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陶瓷结合剂金刚石砂轮的制备及磨削性能研究

刘小磐  
【摘要】:针对当前陶瓷结合剂金刚石砂轮的发展现状及存在的问题,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,采用溶胶-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应用于单晶硅材料的外圆磨削,研究了磨削参数对砂轮磨削性能的影响。 论文首先从陶瓷结合剂的制备出发,系统探讨了R2O-Al_2O_3-SiO_2-B_2O_3系陶瓷结合剂体系中,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、耐水性提高,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以颗粒的形式存在于结合剂中,起形核剂的作用,促进结合剂中锂辉石晶体的析出。 从提高金刚石磨料与陶瓷结合剂的界面结合强度考虑,原创性地采用溶胶-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薄膜可大幅度提高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℃。在与结合剂的烧结过程中,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,提高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,系统研究了磨料表面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。研究结果表明:磨料粒度对金刚石砂轮的物理性能有明显影响,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应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明显影响: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。


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