立方氮化硼基陶瓷复合材料的研究

论文摘要

立方氮化硼基陶瓷复合材料以其特有的性能,在铁族元素及黑色金属材料的加工方面获得了愈来愈广泛的应用。本文系统研究了组成、原料及制备工艺对CBN基复合材料用结合剂性能和结构的影响,研究了表面处理状态对CBN材料本身性能的影响和对CBN复合材料结构性能的影响。并探索了用陶瓷结合剂CBN粉体制备微晶结构CBN磨料的工艺和磨料性能。研究结果表明:Li2O对陶瓷结合剂耐火度降低的作用最强,其次是CaF2、ZnO,MnO2对耐火度的改变程度不大,而Fe2O3可以提高结合剂的耐火度。原料类型对陶瓷结合剂的性能具有明显影响。与氧化物原料相比,碳酸盐原料的添加可以降低陶瓷结合剂的耐火度;当添加原料的碳酸盐分解温度较低时,引入碳酸盐与引入氧化物的样品性能差别不大;当碳酸盐的分解温度在试样烧成温度附近时,碳酸盐原料向结合剂相引入气孔,使其性能下降;对比氢氧化物和碳酸盐原料,发现当氢氧化物的分解温度较低时,引入氢氧化物原料的样品性能较好。陶瓷结合剂制备工艺对其性能也有一定的影响。对于添加碳酸盐的陶瓷结合剂体系,预熔处理可以减少结合剂相中气孔的含量,提高试样的强度。对于添加氧化物的陶瓷结合剂体系,预熔处理是不必要的。对CBN磨料进行酸处理、碱处理及低温玻璃涂层处理。酸处理有利于提高CBN磨料的单颗粒抗压强度、冲击韧性及热稳定性,而碱处理使CBN磨料表面的缺陷暴露出来,降低CBN磨料的性能。选择已有的Ti镀层和刚玉涂层的CBN磨料与本实验中制备的涂覆玻璃相的CBN磨料进行对比,发现溶胶-凝胶法制备的低温玻璃涂层不仅提高CBN磨料的力学性能,还显著提高其耐热性,使其起始氧化的温度点提高了近100℃。同时玻璃涂层使CBN与陶瓷结合剂之间达到化学结合,显著改善了CBN基陶瓷复合材料的界面结合状态。以CBN超细粉为原料,以陶瓷结合剂为粘结相,采用无压烧结工艺制备出微晶CBN磨料。实验结果表明,试样结构致密、强度较高,其性能与单晶磨料接近。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 CBN 磨料
• 1.1.1 CBN 磨料发展简介
• 1.1.2 CBN 晶体结构及特性
• 1.2 陶瓷结合剂
• 1.2.1 陶瓷结合剂性能指标
• 1.2.2 陶瓷结合剂基本理论
• 1.3 CBN 复合材料用陶瓷结合剂研究进展
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 1.4 CBN 磨料表面处理
• 1.4.1 表面处理方法及特点
• 1.4.2 CBN 磨料表面处理研究现状
• 1.5 微晶CBN 材料合成现状
• 1.6 本课题研究内容和意义
• 第二章 实验设计和工艺过程
• 2.1 研究思路
• 2.2 工艺过程
• 2.2.1 陶瓷结合剂制备工艺
• 2.2.2 CBN 磨料酸碱处理工艺
• 2.2.3 玻璃涂覆CBN 磨料制备工艺
• 2.2.4 微晶CBN 磨料制备工艺
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 陶瓷结合剂性能测试及分析
• 2.3.2 CBN 磨料性能测试及分析
• 2.3.3 物相分析及微观结构
• 第三章 添加剂种类和添加量对陶瓷结合剂的影响
• 3.1 引言
• 3.2 基础陶瓷结合剂特性
• 3.3 不同添加剂及添加量对陶瓷结合剂性能的影响
• 3.3.1 耐火度及流动性
• 3.3.2 热膨胀系数
• 3.3.3 机械强度
• 3.3.4 显微结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 同种组分的不同原料对陶瓷结合剂的影响
• 4.1 引言
• 3 对结合剂性能的影响'>4.2 MgO 和MgCO₃对结合剂性能的影响
• 3 对结合剂性能的影响'>4.3 CaO 和CaCO₃对结合剂性能的影响
• 2·8H₂O和BaCO₃ 对结合剂性能的影响'>4.4 Ba（OH）₂·8H₂O和BaCO₃对结合剂性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 制备工艺对陶瓷结合剂性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 制备工艺对添加碳酸盐结合剂性能的影响
• 5.2.1 制备工艺对添加碳酸盐结合剂耐火度的影响
• 5.2.2 制备工艺对添加碳酸盐结合剂流动性的影响
• 5.2.3 制备工艺对添加碳酸盐复合材料试样抗弯强度的影响
• 5.2.4 制备工艺对添加碳酸盐复合材料试样显微结构的影响
• 5.3 制备工艺对添加氧化物结合剂性能的影响
• 5.3.1 制备工艺对添加氧化物结合剂耐火度的影响
• 5.3.2 制备工艺对添加氧化物结合剂流动性的影响
• 5.3.3 制备工艺对添加氧化物复合材料试样抗弯强度的影响
• 5.3.4 制备工艺对添加氧化物复合材料试样显微结构的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 CBN 材料表面状态对其本身性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 CBN 磨料表面涂覆处理
• 6.2.1 溶胶－凝胶工艺参数优化
• 6.2.2 涂层玻璃的特性
• 6.3 CBN 材料不同表面处理状态对其性能的影响
• 6.3.1 表面处理后CBN 磨料的表面形貌及表面成分
• 6.3.2 表面处理后CBN 磨料的强度及韧性
• 6.3.3 表面处理后CBN 磨料的热稳定性
• 6.4 本章小结
• 第七章 CBN 材料表面状态对CBN 复合材料性能的影响
• 7.1 引言
• 7.2 酸碱处理后CBN 磨料与陶瓷结合剂之间的界面特征
• 7.2.1 酸碱处理后CBN 磨料与陶瓷结合剂的结合强度
• 7.2.2 酸碱处理后CBN 磨料与陶瓷结合剂的结合状态
• 7.3 不同种类涂层CBN 磨料与陶瓷结合剂之间的界面特征
• 7.3.1 不同种类涂层CBN 磨料与陶瓷结合剂的结合强度
• 7.3.2 不同种类涂层CBN 磨料与陶瓷结合剂结合状态
• 7.4 本章小结
• 第八章 微晶CBN 磨料的制备及特性
• 8.1 引言
• 8.2 成型工艺
• 8.3 初始CBN 原料的粒度
• 8.4 粘结相的含量
• 8.5 本章小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢