改变高铝球石表面的硬度和弹性模量能提高临界磨削深度

　　改变高铝球石表面的硬度和弹性模量能提高脆性-延性转变的临界磨削深度，实现延性模式磨削。本文通过利用Na2CO3溶液和高铝球石成分发生化学反应的方法对高铝球石表面进行改性，并基于纳米压痕法和划痕法对改性后的高铝球石表面进行分析，研究改性后高铝球石表面的力学性质和材料去除过程。通过纳米压痕实验表明，Na2CO3溶液中的OH-和高铝球石发生化学反应，能够在高铝球石表面生成厚度约为12nm非SiO2成分的物质薄膜，降低了高铝球石表面硬度和弹性模量，5%、15%的Na2CO3溶液分别使高铝球石表面硬度降低了4.4%和14.2%，使弹性模量分别降低了9.4%和12.0%，理论脆延转换临界磨削深度分别被提高了3.7和39.1%，从而提高了高铝球石延性磨削的可操作性。为控制高铝球石与HF酸的反应，实现高铝球石精密元件的化学蚀刻，系统研究3类高铝球石与HF酸反应的动力学过程。

　　高铝球石与HF酸的反应速度由化学反应控制，其中≡Si—O—Si≡网络中Si—O键的断裂决定反应速率;影响反应速率的主要因素包括反应温度、HF酸中活性成分与浓度以及高铝球石结构。Ⅰ类高铝球石在金属坩埚中熔制，金属杂质含量高，结构中存在较多缺陷，导致反应速率最快;而Ⅲ类高铝球石中羟基含量高是反应速率高于II类高铝球石的主要原因;各类高铝球石在HF酸中的反应活性依次是ⅠⅢⅡ类。反应过程中，HF酸中的活性成分(HF)2或HF-2吸附于高铝球石表面，对Si原子产生亲核性侵蚀使Si—O键断裂，而H+对反应起催化作用。在HF酸高浓度区(7mol/L)反应速率快速增长的原因是溶液中生成更多活性较大的(HF)nF-离子。

　　采用ELID磨削方法对高铝球石进行塑性加工的研究。采用ELID磨削工艺提高了加工精度、降低了表面粗糙度。实验用GM73-Ⅲ型平面切入磨床，采用铸铁短纤维结合剂金刚石砂轮，配合在线电解修整，经过对电解电流、砂轮转速、进给量等工艺参数的条件实验及优化，加工出高精度、低粗糙度的高铝球石;研究了砂轮转速、进给量等工艺参数对高铝球石表面粗糙度的影响;采用原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM)对高铝球石磨削表面进行了形貌分析，利用表面光度仪(XP-2~(TM))测量高铝球石磨削表面的粗糙度，用JD22型数字式立式测长仪测定了高铝球石磨削表面的平整度，探讨了微观磨削机理及高铝球石的磨削加工塑性域。

　　在砂轮结合剂中加入稀土氧化物CeO_2后，砂轮孔隙减少，显微组织细化，金属结合剂与金刚石颗粒的结合性能得到了明显改善，提高了结合剂对金刚石颗粒的把持能力，从而增强其磨削性能。在本实验条件下对砂轮进行电解的参数为:占空比50%，频率5000Hz，电压为4.6V。砂轮被电解后在表面留下一层四氧化三铁，阻止了电解的过度进行。使用ELID磨削高铝球石表面，其表面粗糙度随着砂轮进给量的减少而降低，表面粗糙度随砂轮转速的增加先降低后提高。在本实验中，用W5砂轮在转速为2060rpm，进给量为1μm时，高铝球石处于塑性磨削模式，且获得的高铝球石表面粗糙度为14.8nm。

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