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碳化硅陶瓷球的磨削机理研究

郭方全  
【摘要】:碳化硅陶瓷因具有密度低、热膨胀系数小、硬度高、弹性模量大、耐高温、耐腐蚀等特点,广泛用于陶瓷球轴承、阀门、陀螺、测量仪器等领域,在一些特殊场合有不可替代的作用。但是碳化硅陶瓷属于硬脆材料,加工困难,加工成本高,在一定程度上影响了其应用。碳化硅陶瓷球90%以上的余量是由研磨阶段去除的,是控制加工成本的关键步骤,产品最终圆度、粗糙度的改善也与此工序密切相关。因此本论文选择碳化硅陶瓷球为研究对象,探讨其在研磨阶段的材料去除机理。 通过对碳化硅陶瓷球与氮化硅、氧化锆和氧化铝陶瓷球的对比研究,探讨了材料的性能、显微结构和磨加工之间的关系。得到以下结论:硬度和断裂韧性通常是影响材料抗磨耗性的指标,但并不能简单依此判断抗磨耗性,陶瓷球的研磨加工还受到显微结构等因素的影响。在相同的研磨条件下,与氮化硅、氧化锆陶瓷球相比,碳化硅陶瓷球的材料去除率最高,圆度和表面质量最不易控制。 在碳化硅陶瓷球的研磨试验中系统分析了压力、转速、磨液、磨料等加工参数对碳化硅陶瓷球加工的影响。研究确定了较为合理的研磨工艺及加工参数:(1)磨液:水基研磨液;(2)压力:粗磨选用12N/ball左右,细磨选用9N/ball左右。(3)转速:粗磨取在32rpm左右,细磨取在20rpm左右。(4)磨料:粗磨采用63μm的碳化硼,细磨采用10μm的金刚砂。研磨后碳化硅陶瓷球的圆度误差为0.386μm,表面粗糙度Ra为0.046μm。按照GB308-89标准,碳化硅陶瓷球抛光后的圆度达到G10(0.25μm),表面粗糙度Ra在G3级(0.008μm)。上述优化参数将为生产中制定碳化硅陶瓷球研磨工艺提供重要技术依据。 采用扫描电镜观察了研磨后碳化硅陶瓷球的表面形貌,分析了碳化硅陶瓷球在研磨阶段的材料去除机理。研究表明,在碳化硅陶瓷球的研磨阶段,摩擦化学对材料去除的影响微乎其微,材料去除主要是机械去除,微裂纹的产生和扩展是其机械去除过程中的主导作用。材料去除机理主要是穿晶断裂引起的块状材料崩落。 通过观察断口形貌发现晶粒断口分两部分,一部分晶粒断口为重叠在一起的


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