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2023年4月7日发(作者:2020高考文科二本分数线)
2004年12月
总第144期第6期
金刚石与磨料磨具工程
Di砌ond&Abrasives
En西needng
December.2004
Serial.144No.6
文章编号:1006—852x(2004)06—0004—05
SiC晶须强化树脂的磨损特性及其在磨削加工中的应用。
、ⅦARCHARACTEIUSTICSoFSiCⅥ,ljⅡSKERRE肌roRCED
PLASTICANDITSAl’PlLICATIONINGR咖ING
李伟魏源迁伍良生杨家华橄复振王丽丽
(北京工业大学机电学院,北京100022)
LiWeiWei
Yuanqian
Wu
LiangshengYang
JiahuaGanFuzhen
Wang
LiIi
(coZ如酽旷A‰kn恐以西翊,聊矗昭,&彬ng‰觇倦渺矿‰矗加fDgy,&彬ng100022,吼i船)
摘要:本文使用sic晶须(细纤维)与酚醛树脂混合,经特殊工艺处理后制成了几种不同晶须含量、排列方向及粉末添
加剂的sic晶须强化树脂。通过对接触材料(模具钢sKDll,HRc60)所进行的磨损特性试验可知,当SiC晶须强化树脂中
晶须的含量增高及排列方向与接触材料的摩擦面相垂直时,其磨损量将小于接触材料的磨损量,这表明赞美优秀教师的诗句 sic晶须材料具
有磨料的作用。本文利用这一作用将siC晶须强化树脂制成杯形砂轮,并应用到模具钢sKDll的磨削加工中,能获得高
达6000的磨削比和纳米级的加工表面(Ral.5眦l,Ryl6砌),进一步表明SiC晶须作为磨料是可行的、实用的。
关键词:Sic晶须;SiC晶须强化树脂;磨损特性;sic晶须砂轮;磨削加工
中图分类号:,I℃74文献标识码:A
Abst髓ct:Inthis
paper,SiC
whiskerreinfoI℃edplasticcornpositescoH酬ofsiCwhiskers卸daphenol
resinbond埘山orwi山out
ad血tiveswere
developed,
inwhichw|liskershavedifferentcontentsandorientations.Alar驴n出rof
abrading
experiInentsona
contactnlatedalsuchasdie.steelSI(D1l(HRC60)were
c厕edout.neeXpe血ental
re“tsillIlstratedthatthewearvoI岫eofSiC
whiskerreim粕ed
plastic埘llbesmaIlerthanthatofthecontact瑚teriaJaswhiskercontentgetshi出era11dw}lisker嘶entationis
no蛐al
tothe
abrading
surfaceofthecontactmate“a1.ThatmeansSiCwhiskerscanplayaIlabrasiveaction.Asareslllt,a
cup-shaped
SiC
whisker扣ndingwheelwas
developedbyusingsicwhiskerreinfbrcedplasticsarIdthewheelwas印曲edto鲥nd
dbsteelsKDll.A
veryhi曲面ndingratioof6000andavery
finishsu出ceof
Ral.5nrnandRyl6mwasachieved.卟e
investigationsfurthershowtllatsic
wkskerasanabmsivemalerialisfeasibleand
practicable.Key删s:SiCwhiskers;SiC
whisker而mrced
plastic;wear
characteristics;siCwhiske荒的组词 r酣础ngwheel;鲥nding
1前言
随着现代制造行业的发展,人们对难加工材料和
硬脆材料提出了愈来愈高的要求。如微电子、光电子、
计算机、半导体、光学及汽车、机电、航空航天、兵工等
行业,对脆硬材料如硅片、光学玻璃、工业陶瓷以及难
加工材料如模具钢、工具钢、合金钢等精密零部件的需
求日益增大,对其加工精度的要求也越来越来高,因此
迫切要求开发高效、高精度的加工技术。高精度磨削
是一种比较有效的机械加工方法,如氧化铝、碳化硅、
立方氮化硼和金刚石细磨粒砂轮。然而,值得一提的
是,细磨粒砂轮存在一个共同缺点,即,因细磨粒具有
较小的粘结面积、较弱的结合强度,甚至在正常的加工
条件下,细磨粒容易从砂轮磨削表面上脱落,导致加工
精度和效率低下。而且,当砂轮进行修锐时,细磨粒遇
冲击易碎裂或损坏,被磨工件的表面易产生划痕和烧
伤,砂轮损耗大、成本高。
近年来,由于SiC晶须具有优良的机械与物理化
学特性如高强度、高硬度、高弹性模量、高的宜言饮酒 化学稳定
性,以及它的耐磨损、耐高温氧化和耐酸碱,与基质材
料有良好的相容性等特性,被广泛地用作纤维增强塑
料(FRP)、纤维增强陶瓷(FRC)和纤维增强金属(FRM)
等的强化(增强、增韧)材料一。。SiC晶须的SEM照片
如图1所示,其物理特性如表l所列。
本文使用siC晶须和酚醛楼船夜雪瓜洲渡 铁马秋风大散关 树脂,按一定体积比均
匀混合,经压铸、烧结成型,制成了SiC晶须强化树脂
(sicw—RP),并对其进行了大量的磨损特性试验。利
用其磨损特性,又将其制成SiC晶须砂轮H。,其中晶须
的排列方向垂直于砂轮磨削表面。本文研究目的,就
是通过试验进一步验证其性能,为今后其在磨削加工
*教育部留学回国人员科研启动基金、北京市留学人员及优秀人才专项资金资助
万方数据
第6期李伟:SiC晶须强化树脂的磨损特性及其在磨削加工中的应用5
中的应用提供可行的技术和试验基础。
表1siC晶须的物理特性
1’ab.1
H1)商calpropeni姻of
siC埘闽姒s
晶体结构(Crystal
stmctlⅡe)
ptype
尺寸:直径长度
(size:diarnetelen舢))
1・240~50胛
密度(Density)
3.20∥c矗
热膨胀率
5.610—6/℃
(’Ihe彻al
expaJlslon
ratlo)
耐热温度
1.600℃(inair)
(Heat—resistant
temperature)
弹性模量
400~700GPa
(Modulus0f。elasticity)
拉仲强度
3~14GPa
(’Ibnsile
stren殍h)
韦氏硬度
80GPa
电阻(Elecmcresistiv时)
成分含量
(Composition)
109~10““n・cm
SiC99wt%,Siq0.1Ⅲ%
Fe1.310一.Co9.310—4
Ca1.010—5
图1SiC晶须的SEM微观图
F唔.1sEMmic咿phofSiCwhiskers
2磨损试验
2.1试验方法
本文使用SiC晶须与酚醛树脂相混合,经特殊工
艺处理后,制成各种不同晶须含量、排列方向的SiC晶
须强化树脂。其中,粉未加入或者加入粉末添加剂如
玻璃、铅和石墨(碳)的树脂。然后,将这些树脂分别与
接触材料如模具钢(SKDll,HRC60),在自行设计制造
的磨损试验机上进行磨损特性试验,磨损装置图和磨
损原理图如图2和图3(a)所示。再利用精密仪器测量
与计算不同试验条件(如摩擦距离、速度、载荷)下的树
脂和接触材料的磨损量及摩擦系数。其中siC晶须强
化树脂(siCw—RP)的磨块尺寸为10mm10I砌
25nⅡn,晶须含量(体积百分比)为14%。接触材料
(SKDll)的圆形试验片尺寸为⑦264ⅡⅡn。主轴转速
为6.7cm/s,载荷80N,摩擦距离(长度)180m。从图3
(a)可知,树脂磨块接触面会出现一小圆弧凹槽,图3
(b)为树脂磨块磨损量计算的示意图,其计算公式如
下:
2d=2s沈‘1丢,s=专(a—si船),y=6・.s
式中:d一圆弧中心角,r一圆弧半径(近似于圆形
试验片半径),s一圆弧面积(图中网线部分),V一磨损
量(体积),b一圆弧凹槽宽度,a一圆弧凹槽长度,h一圆
弧凹槽深度。
图2磨损试验装置
Fig.2
wearexl捌mentalsetup
Normalload80N
(a)磨损原理(wear
principle)
(b)被磨损截面(womsection)
图3磨损原理及磨损量的测算示意图
F培.3
Wear
pdnciple
aJldrneas嗍entofwear
2.2磨损试验结果
sic晶须以不同的含量(体积百分比,下同)和酚醛
树脂充分混合,制成SiC晶须强化树脂(siCw—RP)。
图4为SiCw—RP磨块和接触材料(SKDll)试验片的磨
损量与SiC晶须含量的关系。由图可以看出,随着SiC
晶须含量的增高,sicw—RP磨块的磨损量成线性比例
万方数据
6金刚石与磨料磨具工程总第144期
减小,sKDll试验片的磨损量急剧增大,表明SiCw—
RP磨块的耐磨损能力增强,这主要是因为SiC晶须含
量的增高使SiCw—RP相对于sKDll的硬度增高、磨损
降低。图5为摩擦系数与晶须含量的关系,可知sjcw
—RP磨块的摩擦系数随晶须含量的增加而降低,表明
SiCw—RP中的成千上万根SiC晶须的微切削占了主导
地位。
104
103
100
lo
卜\.I/
,//刊口
●SiCw.RP
o
SKDll
《
O714
sic晶须含量(sicwcontentsv01%)
图4磨损量与sic晶须含量的关系
Fig.4
WearvolurnesofdiesteelandSiCw—RPwithdi雎rent
SiCwcoments
岳O.7
妊
妄O.6
慧os
蝼
避
。.73\O.66\,0.62
)
U,14
siC晶须含量(sicwcontentsvol%)
图5磨损量与晶须含量的关系
Fig.5
FrictioncoemcientsofSiCw—RP埘thdif拈lent
SiCwcontents
其次,为考察固体润滑剂对Sicw—RP的减摩作
用,在SiCw—fuP中加入一些固体润滑剂如石墨(C)、
铅(Pb)和玻璃(Glass)。树脂中的固体润滑剂主要有两
个作用:一是它们可以通过添塞摩擦面和晶须周围空
隙来减弱SiC晶须的磨损行为,二是它们可以减弱摩
擦面上的sic晶须的粘结。图6所示添加各种固体润
滑剂对SiCw—RP和SKDll的磨损量的影响,其中润滑
剂的含量均为10%,而Base表示siCw—RP中不含润
滑剂。由图可知,加入固体润滑剂可使sKDll与sicw
—RP的相对磨损率增大,其中加入石墨(c)的情况为
最大,表明固体润滑剂的添加对SiCw—RP能起到减摩
效果,即SiC晶须可用于类似于刹车片、制动盘等的添
加材料。
o
暑
,#
鱼
o
昌
三
呈
磊
兰
V
蛐
辎
越
图6固体润滑剂对磨损量的影响
Fig.6
EⅡbetsofadditivematedalsonwear
最后,为考察晶须排列方向对磨损量的影响,制作
了晶须按三种方向排列的SiCw—RP:平行于摩擦面运
动方向的纵向(Ion百tudinal)、垂直于摩擦面运动方向
的横向(Tmnsverse)和垂直于摩擦面的法向(Nonnal)。
图7所示为晶须排列方向与磨损量的关系,可以看出
LongitudinalTransVerse
Nomal
sic晶须排列方向(sicworientations)
图7SiC晶须排列方向对磨损量的影响
Fig.7
Efkcts
of
SiCworientationsonwear
万方数据
第6期李伟:sic晶须强化树脂的磨损特性及其在磨削加工中的应用7
晶须以法向排列时,其相对磨损率为最大,表明了晶须
方向排列对树脂的强化效果。
3磨削加工中的应用
3.1磨削原理
通常细砂轮是由无数细小的磨料和一种结合剂组
成,其结构示意图如图8(a)所示。根据以上Sic晶须
强化树脂的磨损特性,可以总结出sic晶须具有磨料
的作用。反过来,可以利用SiC晶须代替细磨粒作为
磨料并与一种结合剂组成砂轮,可起到增强增韧的效
果,克服磨粒韧性小、寿命短、易脱落的缺点,其结构示
意图如图8(b)所示。首先晶须与磨粒相比,即使晶须
直径与磨粒粒径相同,但由于一定长度的晶须与结合
剂粘结时,具有相对较大的结合面积和粘结强度鄙夷的反义词 ,晶须
也很难从砂轮磨削面脱落,因而克服了磨粒易脱落的
缺点,提高了加工效率。其次加工精度是由晶须直径
决定的,晶须长度对加工精度没有影响。特别是采用
特殊工艺使晶须垂直于砂轮磨削面,晶须的端部在磨
削过程中作为切削刃,成千上万根晶须端部的微切削
便形成了晶须磨具的宏观切削,使被加工件表面能达
到纳米级加工精度。同滴灞屠固弱国国国弱国扇国
(a)晋通砂轮(Grainwheel)(b)晶须砂轮(whiskerWheel)
l一结合剂(Bond)2一磨粒(Grain)3一晶须(whisker)
图8两种砂轮的结构示意图
Fig8Constmctions
of画ndingwheels
3.2磨削试验结果
如图9所示是一个开发的SiC晶须砂轮实物照
片,该砂轮是由SiC晶须强化树脂制成(晶须的含量为
14%)。本文使用该砂轮在立式平面铣床上对模具钢
sKDll进行磨削加工试验,磨削条件如表2所示。如
图lO所示为被磨削后的工件实物照片,其被磨表面粗
图9开发的siC晶须杯状砂轮
Fig.9Photograph
ofacup—shaped
SiC、、|11iskerwheel
糙度为Ral.5m(Ryl6nm)。
表2磨削试验条件
Tab.2CoIl凼tioI玛of咖(1inge研炝riIl他nts
机床(Machine)数控立式铣床(VeItical
Nc商11i“g
n诅chine)
砂轮速度(wheel
spee(i)
磨削参数((Ⅻndi“8磨削载荷(kad)
paralneters)
进给速度(Feedspeed)
工件
(SI)e(.imens)
砂轮
(Grindill£‘wh∽1)
磨削液
(Grindingnuid)
40—50n√nⅡn
4()oN
42Hu“lTlin
模具钢sKDll(Diesteel
sKDll,HRc60,Rao.1Et耐
R、1.O肛n1,56删Tl24Ⅱml26n硼)
siC晶须体积百分比(sicwhiskercontent)14vol%
晶须磨块数(Ⅵhisl(er刚n(1i119
b10cks)6
M一2透明磨削液(snluhlP
fjpP
M一2)
鹰粒(AhrasivPgraill)~!()3(wA)
游离磨粒
磨粒直径(G,ailja。。tt;lr)1f㈣
(Freeabmsive
grain)
重量百分比(co∽㈣tra【i0J1innuid)O.0.25Ⅲ%
图10磨削后的SKDll钢的表面
Fig.10Photographofthe
gmund
SKDl
1su血ce
此外,本文还对SiC晶须砂轮和SiC磨粒砂轮的磨
削比进行了考察H。,并且采用两种磨削方式:无修锐磨
削和在线修锐磨削。在线修锐是指在磨削液中加入浓
度为0.25卅%的Al,0,(wA)游离磨粒,其与SiC磨粒的
直径都为km。经磨削试验后,sic晶须砂轮和siC磨
粒砂轮的磨削比分别为5(修锐后36)和2200(修锐后
6000),这表明在线修锐方法不仅可以有效地提高磨削
比,抑制Sic晶须砂轮在磨削过程中堵塞、粘盖现象的
发生,更表明siC晶须砂轮具有耐磨性高、寿命长特
点,、
4结论
通过磨损和磨削试验,可以得出以下结论:
(1)随着SiC晶须含量的增加,模具钢的磨损量增
加,强化树脂的耐磨损能力增强。
(2)在SiC晶须强化树脂中加入适量的固体润滑
剂可以起到很好的减摩效果。
万方数据
8金刚石与磨料磨具工程总第144期
(3)当SiC晶须按垂直于摩擦面方向排列时,强化
树脂的耐磨损能力最强。
(4)反过来,利用SiC晶须强化树脂的磨损特性及
sic晶须的磨料作用,制成sic晶须砂轮,并应用到难
加工材料如SKDll的磨削加工中,被磨表面粗糙度可
以达到Ral.5m(Rvl6m)。
(5)siC晶须砂轮的磨削比高达6000,而siC磨粒
砂轮的仅36,可见siC晶须砂轮是一种耐磨性和磨削
效率都很高的砂轮。
参考文献
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轮的开发及其磨削特性[J].金刚石与磨料磨具工程,2003(5):8
作者简介李伟.女,1981年生,北京工业大学机电学院硕士
研究生。研究方向:纳米加工与绿色制造。
魏源迁.男,1965年生,工学博士,国内外博士后,北京工业大
学机电学院教授。研究方向:生态加工与零排放生产、新素材
刃具磨具与微纳米加工、喷金属微制造技术等。通讯作者E—
mail:yqwei@sohu.com
伍良生.男,1949年生,工学博士,博士后,北京工业大学机电
学院教授、博士生导师。研究方向:高速主轴系统及其关键技
术,机械工程测试技术,信号分析与故障诊断,噪声与振动控
制。
杨家华,男,1951年生,北京工业大学机电学院副教授。研究
方向:机械工程测试技术,信号分析与故障诊断。
橄复振.男,1945年生,北京工业大学机电学院工程师。
王丽丽.女,1981年生,北京工业大学机电学院硕士研究生。
研究方向:纳米加工银烛秋光冷画屏轻罗小扇扑流萤 与绿色制造。
(收稿日期:2004.∞一20)
(编辑:王孝琪)
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(上接第3页)
4结论
利用铁基粉末作触媒在高温高压条件下(5.4GPa,
~1400℃),合成了晶型完整、粒度均匀的金刚石单晶,
研究了铁基粉末触媒随铁含量的改变,石墨碳一铁基
触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶
的生长特性,并对金刚石内部包裹体的形成及成分进
行了测试分析,结论如下:
(1)铁基粉末触媒可以合成晶面完整的金刚石晶
体,且随着触媒中铁含量的增加,合成金刚石的最低
温度和压力生长点随之增高,金刚石生长的“V形区”
上移;
(2)铁基粉末触媒适合高温区(110)和(111)面金
刚石的生长;
(3)在铁基粉末触媒合成的金冈4石中,铁以FeNi
和Fe,C形式存在。
参考文献
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HT.stmngHMmldwentoIfJrR
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176:5l
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33ldE册RGConf.0nHi小PressureReseach,Warsaw,1995,565
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T,0IlllisIliA,G0hshi
Y锄dWakatsukiM.Re“ew0fHi小Pressure
Sciencea11d1k11Ilology,1998,7:998
[4]贾晓鹏.金刚石合成的溶剂理论及当今行业热点问题的探讨,中
国超硬材料.特刊3.2001(3):1一11
第一作者简介:秦杰明,男,1967年,吉林大学超硬材料国家重
点实验室,在读博士研究生,从事高品级工业级金刚石的合成
研究。
(收稿日期:2004一08.05)
(编辑:王孝琪)
万方数据
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