论文部分内容阅读
金刚石是自然界最硬的材料,同时具有很高的强度和耐磨性,因而经常被制成工具或与结合剂混合制成磨具,用于加工其它难于加工的材料,如硬质合金、金刚石复合片、陶瓷材料等。由于天然金刚石稀少而且价格昂贵,很难满足工业生产的需求。目前在机械加工工业中广泛应用的金刚石磨料大多数是高温高压（大约1773K和5-6GPa）下人工合成的材料,存在颗粒较小、不易固定等缺点,为了利用金刚石进行高效、高精度加工,人们把金刚石与结合剂混合制成不同形状和尺寸的金刚石制品,在专用磨床上进行加工。常用的结合剂材料有树脂、金属和陶瓷等。陶瓷结合剂金刚石制品因具有加工效率高、形状保持性好、刚性好、加工成本低等优点而具有非常好的应用前景。然而由于金刚石高温下化学稳定性差,容易被氧化（在空气中超过1023K就会被氧化）,使金刚石晶体受到破坏,而陶瓷结合剂一般在1473K以上烧成,结合剂与磨粒才有较强的结合强度,因此,满足金刚石化学稳定性要求且与磨粒有较高结合强度的陶瓷结合剂很难得到,这在一定程度上限制了陶瓷结合剂金刚石制品在工业生产中的推广应用。本论文从研究金刚石在高温下的化学稳定性入手,根据金刚石对陶瓷结合剂的性能要求,以Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃金刚石砂轮结合剂为研究对象,利用示差扫描分析、X-ray衍射分析、SEM分析、红外光谱分析等手段系统地研究了微晶玻璃组成-结构-性能的关系,研究B2O3、Na2O加入量对微晶玻璃结构和性能的影响,金刚石表面镀钛对其性能影响,微晶玻璃对金刚石的高温浸润性的影响,金刚石与微晶玻璃的结合机理,并通过对微晶玻璃金刚石砂轮在磨削金刚石复合片外圆及硅片背磨中的应用研究,验证和优化结合剂性能。主要研究结果如下:（1）提出并实践了金刚石与微晶玻璃混合制成试样埋入石英砂中烧成的新工艺技术路线,使金刚石晶体受到的破坏比金刚石在空气或氩气中以同样烧成曲线裸烧时受到的破坏小很多。当金刚石在空气中裸烧时,1023K开始被氧化,随温度升高,氧化程度迅速加剧,抗冲击强度明显降低;而金刚石与微晶玻璃混合制成试样埋入石英砂中烧成时,当烧成温度为1123K时,金刚石的晶体受到破坏不大,抗冲击强度无明显降低,这一工艺使陶瓷结合剂金刚石砂轮在高于973K的温度烧成得以实现,为陶瓷结合剂性能和配方提供了更宽的选择范围。（2）成功地将微晶玻璃引入到金刚石复合制品的研制中。长期以来,人们认为陶瓷结合剂金刚石制品要求结合剂软化温度低（973K左右）、粘度不能太大（以便能包裹金刚石磨粒）,而微晶玻璃软化温度高（1373K以上）、粘度大,很难用作金刚石制品的结合剂。试验中,通过在Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃中加入Na2O和B2O3等组份,发现:当单独加入Na2O时,能显著降低玻璃熔体的粘度,但对玻璃的软化温度的降低作用不明显,而且使结合剂的热膨胀系数迅速增加;单独加入B2O3时,熔体的软化温度随B2O3加入量的增加而明显降低,热膨胀系数随B2O3加入量的增加而增加,当B2O3加入量为18mol%时,结合剂与与金刚石的热膨胀系数匹配性能最好;当以TiO2或TiO2+ZrO2为成核剂,通过合理的核化晶化处理,结合剂中出现热膨胀系数小的Li2Al2Si3O10微晶体,从而使结合剂的热膨胀系数与金刚石相近,结合剂与金刚石的结合强度很高。结合剂的主要性能参数为:软化温度1103K,热膨胀系数:8.5～9.3×10-6/K,由此结合剂结合的金刚石试块的抗拉强度:30.68MPa,抗弯强度:95.11 MPa。（3）金刚石晶体表面镀钛后,当温度高于993K时,表面的钛被氧化,在晶体表面形成非常致密的、惰性的Ti3O5膜,阻止金刚石的氧化,当温度高于1213K时,Ti3O5迅速氧化变为TiO2,对金刚石晶体的保护作用消失,金刚石晶体开始被氧化,抗冲击强度降低;Ti3O5为四方晶系（JCPDF:09-0309,a=3.754（?）,b=9.474（?）,c=9.734（?）,Z=4,密度ρ=4.19）晶体,具有与微晶玻璃结合剂中的Al2TiO5（四方晶系,JCPDF:26-0040,a=3.593（?）,b=9.439（?）,c=9.647（?）,Z=4,密度ρ=3.69）相似的结构,因而能进入结合剂中,降低了微晶玻璃结合剂与金刚石的表面能,减小玻璃结合剂与金刚石的浸润角;对B2O3-PbO-ZnO-SiO2低熔玻璃结合剂,金刚石表面镀钛对提高结合剂与金刚石磨料的结合强度无明显作用。（4）玻璃结合剂熔体对金刚石晶体的浸润角随温度升高而减小;当玻璃结合剂中的B2O3以[BO3]三角体存在时,能减小玻璃熔体的表面张力,从而减小玻璃结合剂与金刚石的浸润角;Na2O的加入虽然能够降低玻璃熔体的粘度,但由于Na2O提供的自由氧,使玻璃网络结构中的O/Si增加,阴离子团解聚,活性氧含量增加,从而增加了玻璃熔体的表面张力,使玻璃结合剂与金刚石的浸润角增大。（5）利用研制的新型微晶玻璃制备的金刚石砂轮磨削金刚石复合片外圆时具有如下的优点:寿命是目前所用树脂结合剂金刚石砂轮的2.5-3.0倍,是B2O3-PbO-ZnO-SiO2低熔玻璃结合剂金刚石砂轮的3倍以上;与树脂结合剂金刚石砂轮相比,磨削复合片效率提高,单件用时减少40%左右;尺寸精度由树脂金刚石砂轮的±0.03mm提高到±0.01mm,达到较高的磨削精度,而且无磨削噪音,对磨床的损害小;另外利用研制的新型微晶玻璃制造的金刚石砂轮能用于进口磨床上进行硅片背磨,替代进口砂轮,因此研制的新型微晶玻璃具有十分优异的性能。