溶胶-凝胶原位法成型超精密磨削用陶瓷结合剂砂轮的基础研究

Aiming at the urgent needs of machinery industry for super precision and high performance of grinding wheel in China, preparation of backward technology of the grinding wheel, and the weakness of the basic research at present situation, this topic breaks through the traditional preparation method of vitrified bond grinding wheel, starting from the microstructure design of the grinding wheel, using alumina, silica sol and inorganic liquid materials as precursor to instead of the traditional ceramic and glass solid powder material and using it as the grinding wheel bond, using the sol, diamond and ultrafine abrasive mixed in the liquid phase replacing the dry mixing of traditional bond and abrasive, using sol - gel in situ forming replacing dry pressing method in the traditional craft, exploring the process principle of Sol-gel method in situ forming preparing high performance ceramic bonded grinding wheel and the related theoretical issues. This topic researches on microscopic structure design of the vitrified bond that uses the mixed sol as precursor, the effects of Zeta potential for the sol stability and uniformity and control methods, the surface modification of ultra-fine abrasives and the stable uniform dispersion in the sol, the principle of sol-gel in situ forming and the control of process parameters. By contrasting the grinding experiment, this topic discusses on the influences of the microstructure of grinding wheel on the intrinsic properties of grinding wheel and the grinding performance, and the mechanism of the grinding abrasion. Through the system researches, This topic explores a new way and Lays the theoretical foundation for the preparation of high performance and ultra precision grinding of ceramic grinding wheel.

课题针对我国机械行业对高性能超精密磨削砂轮的迫切需求，砂轮制备工艺落后、基础研究薄弱的现状，突破传统陶瓷结合剂砂轮的制备方法，从砂轮微观结构设计入手，以氧化铝、氧化硅溶胶等无机液相材料为前驱体，替代传统的陶瓷、玻璃固相粉体材料作为砂轮结合剂，将溶胶与金刚石等超细磨料在液相中混合替代传统的结合剂粉体与磨料干混合，采用溶胶-凝胶原位成型替代传统的干压法成型工艺，探索溶胶-凝胶原位成型新工艺制备高性能陶瓷结合剂砂轮中的工艺原理及相关理论问题。课题重点研究以混合溶胶为前驱体的陶瓷结合剂的微观结构设计，Zeta电位对溶胶稳定性和均匀性的影响规律和调控方法，超细磨料表面改性及其在溶胶中的稳定均匀分散，溶胶-凝胶原位成型原理及工艺参数控制，并通过对比磨削试验，探讨砂轮微观结构对砂轮本征性能、磨削性能的影响规律和磨削磨损机理。通过系统研究，为高性能超精密磨削用陶瓷砂轮制备探索一条新途径和奠定理论基础。

溶胶-凝胶原位成型法可用于制备精密磨削用陶瓷结合剂砂轮，目前针对此方向的研究不多，研究内容对于制备高性能砂轮具有重要的指导意义。本项目采用溶胶-凝胶法制备Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2体系的多组分溶胶以及微晶玻璃结合剂材料，通过对溶胶的浊度、粘度和胶凝时间以及粒径等分析，系统研究了电解质、固含量、pH值、体系温度和其他外加剂等因素对溶胶的凝胶行为的影响，最终确定能够满足原位凝胶成型工艺所要求的凝胶条件，得出合理的工艺流程和工艺参数，并通过差热分析、X-射线衍射分析、热膨胀系数和扫描电镜分析等测试手段对干凝胶及热处理后的结合剂样品进行表征，探讨了热处理温度、晶核剂及原料组成对该体系微晶玻璃结合剂的收缩率、析晶行为、显微结构和抗弯强度及热膨胀系数等性能的影响。论文还对金刚石表面有机涂层改性和铁族金属腐蚀改性进行了系统研究，采用硅烷偶联剂的改性的金刚石分散性和在溶胶中的悬浮稳定性都得到了改善；采用铁族金属及其合金腐蚀金刚石，可获得表面粗糙，表面积增加2~5倍的金刚石；同时通过金属配比和腐蚀条件的改变还可以获得多孔泡沫状金刚石。. 项目探究了高固含量的多组分溶胶稳定性机理，初步对超细金刚石改性及其在多组分溶胶中均匀分散和稳定机制和溶胶凝胶化反应机理及动力学进行了研究，探讨了不同微观结构砂轮的磨削、磨损机理和机制，并以硝酸盐溶液、SiO2溶胶和金刚石颗粒组成混合料浆，采用溶胶原位凝胶法制备金刚石/复合氧化物陶瓷结合剂复合坯体，在850℃/1.5h条件下烧结后得到金刚石砂轮，对砂轮的微观结构以及表面粗糙度、抗弯强度和气孔率等性能进行表征，研究混合料浆中固含量的影响，并与传统粉末压制法制备的砂轮进行对比。结果表明：SiO2- Al2O3-ZnO -Na2O-Li2O-P2O5复合氧化物陶瓷结合剂晶化程度高，晶型完整；随混合料浆中固含量增加，砂轮的气孔率先降低后升高，而抗弯强度则先升高后降低，当固含量(体积分数)为60%时，砂轮的孔隙率和抗弯强度分别达到最小值（26.2%）和最大值（69MPa）。与传统粉末压制法相比，采用溶胶-凝胶原位法制备的砂轮，微观结构均匀，磨削后的硬质合金工件表面无较深划痕，工件的表面粗糙度为0.049μm；砂轮的抗弯强度和气孔率分别提高约40.5%和34.8%。