【摘要】：金剛石具有硬度高、熱穩(wěn)定性好、導熱性好等優(yōu)點,各型固結金剛石線鋸已在硅晶體、藍寶石等材料的高精密切片加工中得到了廣泛應用。應用實踐表明,傳統(tǒng)的固結金剛石線鋸(樹脂或電鍍金剛石線鋸)表面磨粒結合力來源主要為機械鑲嵌作用,存在磨粒把持強度低,磨料及結合劑層容易脫落等缺點,制約了金剛石磨料磨削性能的充分發(fā)揮。為了解決上述問題,基于活性釬料液相條件下與金剛石及鋼絲基體的化學冶金反應,可以實現(xiàn)金剛石與鋼絲的高強度釬焊連接,解決了傳統(tǒng)固結金剛石線鋸磨料把持強度低這一根本問題。本文完成的創(chuàng)新性研究工作主要包括:(1)開發(fā)了可實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)的釬焊金剛石線鋸制備工藝,設計并搭建了釬焊金剛石線鋸自動化制備平臺。分析了釬焊金剛石線鋸的構成,優(yōu)選了釬焊金剛石線鋸的原材料,在此基礎上,確定了釬焊金剛石線鋸制備的工藝流程,據(jù)此設計并搭建了自動化生產(chǎn)平臺,確定了每個制備環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)。結果表明,以Cu-Sn-Ti合金作為釬料,KSC82碳素鋼絲作為基體,金屬絲進給速度為17.44mm/s,感應加熱電源的輸出功率3kW,保溫時間為1.5s較為合理。(2)實現(xiàn)了金剛石磨粒與鋼絲基體的高強度連接,并揭示了金剛石磨粒把持力的來源。分析了釬焊熱處理對金剛石強度的影響,利用掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀分析了金剛石釬焊形貌、釬焊界面微觀結構以及界面新生化合物。結果表明,釬焊熱處理過程前后金剛石抗壓強度和沖擊強度無明顯變化,當感應加熱功率為3kW,保溫1.5s,氬氣通入流量為15L/min的條件下可獲得較佳的磨粒釬焊形貌,金剛石釬焊界面附近釬料合金具有明顯的爬升形態(tài),磨粒實現(xiàn)較高強度的把持。金剛石釬焊界面處TiC新生相的形成是實現(xiàn)金剛石磨粒浸潤的根本原因。合金釬料中的Ti元素在金剛石釬焊界面富集偏析,界面新生相TiC為Cu-Sn-Ti合金潤濕金剛石磨粒提供了 橋梁‖,界面處TiC以TiC_X(X=0.47-0.95)間隙相形式存在。(3)分析了釬料合金表面顯色機理,評估了釬焊氣氛對金剛石磨粒釬焊效果的影響。利用光學顯微鏡和能譜儀分析了不同氬氣通入流量條件下線鋸表面Cu-Sn-Ti合金層的微觀形貌及微區(qū)元素分布特征。結果表明,線鋸表面顯色的差異取決于工作層合金中的Ti氧化程度。氬氣通入流量參數(shù)的變化影響釬焊氣氛氧分壓,直接影響Cu-Sn-Ti合金層表面Ti元素氧化物薄膜的厚度,決定了釬料合金表面的可見顏色類型。當氬氣流量小于5L/min時,金剛石釬焊界面Ti元素氧化導致磨粒把持強度大大降低。當氬氣流量大于10L/min時,金剛石釬焊界面Ti元素氧化程度明顯下降。(4)分析了不同應力載荷條件下釬焊金剛石線鋸的力學性能以及工作層失效特征及機理,為釬焊金剛石線鋸的工程應用提供了數(shù)據(jù)支撐和理論基礎。通過拉伸力學性能實驗、彎曲疲勞實驗及扭轉實驗,分析了釬焊金剛石線鋸在不同的應力載荷條件下力學性能及工作層失效特征。結果表明,釬焊金剛石線鋸的綜合力學性能可以滿足花崗巖切片加工的實際需求。線鋸在不同載荷條件下工作層表面的微觀裂紋均符合典型的張開型裂紋特征。減小線鋸張緊力、彎曲疲勞曲率、提高線鋸表面磨料分布的均勻性可以有效的降低線鋸工作層表面裂紋發(fā)生的概率。(5)制作了長度500m標稱直徑為1.12mm的釬焊金剛石線鋸,將其用于花崗巖板材切片加工試驗,驗證了該新型金剛石線鋸的綜合性能。實驗結果表明,基于釬焊金剛石線鋸的花崗巖切片加工的效率可以穩(wěn)定在15mm/min以上,被削材的去除方式為脆性去除。工件進給速度是影響加工表面質量的主要因素之一。釬焊金剛石線鋸工作層的磨損方式主要為磨料的磨耗磨損,磨耗的方式主要為正常磨耗、局部破碎或斷裂、脫落,脫落的磨粒比例約為14.3%,脫落的機理為彎曲疲勞應力及扭轉疲勞應力主導的金剛石磨粒釬焊界面處裂紋的發(fā)生及擴展。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG717

【參考文獻】

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本文編號：2688505