金刚石摩擦化学抛光用抛光盘制备及抛光机理研究

摘要

金刚石不仅是目前世界上已知材料中最硬的物质，同时也是一种兼备多种优越的物理化学特性的高性能材料，具有很小的摩擦系数、优异的导热性能、优良的电绝缘性、较宽的透光波段、优秀的半导体特性和极强的化学惰性，所以不仅广泛应用于军事国防、航空航天等高精尖的专业领域，而且在超精密加工领域也具有广阔的应用前景。随着人造金刚石的成功研制，金刚石的使用在宽度与深度上都获得了突飞猛进的发展。无论是天然金刚石还是人造金刚石，在实际应用中都需要对其进行精密超精密加工，以使其达到各种使用要求。但是金刚石独特且优良的性能势必将给其精密超精密加工造成极大的困难，已成为限制金刚石得到大量实际应用的技术瓶颈之一，亟待解决金刚石晶体材料的高效精密超精密加工难题。
　　现有的多种金刚石材料抛光方法，无论是物理去除法还是化学去除法、接触式还是非接触式，都存在着各自的优缺点，在抛光机理、抛光速率、尺寸限制和设备要求等方面都有着很大的区别。摩擦化学抛光技术是一种利用机械和化学的协同作用促进金刚石石墨化，实现金刚石材料高效去除的新方法。与传统的热化学抛光技术相比，该方法由于借助机械摩擦生热的方式促进金刚石石墨化，因此不需要加热设备，以及真空或者密闭性保护气氛，大大降低了对专用抛光设备的技术要求，是一种非常有发展前途的金刚石抛光方法。由于摩擦化学抛光技术具有高效低损伤去除的特点，在以高效去除为主要目标的金刚石晶体材料的粗加工领域具有很好的应用前景。但由于目前有关摩擦化学抛光用抛光盘的制备与抛光机理的研究相对较少，该技术在抛光效率和抛光表面质量等方面还存在诸多问题。本文针对金刚石摩擦化学抛光技术中存在的问题，提出了新型合金抛光盘配方，研究了抛光盘制备及金刚石晶体摩擦化学抛光过程中的关键技术及其相关理论，主要研究内容如下:
　　(1)为了在摩擦化学抛光中提高金刚石去除率，同时减小抛光盘的磨损率，需要研制一种兼备极强金刚石石墨化催化能力与良好理化特性的合金抛光盘。根据摩擦化学抛光材料去除原理和过渡金属未配对d电子催化理论，并结合摩擦化学抛光技术对抛光盘材料特性的要求，设计了Fe基、Ni基、Mn基和W基四类共七种合金抛光盘配方。通过研制抛光盘并进行抛光性能对比实验发现，WMoCr合金抛光盘的综合性能最佳，金刚石材料去除率达1.5μm/min，而抛光盘的磨损率仅为0.35mm3/min，磨削比达23.06。在此基础上，通过对合金添加稀土Y元素等措施，进一步完善了WMoCr合金的微观组织，提升了抛光盘的抛光性能。
　　(2)为了提高抛光盘的综合性能，在WMoCr合金抛光盘的制备过程中，首先利用机械合金化方法获得预合金化良好的合金粉末，再采用真空热压烧结技术制得具备较高硬度和致密度的合金抛光盘。通过机械合金化工艺试验，研究了机械合金化过程中的球磨参数对粉末性能的影响规律，得到了合理的工艺参数:球磨转速为300rpm，球磨时间为60小时，球料比为15∶1和PCA含量为10％，制备了晶粒细小、组织性能优异的预合金化粉末，为提高抛光盘的抛光性能提供了保障。在此基础上，通过真空热压烧结试验，研究了烧结温度、烧结压力和保温时间等因素对致密度、硬度等合金材料性能的影响规律。结果表明，在烧结温度1400℃、烧结压力30MPa、保温时间30min的条件下，所制备的WMoCr合金的性能最佳，硬度达777.78HV、致密度达96.49％，合金材料的晶粒均匀细小、组织结合紧密而且孔隙率极小。
　　(3)利用化学反应热力学吉布斯能变原理讨论了压力和温度对金刚石石墨化平衡常数的影响规律及加快反应的措施，并以此为依据，在搭建的摩擦化学抛光盘抛光性能实验台上，设计了金刚石晶体材料摩擦化学抛光的单因素实验，优选了合理的抛光工艺参数。实验结果显示，抛光压力65N、抛光速度8000rpm的条件下，可以实现金刚石高效率高表面质量加工，同时抛光盘的磨损率和氧化程度最低。
　　(4)通过对摩擦化学抛光实验过程观察与反应产物成分的检测分析，并结合化学反应热力学的基本原理，研究了金刚石摩擦化学抛光机理。通过分析抛光前后金刚石与抛光盘表面的化学成分与内部组织的变化，研究了金刚石晶体在摩擦化学抛光中的石墨化转化过程，发现了采用WMoCr合金抛光盘时特有的材料去除机理，即:除了基于石墨化与扩散作用的材料去除外，还通过金刚石相碳与中间产物WO3发生化学反应生成WC来实现材料去除。
　　(5)在以上工作基础上，采用自行研制的WMoCr合金杯形砂轮，进行了金刚石晶体的摩擦化学抛光实验，并与传统金刚石砂轮的对金刚石晶体的加工效果进行对比分析，实验结果表明采用WMoCr合金杯形砂轮时，可获得更高的材料去除率和表面质量。最后采用自行研制的WMoCr合金抛光盘探索了金刚石砂轮的修整方法，分析其可行性与修整效果。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 论文课题背景

1．2 金刚石的性质与应用现状

1．2．1 金刚石的物理化学特性

1．2．2 金刚石的人工合成与应用

1．3 金刚石的材料去除与抛光方法

1．3．1 金刚石的材料去除原理

1．3．2 金刚石材料的常用抛光方法

1．3．3 摩擦化学抛光技术及特点

1．3．4 摩擦化学抛光技术国内外研究现状

1．4 论文研究的目的和意义

1．5 论文主要研究内容

2 金刚石摩擦化学抛光盘合金体系的选择

2．1 摩擦化学抛光用触媒金属

2．1．1 触媒金属催化金刚石石墨化反应机理

2．1．2 抛光合金体系的设计

2．2 摩擦化学抛光盘抛光性能实验台

2．2．1 实验台的整体结构

2．2．2 抛光盘及金刚石夹具的设计

2．2．3 分析与表征方法

2．3 不同合金抛光盘的摩擦化学抛光性能对比

2．3．1 锰基合金材料抛光性能

2．3．2 非晶铁合金材料抛光性能

2．3．3 钨基合金材料抛光性能

2．4 稀土元素对提高WMoCr合金性能的影响

2．4．1 稀土元素的选择

2．4．2 Y元素对WMoCr合金制备的影响

2．4．3 Y元素对WMoCr合金抛光特性的影响

2．5 本章小结

3 WMoCr合金抛光盘的制备工艺研究

3．1 WMoCr合金的特性

3．2 WMoCr合金粉末的机械合金化

3．2．1 实验设备及准备

3．2．2 球磨时间对合金化的影响

3．2．3 球料比对合金化的影响

3．2．4 过程控制剂PCA对合金化的影响

3．3 WMoCr合金抛光盘的热压烧结

3．3．1 实验步骤及设备

3．3．2 烧结温度的选择

3．3．3 烧结压力的选择

3．3．4 保温时间的确定

3．4 本章小结

4 WMoCr合金摩擦化学抛光金刚石的工艺实验与抛光机理研究

4．1 金刚石石墨化的反应热力学分析

4．1．1 金刚石石墨化平衡常数的影响因素

4．1．2 压力与温度对金刚石石墨化的影响

4．1．3 抛光工艺参数范围的初选

4．2 抛光工艺实验研究

4．2．1 总体实验方案

4．2．2 抛光压力对抛光结果的影响

4．2．3 抛光速度对抛光结果的影响

4．3 金刚石表面WC的生成机制

4．3．1 金刚石抛光过程中的石墨化

4．3．2 WMoCr合金抛光金刚石的化学反应

4．3．3 加工界面化学反应的热力学分析

4．4 本章小结

5 WMoCr合金摩擦化学抛光金刚石的应用探索

5．1 WMoCr合金杯形砂轮抛光金刚石

5．1．1 WMoCr合金杯形砂轮的制备

5．1．2 WMoCr合金杯形砂轮抛光金刚石晶体

5．2 WMoCr合金修整金刚石砂轮

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介