现代材料分析技术—SEM在金刚石锯片磨损中的应用—姜波—1300705005

SEM在金刚石锯片磨损中的应用1研究生课程论文《SEM在金刚石锯片磨损中的应用》课程名称现代材料分析技术专业机械制造及其自动化任课教师陆静老师开课时间2014.02—2014.06教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间：2014年9月15日SEM在金刚石锯片磨损中的应用SEM在金刚石锯片磨损中的应用2摘要：本文首先简要分析了SEM的工作原理。然后本文通过SEM观察氧化铝陶瓷材料超声波振动辅助锯切过程中金刚石锯片表面磨粒和结合剂形貌变化，主要是通过SEM电镜对加工过程中金刚石锯片的磨损进行跟踪观察，最终，得到超声下和非超声下金刚石锯片的形貌变化。证明超声波振动辅助加工是一种很好的加工硬脆材料的方法，而且超声波振动冲击能够对金刚石锯片具有自锐性。关键字：SEM金刚石锯片锯切形貌观察一SEM电镜的概述与分类1.1扫描电镜的概述SEM是scanningelectronmicroscope（扫描式电子显微镜）的简写。主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜[1-3]。1.2扫描电镜的分类图1.1电子显微镜的分类图1.2各类显微镜的比较按照电子枪种类分:钨丝枪、六硼化镧、场发射电子枪(冷场发射、热场发射），按照样品室的真空度分：高真空模式、低真空模式、环境模式（冷热高压低压等等），按照真空泵分：油扩散泵、分子泵，按照自动化程度分：自动、手动，按照操作方式分：旋钮操作、鼠标操作，按照电器控制系统分：模拟控制、数字控制，按照图像显示系统分：模拟显像、数字显像[4,5]。二SEM电镜的工作原理及结构组成2.1SEM的工作原理扫描电镜的基本原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。“光栅扫描”的含义是指电子束受扫描系统的控制在样品表面上做逐行扫描，同时控制电子束的扫描线圈上的电流和显示器相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样上的扫描区域与SEM在金刚石锯片磨损中的应用3显示器上的图像相对应，每一物点均对应于一个像点。“逐点成像”的含义为电子束所到之处，每一物点均会产生相应的信号（如二次电子等），产生的信号被接收放大后用来调制像点的亮度，信号越强，像点越亮。这样就在显示器得到与样品上扫描区域相对应但经过高倍放大的图像，图像客观地反映着样品上的形貌信息[6]。2.2电子束与物质的相互作用如图，当高能电子束轰击样品表面时，由于入射电子束与样品间的相互作用，99％以上的入射电子能量将转变成热能，其余约1％的入射电子能量，将从样品中激发出各种有用的信息，它们包括：二次电子、背散射电子、透射电子、吸收电子、俄歇电子、X射线（光子）、阴极荧光、感应电动势。图2.1电子与固体试样作用产生作用图2.2样品室探测器2.3扫描电镜的结构组成组成：电子光学系统，信号收集处理、图像显示和记录系统，真空系统三部分组成。其中，电子光学系统包括：电子枪、电磁透镜（2个强磁1个弱磁）可使原来50μm电子束斑聚焦为6nm、扫描线圈、样品室。其中，在信号收集处理、图像显示和记录系统中，二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电子显微图像。而真空系统是为了保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作；防止样品的污染；保持灯丝寿命；避免极间放电等问题真空度一般在1.33×10-2~1.33×10-3Pa，即可满足要求[7]。三金刚石薄锯片形貌观察3.1金刚石锯片锯切过程中，锯片的切削能力因磨损而下降。理想的加工工艺系统应使金刚石磨粒的磨损速度与结合剂磨损速度相匹配，从而实现锯片良好自锐性。锯切过程是分布于锯切面上众多单颗磨粒进行切削的综合效果，对表面磨粒状态进行跟踪分析是研究锯切过程的有效方法之一。通过研究锯片表面形貌锯切磨损过程中的变化特征可以直观的反映超声振动辅助锯切过程中锯片的自锐作用。锯片表面金刚石磨粒从刚开始出露到最后脱落失效的过程中，经历了许多不同的磨损形态，许多学者进行了研究，总得来说一般认为金刚石磨粒的的磨损形态有：刚出露、完整、磨平、微观破碎、宏观破碎和脱落六大类。SEM在金刚石锯片磨损中的应用4锯切过程中，锯片的切削能力因磨损而下降。理想的加工工艺系统应使金刚石磨粒的磨损速度与结合剂磨损速度相匹配，从而实现锯片良好自锐性[8-10]。锯切过程是分布于锯切面上众多单颗磨粒进行切削的综合效果，对表面磨粒状态进行跟踪分析是研究锯切过程的有效方法之一。在普通锯切中，锯片因磨损而丧失切削性能，表现形态主要是金刚石的磨耗磨损以及宏观破碎，如图3.1和图3.2所示。从图3.1（a）和（b）中可以看出，磨粒经过500次锯切行程时，图上标示的a处表面出现了明显的滑擦痕迹。在1500次锯切行程时磨粒出现较大的磨平区域。从图3.1(c)中可以发现锯切前磨粒形状完好，在经过500次锯切行程时发生了宏观破碎，如图（d）所示。（a）金刚石锯片的初始形貌（X100）（b）金刚石锯片的初始形貌（X1000）（a）金刚石锯片的初始形貌（X500）（b）金刚石锯片的初始形貌（X1000）3.1金刚石薄锯片的初始形貌（台式扫描电镜）（a）金刚石锯片的微破碎形貌（X2000）（b）金刚石锯片的出刃形貌（X2000）SEM在金刚石锯片磨损中的应用5（c）金刚石锯片的金刚石破碎形貌（X2000）（d）金刚石锯片的破碎形貌（X2000）3.2超声下金刚石薄锯片的形貌变化（场发射扫描电镜GatanMonoCL3+）超声波振动辅助锯切过程中，锯片受到超声波振动冲击作用，相对于普通锯切，表面形貌变化相差各异。从跟踪观察的二十个区域中磨粒变化特征可得，磨粒磨平与宏观破碎现象明显减少，磨粒典型变化特征主要表现出为另外的表现形式。锯片与工件相互作用机制可知超声振动辅助锯切相比于普通锯切其磨损过程有着很大差异性。为了研究超声振动辅助锯切过程中锯片的使用性能的变化情况，本节中通过固定锯切参数，对锯片从刚开刃到正常工作阶段的锯切力、节块表面形貌的变化进行跟踪观测，然后对其变化特征及其磨损相关程度进行分析研究。超声波振动辅助锯切过程中，锯片受到超声波振动冲击作用，相对于普通锯切，表面形貌变化相差各异。从跟踪观察的二十个区域中磨粒变化特征可得，磨粒磨平与宏观破碎现象明显减少，磨粒典型变化特征主要表现出为另外的三种表现形式：在1000次锯切行程中，从直观上看图上标示的磨粒相对于锯切前出刃高度明显增大（露出结合剂表面部分）；图中可以看出磨粒从1000次锯切行程开始到1500次锯切行程结束，裸露体积明显增大，e磨粒下方产生了一个新的磨粒f，露出结合剂表面；（3）磨粒表面微破碎，如图8所示在500次至1000次锯切行程中，磨粒g上表面发生了微破碎(方框标记区域)，形成了新的切削刃。由图3.2（a）和（d）可以看出金刚石有微破碎产生，且，由3.2（c）可以看出有新的出刃产生，表明超声下，金刚石锯片具有很好的自锐性[11-14]。四结论氧化铝陶瓷在金刚石圆锯片锯切加工过程中容易产生锯片磨粒钝化、堵塞、加工效率低、加工表面质量差等一系列问题。本文采用普通金刚石圆锯片锯切加工工艺和超声振动加工技术而复合的工艺方法，针对超声振动辅助锯切过程中加工机理进行了深入研究，期望在一定程度上为超声辅助锯切工艺实际应用奠定理论基础。研究SEM在金刚石锯片在锯切氧化铝陶瓷磨损中的应用（1）利用了一套频率28KHz、振幅可调的超声振动装置，可以给工件施以平稳的高频振动。从声学角度和波动方程角度推导设计了锥形变幅杆的理论尺寸，搭建了平台。（2）随着锯切深度、工件进给速度增加和转速降低，锯切力降低效果越显著；超声振动辅助锯切力比和锯切比能均低于普通锯切，证明超声振动可以改善材料的可锯切性能。（3）超声振动冲击对锯切磨损过程中的锯片具有良好的自锐性作用，其表现形式为：超声振动冲击作用加速了结合剂的去除速率，磨粒出刃高度逐渐增大，新的磨粒及时出刃，磨粒表面微破碎形成众多切削刃，磨钝磨粒和宏观破碎明显减少。在SEM下超声波辅助锯切磨损实验过程中随着锯切总量的增加，锯切力、力比上升幅度小，保持相对稳定，从而使得锯切过程平稳，有利于材料获得更好加工效果。参考文献SEM在金刚石锯片磨损中的应用6[1]关长斌，周振君，王爱荣.金刚石表面形态及表面金属镀层SEM研究［J］.机电子显微学报，1995，192－193。[2]华中杰,磨料磨具与磨削,1991,65(5),33-36。[3]孙毓超，尹世平，邓华.镀镍刺金刚石的SEM显微形貌［J］.金刚石与磨料磨具工程135，2003，135－137。[4]曹凤国，张勤俭．超声加工技术的研究现状及其展趋势．电加工与工具，2005（4）：25-31。[5]贾志新，艾冬梅，张勤河等．工程陶瓷材料加工技术现状．机械工程材料，2000，24（1）：2-4。[6]孙方宏，陈明．高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的制备和试验研究［J］．机械工程学报，2003，39(7):101－106。[7]吕正兵，徐家文．工程陶瓷超声加工的基础试验研究．电加工与模具，2004，（2）：57～60。[8]施凌云．沉积工艺对纳米金刚石薄膜的影响研究［D］．上海:上海大学，2007。[9]孙毓超等.金刚石—金属化学键合工艺研究.冶金部鉴定材料(四),1992,112-4。[10]孙毓超,宋月请.超硬材料与工程[J].1994,(3):8-18。[11]蒋丽雯，王林军，刘健敏等．纳米金刚石薄膜的光学性能研究［J］．红外与毫米波学报，2006，25(3):195－198。[12]潘志勇，王全才，赵波．二维超声磨削纳米复相陶瓷的磨削特性研究，金刚石与磨料磨具工程，2006，（4）：62～67。[13]张建华，张勤河，孟艳华等．超声振动辅助气中放电加工的研究．电加工与模具，2004（4）：13-16。[14]徐明刚，张建华，张勤河等．超声振动辅助气体介质电火花加工机理研究．电加工与模具，2005(6)：34～37。