氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究

氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究

葛龙飞

新特能源股份有限公司 新疆光伏材料制备与应用技术重点实验室 830011

摘要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。工程陶瓷具有硬度高、强度高、耐磨损、热膨胀系数低以及绝缘等优良性能，被广泛应用于机械和航空等领域。由于陶瓷材料具有硬脆特性，磨削加工是其主要的加工方式。在陶瓷磨削加工过程中，涉及到力学、热学、材料学以及化学等多学科问题，在多场强作用下的磨削机理有待进一步揭示。与其他加工方式不同的是，在磨削过程中去除单位体积材料需要大量的能量，这些能量最终都以热的形式进行转化，只有一小部分用于形成新的表面，这会导致磨削区产生较高的磨削温度，而表面温度过高又会对陶瓷表面质量、加工精度、加工效率以及砂轮磨损产生很大影响。此外，陶瓷材料的抗热冲击性能差，高温时会在磨削表面形成烧伤与热裂纹，极大影响其使用寿命。本文就氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展展开探讨。

关键词：工程陶瓷；磨削温度；表面/亚表面；裂纹扩展；改善机制

引言

切削过程中由于工件表层材料受到剪切滑移、剧烈摩擦、高温高压等作用，发生严重的塑性变形，从而在工件表面上产生残余应力。加工残余应力将直接影响工程陶瓷零件的断裂应力、弯曲强度、疲劳强度及耐腐蚀能力。工程陶瓷作为硬脆性工程材料，零件的断裂应力和韧性对表面应力状态比金属敏感的多。同时无论残余压应力与拉应力会对零件的断裂韧性，及零件裂纹的生成与扩展具有重要影响，尤其是对裂纹的生成与扩展。而裂纹的存在极大影响零件的使用性能与寿命，因此研究工程陶瓷的残余应力与裂纹扩展关系尤为重要。

1磨削温度场的理论分析

1.1干磨条件

认为在干磨的条件下约有75%、69%、50%的耕犁热、摩擦热和切削热在磨削过程中被传入工件当中。所以分析计算磨削温度的首要前提是确定传入工件的磨削热量的比例，即传热比φ， ，其中qw为磨削时传入工件的热流密度，qt为磨削时磨削区产生总的热流密度，由磨削热分配比来间接研究磨削热。因此把参与磨削磨粒的温度与一维传热模型相互联系，进而建立一个基于边界条件下的磨削热分配比模型:

（1）

式中，j为蓄热系数，与陶瓷材料有关;θa为参与磨削磨粒的前端瞬时温度;θo为磨削在磨削过程中的均匀温度;R为假设金刚石磨粒;半径F_t为切向磨削力;vs为砂轮的线速度。由式(1)可知干磨条件下的热分配比与陶瓷材料与磨粒的本身特性、砂轮的转速、磨削力都有直接的关系，但是针对某种特定的材料在一定的磨削用量下进行磨削加工，影响其温度的只有磨削力，即随着磨削力的增加，热分配比增加，传入工件的热量也随之增加，进而导致磨削区温度也增加。

1.2温度特性对表面质量影响

通过对磨削表面后的粗糙度检测可以看出干磨时的粗糙度值小于湿磨时的粗糙度值，此外，从扫描电镜下可以看出干磨的表面质量优于湿磨的表面质量。另一方面，将仿真与实验的干湿磨削温度与磨削表面下深度的曲线进行对比分析，可知磨削区温度的仿真结果与实验结果变化趋势相似，湿磨下的温度变化幅度ΔT大于干磨下。由于磨削时陶瓷表面急剧受热会产生微观热变形，在冷却液作用后磨削区温度迅速下降，微观热变形来不及恢复，会产生大量残余应力。因为陶瓷材料导热性差，会在磨削表层下温度变化幅度较大时产生热压力。

2传入磨屑的分配比

在整个磨削区中，可将工件单位时间内所去除的体积沿砂轮速度方向展开，并假设为与砂轮宽度相同的长方体，其长、宽、高分别对应工件进给速度、磨削宽度和磨削厚度，因此在单位时间内，磨屑的体积为：

（3）

根据传热学理论，磨屑在磨削弧区内所产生的热流密度q_ch为

（4）

式中，P_ch为由磨屑所产生的功率，A为磨削区内砂轮与工件的接触面积。磨粒与工件间的滑擦、耕犁和切削导致温度升高，因此根据磨屑成形理论，由磨屑产生的功率为

（5）

3磨削参数与磨削温度关系

从图1a)中可以看出，当磨削深度ap=16μm、进给速度vw=3500mm/min，磨削速度vs由35m/s增加到55m/s时，磨削温度由486℃升至953℃，呈增大趋势。这是因为磨削速度的提高使得单位时间内参与磨削的磨粒数增加，磨削功率和热流密度增大;另外，当磨削速度增大后，会在砂轮与工件接触的周围空间形成空气气障，阻碍外界的对流热交换，进一步导致磨削区温度升高。从图1b)中可以看出，当磨削速度vs=43m/s、进给速度vw=3500mm/min，磨削深度ap由10μm增加到30μm时，磨削温度由456℃升至1021℃，同样呈增大趋势。这是因为当磨削深度增加后，砂轮对工件的作用路径变长，导致磨削接触弧长随之增大，磨削区的热流密度也随之增大，导致磨削温度升高。从图1c)中可以看出，当磨削深度ap=16μm、磨削速度vs=43m/s，进给速度vw由2000mm/min增加到6000mm/min时，磨削温度由940℃降至492℃，呈减小趋势。这是因为当进给速度增大时，单位面积上参与磨削的有效磨粒数增多，并且金刚石砂轮的导热性要优于氮化硅陶瓷，在短暂时间内大部分热量被传入砂轮内，导致磨削温度降低。

图1磨削参数与磨削温度的关系曲线

4磨削温度对裂纹扩展的影响

当磨削温度超过材料所能承受的临界值后，且在外界对流热交换的作用下，表面热应力超过自身断裂极限值时，便会在材料表面产生热裂纹;即使磨削时的热应力没有超过材料的断裂极限值，但在零件使用过程中的累积应力超过极限值时，也会出现裂纹，并且此时的裂纹会更严重，甚至导致零件断裂。陶瓷属于硬脆性材料，加工起来相比金属更容易产生微裂纹;因此，加工中裂纹的控制尤为重要。

结语

随着磨削速度、磨削深度的增加，磨削温度随之增大;随着进给速度的增加，磨削温度随之减小。随着磨削温度由456℃增加到1035℃时，裂纹扩展深度先减小后增大，在603～732℃时，裂纹扩展深度较小，为3．8～5．6μm。适当的磨削温度对陶瓷亚表面裂纹扩展深度具有抑制作用。

参考文献

［1］吴玉厚．氮化硅陶瓷磨削表面质量的建模与预测［J］．表面技术，2020，49(3):281-289．

［2］吴玉厚．氮化硅陶瓷干湿磨削温度与表面质量研究［J］．组合机床与自动化加工技术，2019(4):124-128．

［3］张珂．ZrO2陶瓷平面磨削温度仿真分析与实验研究［J］．表面技术，2019，46(12):251-258．