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论溶胶陶瓷结合剂金刚石砂轮制备与磨削性能学术

收藏本文 2024-03-06 点赞:6411 浏览:18392 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:针对当前陶瓷结合剂金刚石砂轮的进展近况及有着的不足,论文制备了金刚石砂轮用高性能陶瓷结合剂,探讨了陶瓷结合剂配方对结合剂性能的影响;原创性地以TiO_2溶胶为涂膜介质,采取溶胶-凝胶工艺在金刚石磨料表面涂覆一层致密的TiO_2薄膜,实现了金刚石磨料表面的无机薄膜改性;制备出陶瓷结合剂金刚石砂轮样品,优化了陶瓷结合剂金刚石砂轮的配方和制备工艺;将陶瓷结合剂金刚石砂轮运用于单晶硅材料的外圆磨削,探讨了磨削参数对砂轮磨削性能的影响。论文首先以陶瓷结合剂的制备出发,系统探讨了R2O-Al_2O_3-SiO_2-B_2O_3系陶瓷结合剂系统中,碱金属种类和含量对结合剂耐火度、抗弯强度、膨胀系数、耐水性和熔融结合剂对金刚石润湿性等性能的影响。首次通过实验证实了双碱效应对陶瓷结合剂性能会产生较大影响,阐述了双碱效应对结合剂产生影响的机理。在结合剂中引入高价氧化物ZrO_2,探讨了结合剂中ZrO_2含量对结合剂性能产生影响的机理为:当ZrO_2含量﹤2mol%时,Zr~(4+)进入玻璃网络结构,起到补网和集聚作用,此时随着ZrO_2含量增加结合剂的耐火度、抗弯强度、耐水性提升,膨胀系数降低,同时,由于Zr~(4+)在金刚石表面的富集,结合剂与金刚石的接触角降低。当ZrO_2含量﹥2mol%时,部分ZrO_2以颗粒的形式有着于结合剂中,起形核剂的作用,推动结合剂中锂辉石晶体的析出。以提升金刚石磨料与陶瓷结合剂的界面结合强度考虑,原创性地采取溶胶-凝胶工艺在金刚石磨料表面涂覆致密的TiO_2薄膜,首次讨论了TiO_2溶胶在金刚石磨料表面的成膜机理,薄膜与金刚石基体的界面结构和成键情况,以及涂膜后金刚石磨料性能的变化机理。实验结果表明,金刚石表面的TiO_2薄膜可大幅度提升金刚石磨料的抗氧化性能。未涂膜金刚石在空气中的起始氧化温度为687℃,涂膜3次经600℃热处理的金刚石磨料在空气中的起始氧化温度为762℃。在与结合剂的烧结历程中,金刚石磨料表面的TiO_2薄膜通过扩散缓慢溶解于结合剂中,在结合剂与金刚石磨料间形成过渡层,提升了结合剂对金刚石磨料的把持力。用传统的压制烧结法制备出陶瓷结合剂金刚石砂轮,系统探讨了磨料表面TiO_2涂膜、金刚石粒度、结合剂含量、烧成制度、造孔剂的种类和加入量对陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的影响。探讨结果表明:磨料粒度对金刚石砂轮的物理性能有显著影响,当结合剂含量恒定为24wt%时,对于未涂膜金刚石磨料砂轮,金刚石粒度为140/170#时,砂轮的抗弯强度和硬度达到极大值:分别为77.2MPa和HRB102.8,当金刚石粒度为120/140#时,砂轮对于单晶硅的磨耗比达981.6;对于表面涂覆TiO_2薄膜的金刚石磨料砂轮,随着金刚石磨料粒径的减小,其抗弯强度和硬度上升,当磨料粒度为100/120#时,砂轮对于单晶硅的磨耗比高达1728.1。结合剂含量对金刚石砂轮的性能也有一定的影响:当金刚石粒度为140/170#时,对于未涂膜磨料金刚石砂轮,结合剂含量为26wt%时,其抗弯强度、硬度、磨耗比达最大值:分别为80.1MPa、HRB105.4和902。对于涂膜磨料金刚石砂轮,随着结合剂含量的增加,金刚石砂轮的强度和硬度上升,磨削效率下降。当结合剂含量为24wt%时,砂轮的磨耗比达到最大值1421,加工后单晶硅表面粗糙度Ra值最小,为0.32。陶瓷结合剂金刚石砂轮随着砂轮中成孔剂的增加,砂轮的抗弯强度和硬度下降,磨削效率和加工后单晶硅的表面粗糙度Ra值上升。在相同加入量的条件下,加入精萘的砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra数值更低。将制备的陶瓷结合剂砂轮运用于单晶硅外圆磨削,其磨耗比接近金属结合剂金刚石砂轮,加工后的单晶硅棒表面在不需要HF进行腐蚀的情况下就可以达到表面粗糙度要求。同时磨削参数对陶瓷结合剂金刚石砂轮的磨削性能有显著影响:在恒定进刀量条件下,陶瓷结合剂金刚石砂轮的工作速度越高,砂轮磨削所产生的切向磨削力越小,砂轮相对单晶硅材料的磨耗比上升,单晶硅表面粗糙度Ra值下降。在恒定工作速度条件下,随着进刀量的增加,未涂膜磨料砂轮的磨耗比下降,表面粗糙度Ra值波动不大,砂轮的脱粒方式始终为整颗脱粒为主;涂膜磨料砂轮的脱粒方式随着进刀量增加,由破碎脱粒转变为整颗脱粒,砂轮磨耗比下降,表面粗糙度Ra值上升。修整周期对砂轮的磨削性能也有一定影响,修整周期越短砂轮越锋利,主轴电机输出功率越小,但砂轮的磨耗比也降低。关键词:陶瓷结合剂论文金刚石砂轮论文TiO_2薄膜论文溶胶-凝胶论文造孔剂论文磨削性能论文抗氧化性论文硬度论文

    摘要5-7

    Abstract7-10

    目录10-14

    第一章 前言14-31

    1.1 金刚石的性能14-17

    1.1.1 金刚石的硬度14

    1.1.2 金刚石的机械性能14-16

    1.1.3 金刚石的热稳定性16-17

    1.2 金刚石工具的进展近况17-19

    1.2.1 金刚石工具的进展近况17-18

    1.2.2 金刚石工具的分类18-19

    1.3 金刚石砂轮的分类19-22

    1.3.1 金属结合剂金刚石砂轮20

    1.3.2 树脂结合剂金刚石砂轮20-21

    1.3.3 陶瓷结合剂金刚石砂轮21-22

    1.4 陶瓷结合剂金刚石砂轮的组织结构22-26

    1.4.1 磨料22-23

    1.4.2 结合剂23-25

    1.4.3 气孔25-26

    1.5 陶瓷结合剂金刚石砂轮的探讨进展26-29

    1.5.1 金刚石磨料表面改性27-28

    1.5.2 高性能陶瓷结合剂的开发28-29

    1.5.3 气孔制约29

    1.6 选题依据和探讨内容29-31

    第二章 实验31-40

    2.1 结合剂的制备策略31-32

    2.2 结合剂性能测试32-34

    2.2.1 结合剂密度测定32

    2.2.2 结合剂耐火度测定32

    2.2.3 结合剂抗折强度测定32-33

    2.2.4 结合剂膨胀系数的测定33

    2.2.5 耐水性浅析33

    2.2.6 差热浅析33-34

    2.2.7 物相浅析34

    2.2.8 结合剂对金刚石润湿性浅析34

    2.2.9 结合剂显微结构及能谱浅析34

    2.3 金刚石磨料表面改性34-35

    2.4 改性金刚石磨料的性能表征35-36

    2.4.1 形貌及能谱浅析35-36

    2.4.2 红外光谱浅析36

    2.4.3 抗氧化性能浅析36

    2.4.4 拉曼光谱浅析36

    2.4.5 透射电镜浅析36

    2.4.6 光电子能谱浅析36

    2.4.7 表面电位浅析36

    2.5 金刚石砂轮的制备36-38

    2.5.1 砂轮配方的确定37

    2.5.2 混料37

    2.5.3 成型37

    2.5.4 干燥37

    2.5.5 烧结37-38

    2.5.6 加工检验38

    2.6 砂轮的性能表征及磨削实验38-40

    2.6.1 砂轮抗弯强度测试38

    2.6.2 砂轮硬度测试38

    2.6.3 砂轮气孔率测试38-39

    2.6.4 砂轮磨削性能测试39-40

    第三章 陶瓷结合剂的制备和性能探讨40-69

    3.1 引言40

    3.2 结合剂基础配方的确定40-42

    3.3 碱金属氧化物对陶瓷结合剂性能影响42-55

    3.3.1 碱金属含量对陶瓷结合剂耐火度的影响43-44

    3.3.2 碱金属含量对结合剂强度的影响44-46

    3.3.3 碱金属含量对结合剂耐水性影响46-49

    3.3.4 碱金属含量对结合剂膨胀系数的影响49-52

    3.3.5 碱金属含量对结合剂与金刚石润湿性影响52-55

    3.4 双碱效应对结合剂性能的影响55-59

    3.4.1 Li_2O 相对含量对结合剂耐火度的影响56

    3.4.2 Li_2O 相对含量对结合剂热膨胀系数的影响56-58

    3.4.3 Li_2O 相对含量对结合剂耐水性的影响58-59

    3.5 ZrO_2含量对结合剂性能的影响59-67

    3.5.1 ZrO_2含量对结合剂力学性能的影响59-63

    3.5.2 ZrO_2含量对结合剂耐火度的影响63

    3.5.3 ZrO_2含量对结合剂膨胀系数的影响63-65

    3.5.4 ZrO_2含量对结合剂耐水性的影响65-66

    3.5.5 ZrO_2含量对结合剂与金刚石润湿性的影响66-67

    3.6 本章小结67-69

    第四章 金刚石磨料的表面改性69-91

    4.1 前言69

    4.2 涂膜工艺参数对薄膜结构的影响69-73

    4.2.1 溶胶粘度对薄膜结构的影响69-71

    4.2.2 涂膜次数对薄膜结构的影响71-73

    4.3 热处理温度对薄膜结构和相组成的影响73-76

    4.3.1 热处理温度对薄膜结构的影响73-75

    4.3.2 热处理温度对薄膜相组成的影响75-76

    4.4 TiO_2薄膜与金刚石磨料的界面探讨76-79

    4.4.1 金刚石表面 TiO_2薄膜的显微结构76-77

    4.4.2 金刚石与 TiO_2薄膜的成键探讨77-79

    4.5 TiO_2薄膜对金刚石磨料性能的影响79-89

    4.5.1 TiO_2薄膜对金刚石磨料抗氧化性能的影响79-82

    4.5.2 TiO_2薄膜对金刚石磨料表面ξ电位的影响82-84

    4.5.3 TiO_2薄膜对金刚石磨料与陶瓷结合剂界面结合的影响84-89

    4.6 本章小结89-91

    第五章 陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备91-125

    5.1 引言91

    5.2 磨料种类对金刚石砂轮性能的影响91-104

    5.2.1 磨料种类对金刚石砂轮强度的影响91-95

    5.2.2 磨料粒度对金刚石砂轮硬度的影响95-98

    5.2.3 磨料粒度对金刚石砂轮磨削性能影响98-104

    5.3 结合剂含量对陶瓷结合剂金刚石砂轮性能影响104-111

    5.3.1 结合剂含量对砂轮抗弯强度的影响105-107

    5.3.2 结合剂含量对砂轮硬度影响107-108

    5.3.3 结合剂含量对金刚石砂轮磨削性能的影响108-111

    5.4 烧成制度对陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的影响111-117

    5.4.1 烧成制度对金刚石砂轮抗弯强度的影响113-116

    5.4.2 烧成制度对砂轮硬度的影响116-117

    5.5 成孔剂对陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的影响117-124

    5.5.1 成孔剂含量对金刚石砂轮抗弯强度的影响118-120

    5.5.2 成孔剂含量对金刚石砂轮硬度的影响120

    5.5.3 成孔剂含量对金刚石砂轮磨削性能的影响120-124

    5.6 本章小结124-125

    第六章 陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削性能探讨125-139

    6.1 引言125

    6.2 磨削速度对陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削性能的影响125-129

    6.3 进刀量对陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削性能的影响129-132

    6.4 砂轮的修整对陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削性能影响132-136

    6.5 陶瓷结合剂与金属结合剂金刚石砂轮磨削性能比较136-138

    6.6 本章小结138-139

    结论139-141

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