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金刚石珩磨抛光油石结合剂结构和性能及其珩磨应用

作　者: 韩平
导　师: 肖福仁；邹文俊
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: 珩磨气缸套结合剂有限元热应力氧化物
分类号: TG580.67
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

金刚石珩磨抛光油石已经在气缸套加工中得到应用，结合剂的结构和性能是决定金刚石珩磨抛光油石珩磨性能的关键。然而，对珩磨油石结合剂的微观结构及对磨损性能的研究很少。因此，根据珩磨加工的特殊要求，研究金刚石珩磨抛光油石结合剂组织结构和性能变化对珩磨性能的影响，是研发金刚石珩磨抛光油石首要解决的关键问题。本文以Cu-Sn结合剂制备珩磨油石，研究Sn含量及合金元素对Cu-Sn结合剂的结构和性能的影响。采用数值模拟，研究Sn含量及合金元素对Cu-Sn结合剂与金刚石之间热应力的影响。根据试验结果和模拟规律，优化结合剂成分并制备成珩磨油石进行珩磨试验。另外，设计树脂金属复合结合剂，对其性能和结构进行初步研究；设计氧化物/Fe基结合剂，研究氧化物对结合剂和金刚石之间热应力的影响，并验证了模拟结果的可靠性。取得主要研究结果如下：随着Sn含量的增加，Cu-Sn结合剂烧结时产生的液相增多，生成硬脆的ε相、δ相和共析体—α+δ增加，烧结后样品的硬度和自锐性提高，抗折强度和热膨胀系数降低。选用Fe、Co和Ni改善Cu75Sn25结合剂的结构和性能，三种合金元素在Cu-Sn结合剂中的固溶程度依次增加。虽然加入合金元素后，Cu75Sn25结合剂的硬度和抗折强度下降，但是Fe的加入提高了自锐性并降低了热膨胀系数；Ni的加入提高了耐高温性能，减少了烧结时液相的流失。采用ANSYS有限元软件模拟计算金刚石和结合剂之间热应力。模拟计算结果显示：随着Sn含量的增加，界面处应力逐渐减小，结合剂对金刚石的把持力增加。Sn含量由15wt.%增加到25wt.%时，界面处应力由895MPa下降到827MPa。Co和Ni加入到Cu75Sn25后，界面处的应力分别提高到1055MPa和1091MPa；Fe加入到Cu75Sn25后，界面处的应力降低到753MPa。制备不同硬度的Cu-Sn-Fe-Ni结合剂金刚石珩磨油石，在格林珩磨机上加工气缸套。硬度为HRB71的结合剂微观结构中含有少量孔隙且磨损量适中，珩磨油石具备良好容屑能力和自锐性，珩磨单个气缸套用时48.0s，每副油石可加工气缸套数量1508个，珩磨加工的气缸套达到欧Ⅴ排放标准。选用Cu65Zn20Ag15和耐热酚醛树脂为原料；以球磨方式提高Cu65Zn20Ag15粉末活性，降低反应活化能，细化晶粒；采用先固化，再热压烧结的工艺制备Cu-Zn-Ag/酚醛树脂复合结合剂。当树脂的含量为10wt.%，热压烧结温度460℃时，Cu-Zn-Ag/酚醛树脂复合结合剂的抗折强度达到最大（150.7MPa），其强度与Cu65Zn20Ag15相当。树脂和金属的浸润性良好，形成相互交叉的三维网络结构。添加Y₂O₃、La₂O₃、V₂O₅和CeO₂降低Fe基结合剂和金刚石之间的热应力，降低程度依次增加。磨损试验结果表明含Y₂O₃、La₂O₃、V₂O₅和CeO₂的结合剂磨损失重量依次减少，结合剂和金刚石之间的缝隙依次变小。磨损试验结果与有限元模拟的规律一致，验证了有限元模拟结合剂对金刚石把持力的可靠性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-17
  1.1 选题背景  11-12
  1.2 珩磨机理  12-13
  1.3 国内外珩磨油石研究现状  13-15
    1.3.1 金属结合剂  14-15
    1.3.2 树脂结合剂  15
    1.3.3 陶瓷结合剂  15
    1.3.4 树脂金属复合结合剂  15
  1.4 数值模拟与复合材料热应力  15-16
  1.5 本文的主要研究内容和目的  16-17
第2章 Sn 及合金元素对 Cu-Sn 结合剂结构和性能的影响  17-50
  2.1 引言  17
  2.2 实验过程  17-19
    2.2.1 实验材料及样品制备  17-18
    2.2.2 性能检测  18-19
  2.3 Sn 含量对热压烧结 Cu-Sn 结合剂性能和微观结构的影响  19-30
    2.3.1 Sn 含量对热压烧结 Cu-Sn 结合剂性能的影响  20-24
    2.3.2 Sn 含量对热压烧结 Cu-Sn 结合剂微观结构的影响  24-30
  2.4 合金元素对 Cu75Sn25 结合剂的性能和微观结构的影响  30-46
    2.4.1 Co 对 Cu75Sn25 结合剂性能和微观结构的影响  30-36
    2.4.2 Fe 对 Cu75Sn25 结合剂性能和微观结构的影响  36-41
    2.4.3 Ni 对 Cu75Sn25 结合剂性能和微观结构的影响  41-46
  2.5 分析与讨论  46-48
  2.6 本章小结  48-50
第3章金刚石/Cu-Sn 结合剂热应力分布的有限元分析  50-55
  3.1 引言  50
  3.2 有限元建模  50-52
  3.3 Sn 含量对金刚石/Cu-Sn 结合剂热应力分布的影响  52
  3.4 合金元素对金刚石/Cu75Sn25 结合剂热应力分布的影响  52-53
  3.5 本章小结  53-55
第4章 Cu-Sn-Fe-Ni 结合剂金刚石珩磨油石的应用研究  55-66
  4.1 前言  55
  4.2 珩磨油石的制备及珩磨试验  55-57
  4.3 结合剂的结构和性能及其对油石珩磨性能的影响  57-62
    4.3.1 结合剂的微观结构与摩擦磨损性能  57-59
    4.3.2 不同硬度结合剂油石珩磨性能的对比分析  59-62
  4.4 金刚石在珩磨过程中的磨损失效分析  62-64
  4.5 本章小结  64-66
第5章 Cu-Zn-Ag/耐热酚醛树脂复合结合剂的研究  66-81
  5.1 引言  66
  5.2 实验过程  66-67
  5.3 Cu-Zn-Ag 结合剂和耐热酚醛树脂性能的研究  67-75
    5.3.1 球磨时间对 Cu-Zn-Ag 混合粉末粒度和结构的影响  67-69
    5.3.2 球磨时间对 Cu-Zn-Ag 结合剂机械性能的影响  69-70
    5.3.3 球磨时间对 Cu-Zn-Ag 结合剂微观结构的影响  70-73
    5.3.4 改性酚醛树脂的热性能分析  73-75
  5.4 烧结温度对 Cu-Zn-Ag/耐热酚醛树脂复合结合剂强度和微观结构的影响  75-78
    5.4.1 烧结温度对 Cu-Zn-Ag/酚醛树脂复合结合剂强度的影响  75-76
    5.4.2 烧结温度对 Cu-Zn-Ag/酚醛树脂复合结合剂微观结构的影响  76-78
  5.5 分析与讨论  78-80
  5.6 本章小结  80-81
第6章金刚石/Fe 基结合剂热应力的有限元分析及验证  81-86
  6.1 引言  81
  6.2 实验过程和有限元建模  81-82
  6.3 不同氧化物对 Fe 基结合剂热膨胀系数的影响  82-83
  6.4 不同氧化物对 Fe 基结合剂和金刚石之间热应力的影响  83-84
  6.5 不同氧化物对 Fe 基结合剂磨损失重的影响  84-85
  6.6 本章小结  85-86
结论  86-88
参考文献  88-95
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  95-96
致谢  96-97
作者简介  97

金刚石珩磨抛光油石结合剂结构和性能及其珩磨应用

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