（材料学专业论文）微晶玻璃结合剂的研制及其与金刚石界面结合机理研究.pdf

博士学位论文摘要 摘要 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1 7 7 3 k 和5 6 g p a 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1 0 2 3 k 就会被氧化 使金刚石晶体受到 破坏 而陶瓷结合剂一般在1 4 7 3 k 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l i 2 0 z n o o a l 2 0 3 s i 0 2 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 r a y 衍射分析 s e m 分 博士学位论文摘要 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b 2 0 3 n a 2 0 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 1 0 2 3 k 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11 2 3 k 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9 7 3 k 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 9 7 3 k 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 1 3 7 3 k 以上 粘度大 很难用作金刚石制品的结合剂 试验 中 通过在l i 2 0 z n o a 1 2 0 3 一s i 0 2 微晶玻璃中加入n a 2 0 和b 2 0 3 等组 份 发现 当单独加入n a 2 0 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 i i 博士学位论文 摘要 增加 单独加入b 2 0 3 时 熔体的软化温度随b 2 0 3 加入量的增加而明 显降低 热膨胀系数随b 2 0 3a n 量的增加而增加 当b 2 0 3 加入量为 1 8 m 0 1 时 结合剂与与金刚石的热膨胀系数匹配性能最好 当以t i 0 2 或t i 0 2 z r 0 2 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l i 2 a 1 2 s i 3 0 l o 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11 0 3 k 热膨胀系数 8 5 9 3 x 1 0 6 k 由此结合剂结 合的金刚石试块的抗拉强度 3 0 6 8 m p a 抗弯强度 9 5 1 1m p a 3 金刚石晶体表面镀钛后 当温度高于9 9 3 k 时 表面的钛 被氧化 在晶体表面形成非常致密的 惰性的t i 3 0 5 膜 阻止金刚石的 氧化 当温度高于1 2 1 3 k 时 m 3 0 5 迅速氧化变为t i 0 2 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 t i 3 0 5 为四方晶系 j c p d f 0 9 0 3 0 9 a 3 7 5 4 t b 9 4 7 4 a e 9 7 3 4 a z 4 密度p 4 1 9 晶体 具有与微晶玻璃结合剂中的a 1 2 t i 0 5 四方晶系 j c p d f 2 6 0 0 4 0 a 3 5 9 3 a b 9 4 3 9 a e 9 6 4 7 a z 4 密度p 3 6 9 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b 2 0 3 p b o z n o s i 0 2 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b 2 0 3 以 b 0 3 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 n a 2 0 的 j n 虽 m 博士学位论文 摘要 然能够降低玻璃熔体的粘度 但由于n a 2 0 提供的自由氧 使玻璃网 络结构中的o s i 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b 2 0 3 p b o z n o s i 0 2 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4 0 左右 尺寸精度由树脂金刚石砂轮的 o 0 3 m m 提高到 o 0 1 m m 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 关键词金刚石 微晶玻璃 镀钛 浸润性 结合机理 i v 博士学位论文 a b s t r a o t a b s t r a c t d i a m o n di st h eh a r d e s ts u b s t a n c ei nt h en a t u r e i th a sv e r yh i g h s t r e n g t ha n de x c e l l e n tr e s i s t a n c et ow e a r s oi t i si d e a lm a t e r i a lf o r m a n u f a c t u r i n gc u r i n gt o o l so rg r i n d i n gp r o d u c t sm i x e dw i t hc e r t a i nb o n d i no r d e rt o p r o c e s so t h e rh a r dm a t e r i a l ss u c ha st u n g s t e nc a r b i d e p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t so re n g i n e e r i n gc e r a m i c s m a g n e t i c m a t e r i a l s b e c a u s en a t u r a ld i a m o n di sv e r yr a r ea n dv e r ye x p e n s i v e i ti s d i f f i c u l tt om e e tt h ep r o d u c t i o nd e m a n di ni n d u s t r y a t p r e s e n t m o s td i a m o n dg r i n d i n gc o m p o u n du s e di nt h e m a c h i n e f i n i s h i n gi n d u s t r yi sm a n m a d em a t e r i a l s w h i c hi ss y n t h e s i z e d a th i g ht e m p e r a t u r ea b o u t17 7 3 ka n dh i g hp r e s s u r eo f5 6 g p a h o w e v e r t h ed i a m o n di sd i 衢c u l tt ob ef i x e db e c a u s eo fi t ss m a l l e rg r a i n s i no r d e r t ou s et h ed i a m o n dt oc a r r yo nh i g hp r e c i s i o np r o c e s se f f i c i e n t l y t h e d i a m o n dg r a i n sa r eo f t e np r e p a r e di n t og r i n d i n gp r o d u c t sm i x e dw i t h c e r t a i nk i n d so fb o n ds u c ha st h er e s i n t h em e t a la n dt h ec e r a m i c c o m p a r e dt oo t h e rg r i n d i n gp r o d u c t s c e r a m i cb o n dd i a m o n dp r o d u c t s h a v eb e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c tb e c a u s eo ft h e i rh i g hl o n g e v i t y h i g h e f f i c i e n c y g o o dr i g i d i t ya n dl o w e s tp r o c e s sc o s t h o w e v e rd i a m o n di s e a s i l yo x i d i z e di nt h ea i ra th i g h e rt e m p e r a t u r et h a n10 2 3 k t h i sw i l l d a m a g et h es t r u c t u r eo fd i a m o n d 助 i l ec e r a m i cb o n dp r o d u c t su s u a l l y m u s tb es i n t e r e da ta b o v e14 7 3 kf o r o b t a i n i n gh i g hu n i o ns t r e n g t h b e t w e e nd i a m o n da b r a s i v ea n db o n d a sar e s u l t t h ec e r a m i cb o n dw h i c h c a nm e e tt h es i n t e r i n gd e m a n do fd i a m o n di nl o w e rt e m p e r a t u r ea n d s t r o n g e rs t r e n g t hw i t ha b r a s i v e si sd i 伍c u l tt oo b t a i n 1 n l i sl i m i t st h e a p p l i c a t i o no fc e r a m i cb o n dd i a m o n dp r o d u c t si ni n d u s t r y b a s e do nt h ec h e m i c a ls t a b i l i t yo fd i a m o n di nh i g i lt e m p e r a t u r ea n d t h e p r 叩e r t yr e q u i r e m e n t o fd i a m o n dt o c e r a m i c b o n d l i 2 0 z n o a 1 2 0 3 s i 0 2g l a s sc e r a m i c sh a v eb e e nc h o s e na st h eb o n di n c e r a m i cb o n dd i a m o n d g r i n d i n g w h e e l 1 1 1 e r e l a t i o n s h i pa m o n g c o m p o s i t i o n s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fg l a s sc e r a m i c s h a sb e e n i n v e s t i g a t e du s i n gd s c x r a yd i f f r a c t i o n s e m i n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r ai nt h i sp a p e r i n c l u d i n gt h ee f f e c t so fa d d i t i o no fn a 2 0 b 2 0 3o n t h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo fg l a s sc e r a m i c s t h ee f f e c to fp l a t i n gt i t a n i u m v 博士学位论文 a b s t r a c t o nd i a m o n dc r y s t a ls u r f a c eo nt h ep r o p e r t yo fd i a m o n d t h e s o a k a g e b e t w e e nd i a m o n da n dv i t r i f i e db o n di nl a u g h e rt e m p e r a t u r e t h eb o n d i n g s t a t u sa n d b o n d i n gm e c h a n i s m a ti n t e r f a c eb e t w e e nd i a m o n da n dc e r a m i c b o n d t h ep r e s c r i p t i o no fv i t r i f i e db o n da n dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l h a v eb e e no p t i m i z e db yt h e e x p e r i m e n to fg r i n d i n gt h ec y l i n d e ro f p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c ta n db a c kg r i n d i n go fs i l i c o ns h i p t h e m a i nr e s u l ta st h ef o l l o w i n g 1 an e wt e c h n o l o g yr o u t et h a tt h ec e r a m i cb o n dd i a m o n ds a m p l e s w a sb u r i e di nq u a r t zs a n da n ds u b s e q u e n t l ys i n t e r e dh a sb e e np r e s e n t e d c o m p a r e dt ot h es i n t e r i n gt e c h n o l o g yo fd i a m o n dc r y s t a l si nt h ea i ro ri n t h e a r g o n w h i c hc a u s e ss m a l l e r s t r u c t u r ed e s t r u c t i o nu n d e rs a m e t e m p e r a t u r e t i m ec u r v e g e n e r a l l y w h e nd i a m o n di ss i n t e r e di nt h ea i r t h eo x i d i z i n gr e a c t i o ns t a r t st ot a k ep l a c ea t10 2 3 k w i t ht h ei n c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r e t h e o x i d i z e d d e g r e er a p i d l yi n c r e a s e sa n dt h e a n t i i m p a c t i n gs t r e n g t ho fd i a m o n dd e c r e a s e sg r e a t l y h o w e v e rw h e nt h e d i a m o n dw a sb u r i e di nq u a r t za n ds i n t e r e d i t so x i d i z e dd e g r e el o w e r e d g r e a t l ya n dt h ea n t i i m p a c t i n gs t r e n g t hd i dn o to b v i o u s l yr e d u c e t h i s d i s c o v e r yc h a n g e dt h ei d e ao fp e o p l et h a tc e r a m i cb o n dd i a m o n d p r o d u c t sm u s tb es i n t e r e db e l o w9 7 3 kt op r o t e c td i a m o n df r o m o x i d i z a t i o na n do f f e r e dm o r ec h o i c ef o rt h ec e r a m i cb o n d sw i t hd i f f e r e n t p r o p e r t ya n dp r e s c r i p t i o n 2 g l a s sc e r a m i c sw a su s e da st h eb o n do fd i a m o n dp r o d u c t sf o r t h e f i r s tt i m e a c c o r d i n gt oc o n v e n t i o n a lc o n c e p t i o n t h eb o n dm u s th a v e l o w e rm e l t i n gt e m p e r a t u r et h a n9 7 3 ka n dl e s sv i s c o u s n e s ss oa st ow r a p d i a m o n dg r a i n sa t s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e m i l eg l a s sc e r a m i ci sv e r y d i f f i c u l tt ob eu s e di nd i a m o n dp r o d u c t sb e c a u s eo fi t sh i g h e rm e l t i n g t e m p e r a t u r et h a n 137 3 ka n dl a r g e rv i s c o u s n e s s i nt h i s p a p e r t h e l i 2 0 z n o a 1 2 0 3 s i 0 2s y s t e mg l a s sa n ds y s t e mg l a s sc e r a m i ch a v eb e e n p r e p a r e d t h ee f f e c to fa d d i t i o no fb 2 0 3a n dn a 2 0o nt h ep r o p e r t i e so ft h e g l a s sa n dt h eg l a s sc e r a m i c sh a sb e e ni n v e s t i g a t i o n n l er e s u l ts h o w st h a t w h e nn a 2 0i sa d d e di n t ol i 2 0 一z n o a 1 2 0 3 s i 0 2s y s t e m t h ev i s c o u s n e s s o ft h eg l a s sd e c r e a s e dr a p i d l y b u tt h es o f t e n i n gt e m p e r a t u r ed o e sn o t d e c r e a s eo b v i o u s l y a n dt h ec o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o no ft h eg l a s s c e r a m i ci n c r e a s e s r a p i d l y w h e n b 0 3 i sa d d e di n t o v i 博士学位论文 a b s t r a c t l i 2 0 一z n o a 1 2 0 3 一s i 0 2s y s t e m t h es o f t e n i n gt e m p e r a t u r eo ft h eg l a s s d e c r e a s e sa n dt h ec o e 伍c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o no ft h eg l a s sc e r a m i c i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fb 2 0 3a d d i t i o n s t om e e tt h ep r o p e r t y d e m a n do fd i a m o n d 18 m 0 1 i st h eb e s ta d d i t i o n so fb 2 0 3 w h e nt i 0 2o r t i 0 2 z r 0 2i su s e da sn u c l e a t i n ga g e n ta n dar e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n ti s a d o p t e d l i 2 a 1 2 s i 3 0 l om i c r o c r y s t a l sw i t hl o w e rt h e r m a le x p a m s i o n c o e f f i c i e n ti sf o u n di nt h el i 2 0 一z n o a 1 2 0 3 s i 0 2s y s t e mb o n d t h eg l a s s c e r a m i ch a sac o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o no f8 5 10 61 k w h i c hi s c l o s et ot h a to fd i a m o n d t h ed r a w i n gs t r e n g t ho f3 0 6 8m p a b e n d i n g s t r e n g t ho f9 5 11m p a t h i sm e a n st h a tt h eb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e n d i a m o n dg r a i n sa n dt h i sb o n di sv e r yh i g h 3 w h e nd i a m o n di sp l a t e dw i t ht i t a n i u mo nt h es u r f a c e t i t a n i u m w i l lb eo x i d i z e di n t o t i 3 0 5a th i g h e rt e m p e r a t u r et h a n9 9 3 k t h e o x i d i z a t i o no fd i a m o n dc a nb ep r e v e n t e db e c a u s et i 3 0 5i si n e r ta n d c o m p a c t w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e st o12 13 k t i 3 0 si st r a n s f o r m e d i n t ot i 0 2 w h i c hr e s u l t si nt h ed i s a p p e a r i n go ft h ep r o t e c t i n gr o l ea n dt h e d e c r e a s i n go fa n t i i m p a c t i n gs t r e n g t ho fd i a m o n d t i s 0 5c r y s t a l i s q u a r t e t c r y s t a ls y s t e m j c p d f 0 9 0 3 0 9 a 3 7 5 4 a b 9 4 7 4 a c 9 7 3 4 a z 4 p 4 19 w h i c hh a sas i m i l a rs t r u c t u r et o 舢2 t i 0 5 j c p d f 2 6 0 0 4 0 a 3 5 9 3 a b 9 4 3 9 a c 9 6 4 7 a z 4 p 3 6 9 i nt h eb o n da n dc a ne n t e ri n t ot h es t r u c t u r eo fv i t r i f i e db o n d w h i c h c a u s e sd e c r e a s i n go ft h es u r f a c ee n e r g yb e t w e e ng l a s sc e r a m i cb o n da n d d i a m o n dc r y s t a l f o rb 2 0 3 一p b o z n o s i 0 2g l a s sb o n d p l a t i n gt i t a n i u m h a sn oo b v i o u se f f e c to ni m p r o v i n gt h eb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e nt h e b o n da n dd i a m o n dg r a i n s 4 t h ec o n t a c ta n g l eb e t w e e nv i t r i f i e db o n da n dd i a m o n dc r y s t a l r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e w h e nb 2 0 3e x i s t si nf o r mo f b 0 3 t 1 1 es u r f a c et e n s i o no fg l a s sm e l t i n gr e d u c e s a n dt h ec o n t a c t a n g l eb e t w e e nv i t r i f i e db o n da n dd i a m o n dc r y s t a lr e d u c e s t h ea d d i t i o n s o fn a 2 0o f f e r sm o r ef r e eo x y g e n i o n s i n c r e a s e st h er a d i oo fo s ia n d t r a n s f o r m sc o m p l i c a t e ds i o s in e t w o r ks t r u c t u r ei n t os m a l l e rs i o s i g r o u p w h i c hc a u s e st h ei n c r e a s i n go ft h es u r f a c et e n s i o na n dt h ec o n t a c t a n g l e 5 t h ed i a m o n dg r i n d i n gw h e e lw i t ht h en e wv i t r i f i e db o n dh a s v i l 堂垡笙窒 垒呈 垒里 l i i l l i 一 m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o n g e rl o n g e v i t y i sa sa b o u t2 5 弓t i m e sa s t h a to fr e s i nb o n do n eo ra s3t i m e sa st h a to fb 2 0 3 一p b o z n o s i 0 2g l a s s b o n do n e h i g h e rp r e c i s i o no fp d cs i z e o olm m h i g h e re f f i c i e n c y s a v i n gg r i n d i n gt i m ea b o u t4 0 h a r d l yn o i s ea n dl i t t l eh a r m t og r i n d e r i ng r i n d i n gt h ec y l i n d e ro fp o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t a l s ot h i s w h e e lc a nb eu s e di ni m p o ag r i n d e rf o ru s i n gi nb a c kg r i n d i n go fw a f e r t o s u b s t i t u t ea ni m p o r to n e s ot h en e w v i t r i f i e db o n dh a se x c e l l e n tp r o p e r t y k e yw o r d s d i a m o n d g l a s sc e r a m i c p l a t i n gt i t a n i u m s o c k a g e b o n d i n gm e c h a n i s m v i i i 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明 作者签名 逖 窒基 日期 j 型互年j 五月掣日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 刷醴名产嗍 4 年上月幽 博士学位论文第一章绪论 1 1研究背景及意义 第一章绪论弟一早 三百下匕 金刚石是自然界中最硬的材料 具有许多优异的光学 热学和电学性能 表 卜l 列出了金刚石与几种材料的光学 热学和电学性能对比 表1 1金刚石和几种材料的光学 热力学 电学性能n 1 t a b l e1 1o p t i c t h e r m o d y n a m i ca n de l e c t r i cp r o p e r t i e so fd i a m o n da n ds e v e r a l 博士学位论文第一章绪论 由光学性能看 从紫外到远红外整个波段金刚石都具有高的透过率 因此它 是大功率红外激光器和探测器理想的窗口材料 金刚石折射率高 可作为太阳能 电池的防反射膜 另外它的高透过率 高热导率 优良的力学性能和化学惰性 可用作光学透镜的保护膜 如飞机和导弹在超音速飞行时 头部的雷达无法承受 高温及高速雨点 尘埃撞击 用金刚石作雷达罩不仅散热快 耐磨性好 而且可 以解决雷达罩高速飞行时承受的热量沉积问题 金刚石具有良好的化学性能 能耐各种温度下的非氧化性酸 由于它的化学 成分是碳 无毒 加上它的惰性 与血液和其它流体不起反应 因此又是理想的 医学生物体植入材料 金刚石的介电常数很低 这使其成为理想的微波介质材料 它的禁带宽度宽 导热率高 击穿电压很高 因此可制成9 0 0 k 以下正常工作的耐高温半导体器件 大功率晶体管和半导体温度计 还可作为耐强辐射材料 在宇宙飞船和原子能反 应堆等强辐射环境工作 金刚石的热导率高 热容小 尤其在高温时散热效果更为显著 热量无法积 聚 因此是良好的热沉材料 可用作集成电路基片和绝缘层以及固体激光器的导 热绝缘层 金刚石的上述优点使其成为极其重要的结构材料和工程材料 在现代工业 科研和航空航天等领域中获得越来越广泛的应用1 2 由于金刚石是自然界中最硬的材料 还具有非常优异的力学性能 使它在工 具行业有着其它材料不可替代的作用 表l 2 列出了金刚石与两种硬质材料碳化 硅 硬质合金的力学性能比较 表1 2 金刚石和其它硬质材料的力学性能唧 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i a m o n da n ds e v e r a lh a r dm a t e r i a l s 2 博士学位论文第一章绪论 由表1 2 可以看出金刚石的硬度是碳化硅和硬质合金的3 4 倍 而且耐磨 性好 导热性好 很适合用作石油 煤炭以及探矿钻头 以开采地下资源和能源 也可制成刀具 磨具 钻具 锯切工具及修整工具用于非金属材料 有色金属材 料等的加工h 1 由于天然金刚石在自然界蕴藏量少 价格昂贵 很难满足工业生产的需求 上世纪五十年代美国g e 公司率先以石墨为原料模仿天然金刚石的产生条件在高 温 1 5 7 3 k 高压 5 g p a 左右 下人工合成了金刚石 金刚石在工业中的应 用变得更为广泛 5 l 但金刚石在加工黑色金属时容易使黑色金属渗碳 既加速了 金刚石的损耗又使黑色金属性能发生变化1 6 1 为解决工业中应用广泛的黑色金属 的加工问题 上世纪六十年代美国g e 公司以白石墨 六方氮化硼 为原料 采 用与合成金刚石相似的条件人工合成了立方氮化硼 c u b i cb o r o nn i t r i d e 简称 c b n 硬度仅次于金刚石 与黑色金属呈化学惰性 解决了黑色金属的高效加工 问题 刀 由于人工合成的金刚石颗粒较小 为了利用金刚石进行高效率 高精度加工 人们用结合剂将金刚石磨粒固结起来制成具有一定规格和形状的磨具 安装在各 种磨床上来实现高效高精度加工 常用于固结金刚石磨粒的结合剂有树脂 金属和陶瓷结合剂三种 其中树脂 结合剂和金属结合剂金刚石砂轮己在工业生产中得到广泛应用 陶瓷结合剂金刚 石砂轮因其优异的性能而具有非常良好的发展前景 1 树脂结合剂金刚石砂轮 树脂结合剂金刚石砂轮以金刚石为磨料 树脂粉为粘结剂 加入一些填料 通过配料 混料 热压成型 二次硬化 机械加工等工艺过程制成的具有一定几 何形状的能适用不同磨削加工要求的磨加工工具 由于树脂金刚石砂轮生产工艺 简单 投资小 而且具有弹性好 强度高 耐冲击等优点 因而成为金刚石砂轮 中应用最广泛 产量最大的产品 早在1 9 3 0 年就已生产出以天然金刚石为磨料 的树脂结合剂金刚石砂轮 8 1 但树脂结合剂金刚石砂轮也有很多缺点 如树脂结 合剂本身不耐高温 造成砂轮使用寿命短 因而加工成本高 磨粒脱落快而不能 用于成型磨削 树脂结合剂有弹性 在磨削难加工材料时加工精度不易得到保证 等 这些缺点随工业发展和技术进步而变得越发明显 不能满足高效 高精度加 工的要求 2 金属结合剂金刚石砂轮 金属结合剂金刚石砂轮按制造方法分为电镀和烧结两种类型 其中电镀金刚 石制品因制造工艺简单 无需修整 使用方便 得到广泛应用 其缺点是磨削层 只有一层金刚石因而砂轮寿命短 烧结金属结合剂金刚石砂轮是以青铜 钴 锡 3 博士学位论文第一章绪论 镍等金属或其合金粉末为结合剂与金刚石磨料混合 通过压制成型 保护气氛下 短时间高温烧结 保护金属粉末和金刚石不氧化 而制成的磨加工工具 它具有 硬度高 结合剂与磨粒结合强度高 砂轮形状保持性好 韧性好 导热性好 使 用寿命长等优点 在玻璃 磁性材料等非金属硬脆材料和硬质合金的粗磨 半精 磨 成型磨中应用广泛 但烧结金属结合剂金刚石砂轮也存在一些缺点 如自锐 性差 磨削效率低 容易堵塞 砂轮修整和开刃困难 这些缺点限制了金属结合 剂金刚石砂轮在高效磨削中的应用 3 陶瓷结合剂金刚石砂轮 陶瓷结合剂金刚石砂轮是以陶瓷或玻璃或微晶玻璃材料作结合剂与金刚石 磨料混合 经高温烧成 通过陶瓷或玻璃或微晶玻璃材料软化而将金刚石磨料牢 固地结合在一起而制成的加工工具 陶瓷结合剂金刚石砂轮具有如下优点p l o 1 由于陶瓷结合剂金刚石砂轮是经高温烧成 2 1 0 7 3 k 左右 因而在磨削 高温下仍能与金刚石磨粒有较高的结合强度 2 陶瓷结合剂金刚石砂轮是多孔材料 内部气孔的大小和数量可在很大 范围内调节 因而加工时容屑空间大 允许有较大的磨削进给 加工效率高 3 陶瓷结合剂金刚石砂轮刚性好 在磨削过程中变形小 磨削产品的尺 寸精度能得到保证 人工合成金刚石 c b n 单晶在工业生产中的另一广泛应用是被制成钻具用于 开采自然资源和被制成刀具对非金属材料 有色金属材料等材料进行车削加工 但单晶使用过程中暴露出一些缺陷 如单晶体积小 寿命短 工作时受到冲击载 荷容易崩裂 单晶性质的各向异性使单晶容易沿某一解理面裂开等等 这些缺陷 限制了单晶在工业生产中的应用i n l 为解决金刚石 c b n 单晶应用中的问题 拓 展金刚石在工业生产中的应用 美国g e 公司于2 0 世纪7 0 年代成功研制了金刚 石复合片 p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t 简称p d c 和立方氮化硼复合片 p 0 1 y c r y s t a l l i n ec u b i cb o r o nn i t r i d ec o m p a c t 简称p c b n 它是由聚晶金 刚石 或立方氮化硼简称c b n 层和硬质合金层复合在一起的 聚晶金刚石层 或 立方氮化硼简称c b n 是由金刚石微粉 或立方氮化硼微粉 与金属触媒混合均 匀 在高温高压 大约1 7 7 3 k 5 0 5 6 g p a 下被压制到硬质合金基体中的 金刚 石复合片具有硬度高 h v 7 5 0 0 9 0 0 0 复合抗弯强度高 0 蚰达1 5 0 m p a 导热 系数大 可达1 4 6 w m k 是硬质合金的4 7 倍 热膨胀系数小 o 9 1 1 8 1 0 r e 是钢的1 1 0 与有色金属摩擦系数小 为0 1 0 3 相当于硬质合金与有色金属 摩擦系数的l 2 l 3 因而加工有色金属时具有切削散热快 切削温度低 加工精度高等优点 1 2 j 同时它还具有硬质合金良好的强度和韧性 克服了单晶 4 博士学位论文第一章绪论 金刚石刀具的易崩刀 各向异性等缺点 因而在工业生产中得到迅速发展 1 3 1 5 但在高温高压过程中 在金属触媒的作用下金刚石层将缓慢生长 因此合成后复 合片的p c d 或p c a n 层的外圆形状极不规则 平面也很不平整 1 6 1 为使复合 片有同一尺寸和美观 需要对复合片的外圆及平面进行磨削 由于被加工材料是 金刚石或c b n 磨削加工非常困难 目前p c d p c b n 外圆加工采用金刚石砂轮进行磨削 用树脂结合剂金刚石砂 轮磨削 存在加工效率低 加工成本高 成品的尺寸偏差大 磨削噪音大 对磨 床的破坏大等问题 1 7 而采用游离金刚石颗粒磨削p d c p c b n 平面 不仅加工 效率低 而且加工成本耐1 8 1 随着我国机械加工业的发展迅速 加工精度和加工效率日益提高 而精密高 效加工离不开精度高 寿命长 效率高的p d c p c b n 刀具 p d c p c b n 刀具的制 作过程如图1 1 所示 图卜1p i c p c b n 刀具的制作过程 f i g u r e 1f a b d c a t i o no f p d c p c b nc u t t i n gt o o l s 其中韧磨工序是制作过程