Fe基金属结合剂金刚石砂轮由于金属结合剂和磨粒的结合力强、寿命长和价格优势,在金属及脆硬材料的精密和超精密磨削领域得到了广泛应用。但Fe基金属结合剂金刚石砂轮因Fe基结合剂的高致密度和高韧性存在结合剂耐磨性过高、砂轮自锐性差的问题。论文通过向其中加入Li2O-Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2陶瓷添加相(弱研磨相),制备了具有良好自锐性的金属-陶瓷复合结合剂金刚石砂轮,为制备高性能Fe基金属结合剂金刚石砂轮探索了一条新途径。论文首先选择并优化了金属结合剂和陶瓷添加相;其次采用Ansys软件对金属-陶瓷界面热应力进行模拟,研究了界面热应力、界面润湿性和烧结温度对金属-陶瓷界面结合强度的影响;接着探讨了不同烧结温度和保温时间下金属-陶瓷复合结合剂的性能;最后制备出金属-陶瓷复合结合剂金刚石砂轮,讨论了烧结温度、保温时间和陶瓷添加相对复合结合剂与金刚石的界面以及砂轮力学、磨削性能的影响,并将金属-陶瓷复合结合剂金刚石砂轮应用于含钼铸铁的内圆磨削,比较了加入陶瓷添加相前后金属结合剂金刚石砂轮的磨削性能。论文首先针对加工对象的要求选定了 Fe基金属结合剂和Li2O-Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2陶瓷添加相,并进行了优化,分别研究了 FeNi合金粉含量对Fe基金属结合剂和TiO2含量对陶瓷添加相的物相组成、膨胀系数、力学等性能和与金刚石界面结合性能的影响。随着FeNi合金粉含量的增加,金属结合剂试样中具有低硬度和低膨胀系数的γ-(Fe,Ni)不断增多,降低了 Fe基金属结合剂的硬度、抗折强度、膨胀系数和与金刚石间的界面热应力模拟值。当FeNi合金粉加入量为9wt%时,试样硬度、抗折强度和膨胀系数分别降至HRB92、960MPa和11.45×10-6/K,Fe基金属结合剂和金刚石界面的热应力减小至815MPa,金属结合剂对金刚石把持力最优。在陶瓷添加相中,当TiO2含量<3mol%时,Ti4+在玻璃网络结构中主要起补网和集聚作用,此时随着TiO2含量的增加,陶瓷添加相耐火度和抗弯强度均不断提高,膨胀系数下降。由于Ti4+在金刚石表面富集,陶瓷添加相与金刚石间的接触角不断减小。当TiO2含量≥3mol%时,TiO2分相作用促进了具有低膨胀系数的锂辉石晶体析出且不断增多,因此随着TiO2含量的增加,陶瓷添加相耐火度和抗弯强度进一步提高,膨胀系数不断降低。此时耐火度提高引起了陶瓷添加相粘度提高,这对陶瓷添加相与金刚石的接触角增大作用占主导。当TiO2含量为3mol%时,此时陶瓷添加相的膨胀系数、耐火度和对金刚石的润湿角分别为5.69×10-6/K、806℃和41.8°,锂辉石晶体的弥散强化作用使陶瓷添加相抗折强度达到最大值93MPa。为了使金属结合剂与陶瓷添加相间形成良好的界面结合,研究了不同TiO2含量的陶瓷添加相和烧结温度对金属-陶瓷界面结合强度的影响。金属-陶瓷界面结构均为金属相/FeSiO3过渡层/陶瓷相。随TiO2含量的升高,过渡层厚度由约50nm下降到约30nm,金属-陶瓷界面热应力模拟值不断增大,界面润湿性不断降低,因而界面结合强度不断降低。当烧结温度为850℃时,金属-陶瓷界面出现FeSiO3过渡层。随着烧结温度的升高,过渡层由约50nm增厚到约80nm。金属-陶瓷界面热应力和润湿性随烧结温度升高而分别降低和升高。在850℃时,界面处Fe的低价氧化物对陶瓷添加相中带负电离子团强大的电场吸引作用引起界面润湿性的改善,同时过渡层的增厚有利于界面热应力的降低。当陶瓷添加相中TiO2含量为3mol%、烧结温度为850℃时,金属-陶瓷界面结合强度为95MPa。为了得到力学性能良好的金属-陶瓷复合结合剂,研究了烧结温度和保温时间对复合结合剂物相组成、微观形貌和力学性能的影响。随着烧结温度升高和保温时间的增加,陶瓷添加相均发生球形→椭球形,→长条状→片层状的形状变化。当烧结温度为850℃、保温时间为3min时,金属与陶瓷相间出现较薄的FeSi03过渡层强化了金属和玻璃两相界面结合,同时变形的陶瓷相造成裂纹在金属-陶瓷界面扩展路径增加,因此复合结合剂抗折强度达到最大值827MPa,硬度为HRB95。在液相热压烧结的初期,复合结合剂致密化机理是液相推动颗粒的重排,在液相热压烧结的中后期胎体致密化机理是液相流动和固相晶界扩散控制的蠕变。陶瓷添加相在烧结前期呈固相颗粒,挤占了金属液相的体积,因而复合结合剂致密化速率远低于金属结合剂。随着烧结温度的升高和保温时间的增加,陶瓷添加相粘度迅速下降,复合结合剂中液相体积含量增加,有利于金属固相颗粒重排和晶界扩散,因而复合结合剂致密化速率高于于金属结合剂。当烧结温度为850℃、保温时间为3min时,金属-陶瓷复合结合剂致密度达到最大值95.76%。采用热压烧结法制备了金属-陶瓷复合结合剂金刚石砂轮。研究了烧结温度、保温时间和陶瓷添加相对复合结合剂与金刚石的界面物相、形貌、力学性能以及砂轮磨削性能的影响。随着烧结温度或保温时间的上升,金刚石表面粘附的Fe、Ni元素增多,复合结合剂金刚石砂轮硬度几乎没有变化,抗折强度先增大后减小。当烧结温度为850℃、保温时间为3min时,试样致密度达到最大值,陶瓷相和金属相间发生界面反应生成FeSiO3,复合结合剂与金刚石间Fe-C、B-C、C-O等化学键数量增多,均增强了界面结合强度,因此抗折强度达到最大值698MPa,磨耗比达到最大值43.77,工件粗糙度达到最小值4.2Lpm。随着烧结温度或保温时间的上升,Fe对金刚石的刻蚀深度增大,金刚石出现石墨化转变,导致砂轮磨耗比的下降和工件粗糙度的上升。由于陶瓷添加相强度远低于金属胎体,因此随陶瓷添加相添加量上升试样抗折强度几乎呈线性下降。陶瓷添加相含量越高,对Fe、Ni元素在金刚石中的扩散的阻碍作用越明显,对金属-陶瓷复合结合剂与金刚石界面热应力模拟值降低作用越显著。当陶瓷添加相含量为3wt%时,复合结合剂的膨胀系数下降到10.60×10-6/K,复合结合剂与金刚石的界面热应力下降到719MPa。脆性陶瓷添加相的加入降低了金属结合剂金刚石砂轮的磨削力和比磨削能,提高了砂轮锋利度。与纯金属结合剂金刚石砂轮相比,金属-陶瓷复合结合剂金刚石砂轮加工含钼铸铁空调气缸内圆的圆度和直线度分别降低至2.7μm和2.1μm。