纳米金属结合剂金刚石微粉砂轮低温制备方法研究

Micro diamond grinding wheel is difficult to meet requirements in nano-precision grinding of aspheric optical elements at present, a new low-temperature fabrication method of ultrafine diamond grinding wheel is proposed. It is well known that the melting point and sintering temperature of metal nanoparticles is much lower than that of normal metal material. When Cu-nanoparticles of Fe-nanoparticles are used to act as metal bond, the metal bond can be sintered. Therefore, ultrafine diamond grinding wheel could be fabricated at low temperature compared with traditional fabrication of metal-bond grinding wheel. Low-temperature melting mechanism of metal nanoparticles, uniform dispersion method of nanoparticles and diamond powders, low-temperature sintering characteristics, low-temperature fabrication process of wheel and grinding characteristics of wheel should be studied in order to get a new low-temperature fabrication method of metal nanoparticles bond ultrafine diamond grinding wheel.

目前微小金刚石微粉砂轮难以满足非球面光学元件纳米级超精密磨削的要求，本项目提出一种金刚石微粉砂轮的低温制备新方法。当金属粒子的尺寸减少到纳米尺度的超细粒子时，金属纳米粒子的熔点、烧结温度均比块状金属和粗颗粒金属低很多。当使用铜或铁纳米粒子做结合剂时，利用纳米粒子的低熔点特性、比表面积大等特殊性能，使铜、铁纳米粒子在较低的温度下烧结成结合剂，使金刚石微粉砂轮的制备温度比传统的烧结温度低很多。对金刚石微粉砂轮在制备过程中的纳米金属结合剂低温熔化机理、纳米粒子/金刚石磨粒的均布分散方法、纳米粒子的低温烧结行为、砂轮低温制备工艺方法、砂轮的磨削特性进行研究，探讨其中的科学问题和关键技术，获得一种纳米金属结合剂金刚石微粉砂轮低温制备新方法。

目前微小金刚石微粉砂轮难以满足非球面光学元件纳米级超精密磨削的要求，本项目提出一种金刚石微粉砂轮的微波加热低温制备新方法。主要开展了以下研究工作：（1）开展基于第一性原理的微纳铜基结合剂/微粉金刚石磨粒表面润湿性与配方研究，研究表明金刚石表面对铜基的润湿性具有选择性；（2）开展了微粉金属基金刚石砂轮微波烧结的电场/温度场分布仿真研究，探索纳米金属结合剂低温成型机理，结果显示微粉金刚石与微波的作用主要是通过材料的介电属性与电场来相互起作用，提高材料的介电常数虚部有助于降低烧结的温度；（3）开展微粉金属基金刚石砂轮的微波低温烧结制备工艺研究，结果表明微波加热相比传统加热能够使烧结温度降低80～100℃。检测结果表明，在810℃烧结时，金刚石磨粒完整，没有热损伤；（4）开展微波混合烧结金属基金刚石砂轮节块力学性能试验研究，分析了烧结参数、砂轮配方等对砂轮抗弯强度、杨氏模量、导热系数等力学性能的影响规律，从而获得优化的砂轮制备参；（5）开展微波烧结微粉金属基金刚石砂轮节块磨削性能试验研究，对其磨削性能进行了评估；提出一种基于残余应力和磨粒距离的近场叠加影响因子模型，对硬脆材料磨削加工形貌进行预测。（6）制备了超精密磨削用微细金刚石微粉砂轮，在超精密数控磨床上磨削J05碳化钨光学元件模具时，最佳表面粗糙度Ra为6.1nm，最佳面型精度P-V为198nm，磨削比为13，满足超精密磨削加工要求，达到项目的研究目标。.通过上述研究，探讨了微纳米金属粉末与微波场的作用机理及低温烧结行为，揭示了金属基表面与金刚石表面润湿性的作用机理，形成了一套优化金属基金刚石砂轮基体配方的方案；开发了相应的微波加热装置和金属基金刚石砂轮磨削表面质量预测技术。通过项目的实施，获得了一种微纳金属基结合剂金刚石微粉砂轮低温制备新方法，为超精密磨削加工提供新的应用。