基于高频感应加热的钎焊金刚石线锯基础研究

发布时间：2020-05-30 17:56

【摘要】：金刚石具有硬度高、热稳定性好、导热性好等优点,各型固结金刚石线锯已在硅晶体、蓝宝石等材料的高精密切片加工中得到了广泛应用。应用实践表明,传统的固结金刚石线锯(树脂或电镀金刚石线锯)表面磨粒结合力来源主要为机械镶嵌作用,存在磨粒把持强度低,磨料及结合剂层容易脱落等缺点,制约了金刚石磨料磨削性能的充分发挥。为了解决上述问题,基于活性钎料液相条件下与金刚石及钢丝基体的化学冶金反应,可以实现金刚石与钢丝的高强度钎焊连接,解决了传统固结金刚石线锯磨料把持强度低这一根本问题。本文完成的创新性研究工作主要包括:(1)开发了可实现高效自动化生产的钎焊金刚石线锯制备工艺,设计并搭建了钎焊金刚石线锯自动化制备平台。分析了钎焊金刚石线锯的构成,优选了钎焊金刚石线锯的原材料,在此基础上,确定了钎焊金刚石线锯制备的工艺流程,据此设计并搭建了自动化生产平台,确定了每个制备环节的工艺参数。结果表明,以Cu-Sn-Ti合金作为钎料,KSC82碳素钢丝作为基体,金属丝进给速度为17.44mm/s,感应加热电源的输出功率3kW,保温时间为1.5s较为合理。(2)实现了金刚石磨粒与钢丝基体的高强度连接,并揭示了金刚石磨粒把持力的来源。分析了钎焊热处理对金刚石强度的影响,利用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析了金刚石钎焊形貌、钎焊界面微观结构以及界面新生化合物。结果表明,钎焊热处理过程前后金刚石抗压强度和冲击强度无明显变化,当感应加热功率为3kW,保温1.5s,氩气通入流量为15L/min的条件下可获得较佳的磨粒钎焊形貌,金刚石钎焊界面附近钎料合金具有明显的爬升形态,磨粒实现较高强度的把持。金刚石钎焊界面处TiC新生相的形成是实现金刚石磨粒浸润的根本原因。合金钎料中的Ti元素在金刚石钎焊界面富集偏析,界面新生相TiC为Cu-Sn-Ti合金润湿金刚石磨粒提供了桥梁‖,界面处TiC以TiC_X(X=0.47-0.95)间隙相形式存在。(3)分析了钎料合金表面显色机理,评估了钎焊气氛对金刚石磨粒钎焊效果的影响。利用光学显微镜和能谱仪分析了不同氩气通入流量条件下线锯表面Cu-Sn-Ti合金层的微观形貌及微区元素分布特征。结果表明,线锯表面显色的差异取决于工作层合金中的Ti氧化程度。氩气通入流量参数的变化影响钎焊气氛氧分压,直接影响Cu-Sn-Ti合金层表面Ti元素氧化物薄膜的厚度,决定了钎料合金表面的可见颜色类型。当氩气流量小于5L/min时,金刚石钎焊界面Ti元素氧化导致磨粒把持强度大大降低。当氩气流量大于10L/min时,金刚石钎焊界面Ti元素氧化程度明显下降。(4)分析了不同应力载荷条件下钎焊金刚石线锯的力学性能以及工作层失效特征及机理,为钎焊金刚石线锯的工程应用提供了数据支撑和理论基础。通过拉伸力学性能实验、弯曲疲劳实验及扭转实验,分析了钎焊金刚石线锯在不同的应力载荷条件下力学性能及工作层失效特征。结果表明,钎焊金刚石线锯的综合力学性能可以满足花岗岩切片加工的实际需求。线锯在不同载荷条件下工作层表面的微观裂纹均符合典型的张开型裂纹特征。减小线锯张紧力、弯曲疲劳曲率、提高线锯表面磨料分布的均匀性可以有效的降低线锯工作层表面裂纹发生的概率。(5)制作了长度500m标称直径为1.12mm的钎焊金刚石线锯,将其用于花岗岩板材切片加工试验,验证了该新型金刚石线锯的综合性能。实验结果表明,基于钎焊金刚石线锯的花岗岩切片加工的效率可以稳定在15mm/min以上,被削材的去除方式为脆性去除。工件进给速度是影响加工表面质量的主要因素之一。钎焊金刚石线锯工作层的磨损方式主要为磨料的磨耗磨损,磨耗的方式主要为正常磨耗、局部破碎或断裂、脱落,脱落的磨粒比例约为14.3%,脱落的机理为弯曲疲劳应力及扭转疲劳应力主导的金刚石磨粒钎焊界面处裂纹的发生及扩展。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG717

【参考文献】