AlSiC復合材料磨削加工研究進展(上)①

曹根,張鳳林,劉鵬,牛亮,歐陽承達

(廣東工業大學機電工程學院,廣州510006)

曹根,張鳳林,劉鵬,牛亮,歐陽承達

(廣東工業大學機電工程學院,廣州510006)

AlSiC復合材料擁有比鋁合金更高的比強度和比模量、耐高溫、耐磨損、高導熱率、可調節熱系數等優點,在航空航天、汽車、電子、軍工等領域有重要應用。由于SiC增強相的高硬度和鋁基體的高塑性,使得該類材料在切削加工、磨削加工及非傳統加工的方面可加工性較差。為了獲得高的表面質量和精度,磨削加工是必不可少的一種加工方式,文章針對AlSiC復合材料的磨削加工研究現狀進行綜述,重點對磨削加工中材料表面完整性、磨削砂輪的磨損形式和磨削加工工藝等方面進行總結和分析。

AlSiC復合材料;表面完整性;金剛石砂輪;磨損;磨削工藝

1 概述

AlSiC復合材料擁有比鋁合金更高的比強度和比模量、耐高溫、耐磨損、高導熱率、可調節熱系數、低密度、良好的尺寸穩定性以及耐磨、耐疲勞等優異的力學性能和物理性能,在航空航天、汽車、電子、軍工等領域有非常重要的應用[1]。對于AlSiC復合材料,由于金屬Al基體占有一定的體積百分數,所以仍保持良好的導熱和導電性,而且SiC相擁有良好的導熱率(0.0628～0.0963J/℃·s)[2],因此高體積分數的AlSiC復合材料還應用于電子封裝材料。但SiC顆粒的加入在提高強度和彈性模量的同時,也降低了材料的塑韌性,如無壓浸滲法制備的45%體積分數Al-SiC復合材料斷裂韌度是12.0MPa·m1/2[3],這些方面性能的改變對材料的加工性能有很大的影響。

在使用金屬切削刀具加工AlSiC復合材料時,由于SiC增強體顆粒比常用的刀具(如高速鋼刀具和硬質合金刀具)的硬度高得多,因此在加工過程中會引起嚴重的刀具磨損。雖然可以使用超硬刀具如PCD金剛石刀具切削AlSiC復合材料,但在切削高SiC體積分數(50%～70%)的顆粒增強AlSiC復合材料時,刀具磨損依然非常嚴重,且PCD金剛石刀具成本更高。眾多研究表明,隨著SiC含量的增大(13%～70%),無論是纖維增強還是顆粒增強,AlSiC復合材料的可切削性會越來越差,加工效率隨之降低,生產成本快速增加[4-7]。

特種加工可以不受材料硬度限制,很多學者嘗試使用特種加工手段加工金屬基復合材料。但在使用電火花加工顆粒增強AlSiC復合材料時,增強顆粒對鋁基體有“屏蔽”作用,降低了材料去除率,隨著增強顆粒體積分數的增大,這種“屏蔽”作用也加強,電火花加工的表面由金屬基材料熔融后重新凝固留下的再鑄層,表面粗糙度較高,電極損耗大,同時電極形式是影響電火花加工質量的重要因素[8-9];激光加工可得到很高的材料去除率,切縫寬度窄,但激光加工的熱影響區大,切縫處的表面加工質量不高,因此激光加工多用于切割和用于表面質量要求不高的孔加工[8];超聲波振動切削在切削速度是v=11.87m/ min時,效果改善顯著,加工復合材料時切屑變形小,能夠降低加工過程中的撕裂、塑性變形和積屑瘤等的影響,抑制切削中的顫振,表面粗糙度好于普通切削[10-11]。

磨削相對于切削加工有磨具使用壽命長、表面加工質量高的特點,隨著超硬磨料磨具的廣泛應用,各種難加工材料的高效、高精磨削也在不斷得以實現[12]。國內外對于AlSiC復合材料的磨削加工做了大量研究,本文對AlSiC復合材料磨削加工的研究現狀進行了綜述,重點對磨削加工過程中材料表面完整性、磨削砂輪的磨損形式和磨削加工工藝等方面進行總結,提出了當前研究存在的問題與不足。

2 AlSiC復合材料磨削加工表面完整性

AlSiC復合材料的力學性能主要由增強材料的顆粒性質、界面性質和基體性質決定[15];而AlSiC復合材料磨削加工后的表面完整性與增強相SiC顆粒的體積分數及粒徑相關[13-14]。

2.1 低體積分數AlSiC復合材料磨削表面完整性

相比未經增強的Al合金,AlSiC復合材料從降低工件表面粗糙度和砂輪堵塞方面都表現出更好的磨削性[16],因為復合材料的高硬度使其能有效避免鋁的粘附。復合材料的硬度與顆粒的硬度以及基體的加工硬化有關,磨粒與復合材料表面的作用可看作小范圍的壓痕現象,其抗變形能力主要取決于壓頭相對顆粒的位置、壓頭與顆粒的尺寸比、顆粒的體積分數以及應用負載,且復合材料的加工難點在于顆粒對基體約束的變化以及基體材料的不均性的影響[17]。因此磨削加工低SiC體積分數(13%～50%)的Al-SiC復合材料時,磨粒劃過軟質的鋁基體和硬脆的SiC顆粒時容易形成不均勻表面缺陷,而少量鑲嵌于鋁基體中的SiC顆粒在磨削過程中容易剝落滑移造成Al基體被撕裂和形成溝槽,如圖1所示[18-20]。

圖1 低體積分數復合材料的表面主要缺陷形式[18-20]Fig.1 Surface defects on the AlSiC composite material with lower volume fraction of SiC[18-20]

圖2 高體積分數復合材料的表面主要缺陷形式[18-20]Fig.2 Surface defects on the AlSiC composite material with higher volume fraction of SiC[18-20]

2.2 高體積分數AlSiC復合材料磨削表面完整性

高體積分數(SiC%≥50%)的AlSiC復合材料由于增強相SiC顆粒含量高,表面加工質量取決于SiC增強顆粒和鋁合金基體之間的浸潤性及熱膨脹系數的匹配性,這些參數直接決定了增強顆粒和基體之間結合的緊密程度[21]。工件表層缺陷同樣受SiC含量與界面性質的影響,磨削加工過程產生的微裂紋、疲勞裂紋受增強相的影響,裂紋偏折、裂紋分枝、彈性失配、塑性失配以及殘余應力共同起作用,會導致裂紋擴展延滯[22]。因此增強相SiC顆粒的粒徑越大、含量越高,磨削加工過程對砂輪造成的磨損就越嚴重,增強顆粒的剝落會在工件表面形成凹坑,剝落與破碎的顆粒壓入工件表面也會形成劃痕與裂紋,如圖2所示。

國內外對AlSiC復合材料的磨削加工研究主要在SiC顆粒含量在30%左右的低體積分數的復合材料方面,對SiC體積分數在50%以上的高體積分數復合材料的磨削機理研究較少,且缺乏從SiC粒徑、SiC體積分數、鋁基體的性質、界面性質入手來系統研究其對復合材料表面完整性的影響規律的文獻。

3 砂輪的磨損

適合的砂輪是獲得高效高質量AlSiC復合材料磨削加工的前提。由于復合材料的難加工性,砂輪的使用壽命和磨損失效形式也是磨削加工的重要研究內容。

3.1 低體積分數AlSiC復合材料磨削砂輪的磨損

不同磨料的砂輪在磨削加工AlSiC復合材料時磨削加工性能存在較大的差別。國內外在磨削加工復合材料時所采用的砂輪包括傳統磨料砂輪(SiC砂輪、Al2O3砂輪)和超硬磨料砂輪(立方氮化硼砂輪、樹脂基金剛石砂輪、電鍍金剛石砂輪等)。Zhao Weizhong[23-24]使用陶瓷基80#SiC砂輪和3000#金剛石砂輪對氧化鋁顆粒增強鋁復合材料及A359/ SiC/10P復合材料進行磨削加工,結果表明:細粒度的金剛石砂輪適合于精磨,粗粒度的SiC砂輪可用于粗磨。Dillio[25]通過使用陶瓷結合劑Al2O3和SiC砂輪以及樹脂結合劑cBN和金剛石砂輪對低SiC體積分數的復合材料(Al-2009/SiC-15P和Al-2009/ SiC-15W)進行加工,發現砂輪磨損的主要形式是砂輪的堵塞,而同時發現擁有更多開孔結構的Al2O3和SiC砂輪就比樹脂結合劑cBN和金剛石超硬磨料砂輪具有更低的磨削力和高的表面質量。Anand Ronald[26]等人使聲發射(AE)用樹脂結合劑金剛石砂輪和電鍍金剛石砂輪分別磨削SiCp/Al2124復合材料(SiC體積分數30%),研究發現采用電鍍金剛石砂輪磨削時獲得的磨削力較大,這是因為電鍍金剛石砂輪容易產生黏附現象導致磨削力增大,而采用樹脂結合劑金剛石砂輪磨削時表面質量較好。周志勇[27]用樹脂基金剛石砂輪、陶瓷基金剛石砂輪、電鍍金剛石砂輪在數控銑床上對SiC體積分數為45%的SiCp/ 2024Al復合材料進行銑磨加工試驗,比較了三種砂輪在磨削力方面的表現后卻得到與前者不一樣的結果:樹脂基砂輪磨削力大于電鍍砂輪,這是因為磨削方式為小切深,同時發現樹脂結合劑金剛石砂輪加工時表面粗糙度低。

低體積分數的復合材料鋁合金含量高,磨削時溫升使鋁合金軟化,易在砂輪和工件上黏附,造成磨削溫度進一步升高,使鋁加速熔融,導致砂輪堵塞和工件表面質量降低。

(待續)

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申請號:2013102543703

名 稱:一種使用晶種合成立方氮化硼大單晶的連續生長方法

摘 要:本發明公開了一種使用晶種合成立方氮化硼大單晶的連續生長方法,根據六方氮化硼和立方氮化硼高溫高壓下,在觸媒中的溶解度不同,最終得到立方氮化硼大單晶。本發明的有益效果是:大單晶立方氮化硼連續使用方法生產出來的產品質量穩定,設備利用率和原材料轉化率也得到了提高。

申請號:2012105703447

名 稱:大尺寸八面體立方氮化硼單晶的合成方法

摘 要:本發明公開了一種大尺寸八面體立方氮化硼單晶的合成方法,所述方法包括如下步驟:(1)先按照質量比1∶0.1～0.5稱取原料六角氮化硼粉和觸媒金屬鋰,經壓片成形、組裝獲得組裝塊;(2)將組裝塊放入壓機的腔體,升溫升壓至溫度為1350℃～1500℃、壓力為4.2GPa～5.3GPa條件下保溫4～8分鐘,經后處理得到八面體立方氮化硼單晶。本發明對于合成過程中的高溫高壓反應條件的要求相對降低,反應時間大大縮短;制得的立方氮化硼單晶,晶體生長良好,結構完整,尺寸大大增加,可達200～400μm。

Advance of study on grinding of AlSiC composite materials

CAO Gen,ZHANG Feng-lin,LIU Peng,NIU Liang,OUYANG Cheng-da
(School of Mechanical and Electronic Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

In comparison with aluminum alloy,AlSiC composite materials have higher specific strength,specific modulus,high-temperature resistance,wear resistance,high thermal conductivity and tunable thermal expansion coefficient,and were widely used in the aerospace,automotive,electronics and military fields etc.Due to the higher hardness of SiC reinforcement and the higher ductility of aluminum matrix phase,machining of AlSiC composite materials was a tough work.In this paper,the advance of research on grinding of AlSiC composites materials was reviewed.The surface integrity of the ground AlSiC composite materials,the wear of grinding wheels and the grinding process were summarized and analyzed.

AlSiC matrix composites;surface integrity;diamond grinding wheel;wear; grinding process

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0011-04

2014-02-25

曹根(1989-),廣東工業大學機電學院,碩士研究生,主要從事金剛石工具制造及AlSiC復合材料磨削加工機理研究。

國家自然科學基金項目(51275096),廣東省高等學校科技創新項目(2012KJCX0047)

張鳳林,1972年9月出生,廣東工業大學機電學院,教授,主要從事超硬材料工具制造及硬脆材料加工機理研究。E-mail:zhangfl

@gdut.edu.cn