纳米氮化铝改性低温陶瓷结合剂金刚石磨具的组织与性能控制

【摘要】：陶瓷结合剂金刚石磨具是高速精密磨削加工的最理想的工具，结合剂的性能控制是陶瓷结合剂金刚石磨具研究的重点。 本文根据金刚石磨具对低温陶瓷结合剂的性能要求，设计了R_2O-B_2O_3-SiO_2系(RBS)、R_2O-Al_2O_3-SiO_2系(RAS)和R_2O-Al_2O_3-B_2O_3-SiO_2系(RABS)三种玻璃结合剂，综合测试了三种结合剂的性能，优选出基础预熔玻璃料。在此基础上，通过添加纳米氮化铝(nano-AlN)改性，研究了nano-AlN的加入量和烧结气氛对结合剂及金刚石磨具性能的影响，并研究了气孔率对聚晶金刚石(PCD)刀具磨削性能的影响，制备出了适合PCD刀具磨削加工的高性能nano-AlN改性低温陶瓷结合剂金刚石磨具。 研究结果表明：在设计的三种预熔玻璃料中，具有均匀的玻璃相及少量的晶化相的RABS预熔玻璃料对金刚石界面有良好的润湿性，其烧结温度范围为680~715℃；线膨胀系数为5.5861×10-6℃~(-1)；抗折强度可达65MPa；显微硬度可达693MPa；适用于陶瓷结合剂金刚石磨具的结合剂。 在RABS预熔玻璃料基础上，通过添加nano-AlN对结合剂进行改性，能够显著提高结合剂烧结后的强度、硬度、耐磨性、韧性以及降低膨胀系数，其最佳添加量为6wt.%。在氩气烧结气氛下，当nano-AlN为6wt.%时，结合剂的抗折强度达到70.8MPa、冲击强度达到12.3kJ m~(-2)、硬度达到810MPa。高活性表面的nano-AlN能够促进非晶结合剂在氩气烧结时的非晶晶化、增加结合剂中晶化相的含量，并细化晶化相晶粒尺寸，改善气孔的形态，从而提高结合剂的性能。而空气中烧结时，nano-AlN的氧化分解，降低了这种有益作用，导致空气中烧结后结合剂的性能低于氩气烧结的性能。 利用nano-AlN改性陶瓷结合剂制备了金刚石磨具，结合剂低的膨胀系数、良好的润湿性使结合剂与金刚石形成良好界面结合。磨具性能能够达到和接近结合剂的性能。在氩气气氛下，当nano-AlN含量为6wt.%时，金刚石磨具的抗折强度、硬度、抗冲击强度分别达到60.5MPa、RHB88和10.32kJ/m~2，比纯结合剂金刚石磨具分别提高了25.2%、63.0%、16.9%。 在nano-AlN改性陶瓷结合剂金刚石磨具中添加成孔剂，成孔剂在烧结过程中分解和气体的溢出，能有效控制陶瓷结合剂金刚石砂轮中的气孔的数量、分布和尺寸，并减少甚至避免了结合桥上细小封闭的气孔。大量的气孔在磨削表面形成磨屑移除和冷却液流动的通道，改善了磨削加工表面的摩擦学特性，降低了摩擦阻力，提高了磨屑的去除率，显著提高金刚石砂轮磨削效率、耐用度，降低磨具的修整次数和磨削工件表面的粗糙度。对PCD刀具磨削加工用陶瓷结合剂金刚石砂轮，其最佳的气孔率为40.5vol.%。