓷的材料去除方式中，占主导地位的是塑性成形的材料去除方　式。研究也表明，在纳米氧化锆复合陶瓷主要以塑性成形方式去除材料的同时也伴随着一定量的材料　粉末化。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・　ｌ４　・　河南科技大学学报：自然科学版　２００６正　图４为普通工程陶瓷磨削表面的ＳＥＭ照片。从图４中同样可以看到大量磨削划痕，但与图３相比，　划痕更加粗大，而且有大量沟槽存在，材料的剥落和碎裂现象严重，存在着大面积的撕裂和材料堆垛。　这表明，采用超声振动以后，普通工程陶瓷的材料去除方式仍然以脆性去除为主。其表面加工质量并不　理想。尽管如此，超声振动的参与，使得磨粒在压入磨削加工表面时呈现出动态压入，因而其切削力要　比普通磨削减小很多，最后导致粗糙度降低，表面加工质量提高［７Ｊ。　图３纳米Ｚ＇Ｉ＇Ａ超声振动磨削Ｓｔ：Ｍ图片　图４普通工程陶瓷超声振动磨削Ｓｔ：Ｍ图片　超声磨削纳米ＺＴＡ陶瓷加工过程中，在磨削应力和磨削高温的作用下，试件表层将产生不同程度　的缺陷，如晶格畸变和塑性变形等，从图３可以看到表面有磨削划痕，这是超声振动磨粒刻划而形成的　表面破碎　Ｊ，产生的原因主要是磨粒在普通磨削刻划基础上，磨粒周期性振动对刻划沟槽底部的不断冲　击而形成的。当磨粒的冲击应力超过材料的断裂极限时，磨削沟槽的径向裂纹急剧扩展，在磨粒刻划沟　槽的边界横向裂纹不断向材料表面延伸，最终形成材料脱落。　另外，纳米ＺＴＡ比普通工程陶瓷的强度、韧性和耐高温性能、高温抗蠕变性能等都要优越很多，纳　米ＺＴＡ陶瓷的磨削表面ＳＥＭ观察表明，超声振动可以获得较高磨削表面质量和加工效率，证实了超声　磨削加工硬脆材料时广泛的应用前景。　３　结论　（１）在本试验条件下，纳米ＺＴＡ陶瓷在超声磨削加工中材料的去除主要以塑性变形引起剥落为主，　且伴随着一定程度的材料粉末化。　（２）在相同磨削条件下，纳米ＺＴＡ的磨削力比普通纯Ａ１２Ｏ３陶瓷的磨削力要大２０％一５０％，且其磨　削力随着砂轮磨削深度、工件进给速度的增加而增大。　（３）对纳米ＺＴＡ陶瓷采用超声振动磨削可以获得较高的表面质量和加工效率，因而是比较理想的　加工方式。　参考文献：　［１］靳喜海，高［２］赵镰．纳米复合陶瓷的制备、显微结构和性能［Ｊ］．无机材料学报，２００１，１６（２）：２０２—２０３．　波．纵向超声振动珩磨系统及硬脆材料延性磨削特征研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，１９９９（６）：３０—４０．’　［３］徐可伟，朱训生，陈［４］徐可伟，陈斌，等．超声振动在精密切削中的应用［Ｊ］．机械设计与制造工程，２００１，３０（２）：６３—６４．　斌，朱训生，等．薄壁零件的超声振动精密磨削研究［Ｊ］．航空精密制造技术，２００１，３７（４）：３—４．　建，等．纳米结构ＷＣ／１２ＣＯ涂层精密磨削的磨削力研究［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２００４，１４０　［５］ＭＡＬＫＩＮ　Ｓ，ＨＷＡＮＧ　Ｔ　Ｗ．Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｆｏｒ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ，１９９６，４（５）：５６９—５７２．　［６］曹建平，邓朝晖，刘（２）：５—６．　［７］刘传绍，赵ｌ２一ｌ３．　波，高国富，等．粗磨粒金刚石珩磨工程陶瓷的表面特征研究［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２０００，３４（５）：　’　［８］焦锋，铁瑛，赵波，等．超声纵振珩磨表面微观特性的试验研究［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２Ｏ０２，３０（４）：４９—５０．