工业陶瓷的游离磨料研磨工艺

一、工业陶瓷实验

工业陶瓷实验在行星式硅片研磨机上进行。氧化铝和钛酸钡的显微硬度值分别为1507.44HV0.1和623.9HV0.1。试件厚度为2mm。研磨转速为80、120、160、200(r/min)，抛光盘直径为350mm，行星轮自转速度为120r/min。工业陶瓷所用磨料为CW63、GCW28和W1.5金刚石微粉。研磨盘材料分别采用铸铁和绒布。磨削压力为24.5N。在研磨前后，用超声波清洗机清洗工业陶瓷工件并烘干，在万分之一精度的精密天平上称出工业陶瓷工件研磨重量，由此换算出工业陶瓷研磨体积(研磨量)。测量研磨前后工业陶瓷工件的表面粗糙度值，在扫描电镜上观察其研磨表面形貌。

二、工业陶瓷实验结果与分析

1.研磨工艺对工业陶瓷磨削效果的影响

由图1可见，对于两种工业陶瓷工件材料，研磨量均随着研磨时间的延长而呈线性增加。PTC的硬度不及Al2O3硬度的一半，Al2O3的研磨量远小于PTC的研磨量，即PTC相对于Al2O3陶瓷是易于被切除的。

图1研磨工艺参数与研磨量的关系

  
工业陶瓷随着研磨转速的提高，由于工件与磨盘上磨料的相对切削运动次数增加，研磨量也有所提高，磨料粒度则对研磨量有决定性的影响，磨料越粗，磨料滚动嵌入工件并切削的能力越强，对PTC和Al2O3均在使用CW63、200r/min时，工业陶瓷获得最大切除量。对于硬度高、组织致密的Al2O3材料，磨料压入工件、滚动破碎切削的能力低，研磨转速和磨料粉粒度对切除量的影响程度，低于PTC。

工业陶瓷研磨时，磨料随着磨削过程的冲击作用，碾压破碎成细小颗粒，磨削能力下降。不断加入的磨料则有较好的切削作用，而破碎后的磨料则起到研磨抛光作用，两者的有机结合在一定的研磨时间内达到平衡。因此，随着工业陶瓷研磨时间的延长，工业陶瓷研磨表面粗糙度趋于平稳，达到可实现的最佳值(见图2a)。

工业陶瓷研磨时间和转速

b)磨料粒度图2研磨工艺参数与表面粗糙度的关系

工业陶瓷研磨表面粗糙度主要与工件初始磨削表面质量、磨料粒度和磨料性质等有关。大颗粒的磨料会在工件表面产生较深的划痕，如果磨料不易于被破碎，磨料产生的划痕，不仅会导致工业陶瓷研磨表面粗糙度增大，而且会在工业陶瓷研磨表面产生表面微裂纹损伤层，既会影响工业陶瓷工件的使用性能，又会导致工业陶瓷工件在研磨过程和后续加工中产生破损。游离磨料研磨时磨料的切削运动是瞬时不规则的，工业陶瓷工件的受力不均匀和游离磨料的深度嵌入是导致工业陶瓷工件易碎的重要原因。

研磨材质较软的PTC时，由于磨料划痕的作用，使表面呈不规则的脆性断裂，有时甚至会导致研磨后局部表面粗糙度比研磨前的要大，这些断裂是PTC后续加工和包装运输时破碎的裂纹源。铸铁盘的研磨速度对磨削质量的影响不明显(见图2a)；磨料越细，磨削质量越好。Al2O3比PTC组织致密、硬度高，所以研磨表面粗糙度随磨料粒度变细而下降的程度较小；PTC表面质量提高较快，而在实验条件下最终达到的表面粗糙度低于Al2O3(见图2b)。

从实验结果(见图3)来看，磨盘材料对加工表面粗糙度有明显的影响。使用绒布时，由于绒布的弹性抛光作用，表面粗糙度明显低于使用铸铁盘。随着转速的提高，表面粗糙度下降。

图3磨盘材料与研磨表面粗糙度值的关系在采用金刚石磨料研磨时，由于金刚石磨粒嵌入纤维后，难以破碎，导致磨削质量下降。

2.工业陶瓷研磨表面形貌

工业陶瓷在SEM下观察一组不同研磨条件下的PTC研磨表面形貌图得知，采用铸铁盘低速研磨时，工业陶瓷工件表面的晶粒和晶界十分清晰，同时可见组织结构中的气孔。工业陶瓷工件表面是由磨粒滚压破碎而成的，表现为明显的脆性断裂形貌。部分晶粒产生穿晶断裂，没有明显塑性变形特征。研磨速度对表面形貌即表面粗糙度的影响不明显。

坦面残留在工业陶瓷工件表面的断裂裂纹使工件强度明显下降。磨料变细时，工业陶瓷表面出现了一些平坦，晶界趋于模糊，即表面质量变好。工业陶瓷采用绒布研磨时，研磨表面显现为若干条深浅方向不一的划痕、气孔和凹坑，存在不同方向上微切削作用下产生的浅沟槽、沟边缘隆起及细长切屑现象。由于绒布的弹性抛光和对磨料的把持作用，研磨加工中的塑性切削明显。随着工业陶瓷磨料变细和研磨速度的提高，塑性流动槽变浅，表面趋于更加平坦。粉屑对填平工件凹坑也有一定作用。

实验条件表明，采用铸铁盘难以获得PTC平坦光滑表面。有时PTC需要后续涂银电工序，凹凸晶体结构对于提高涂覆电极效果是十分有效的。研磨效果显然与工件材料的晶体结构等有关。氧化铝的研磨表面也出现凹坑和沟槽组合，但塑性变形不十分明显。由于PTC的塑性变形比Al2O3强，因此，在实验条件下最终也易达到较好的工业陶瓷表面质量。

三、工业陶瓷结论

1.以提高工业陶瓷研磨效率为目的，可采用铸铁盘对工业陶瓷工件进行研磨。工业陶瓷工件研磨表面表现为脆性断裂。而以提高工业陶瓷表面质量为目的，应采用绒布盘等具有弹性的研磨盘，工件研磨表面表现为塑性沟槽、凹坑和磨平平面。

2.随着工业陶瓷研磨转速、磨削时间和磨粒粒度的增大，研磨量提高。磨削质量主要受到磨粒粒度的影响。

3.为了既提工业陶瓷高研磨效率，同时保证表面质量，减少游离磨料对工件脆性断裂破坏，可采用固着磨料弹性研磨具进行研磨工业陶瓷。

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