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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莊尊凱
研究生(外文):Zun-Kal JHUANG
論文名稱:添加奈米鈦粉對玻璃基鑽石工具微結構與機械性能影響之研究
論文名稱(外文):Effects of added nano titanium powder on the microstructure and mechanical properties of vitrified bond diamond tool
指導教授:林寬泓林寬泓引用關係
指導教授(外文):Kuan-Hong Lin
口試委員:黃仁清蔡有藤
口試委員(外文):Jen-Ching HuangYu-Teng Tsal
口試日期:2014-07-02
學位類別:碩士
校院名稱:東南科技大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:奈米鈦粉玻璃基鑽石工具燒结參數機械性能微結構
外文關鍵詞:nano Ti powderVitrified bond diamond toolsMicrostructureMechanical properties
相關次數:
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本文主要探討添加奈米鈦粉對於玻璃基鑽石工具微結構與機械性能影響,採用的燒結溫度為710℃持、溫時間90 min。燒結完成的試片進行熱分析、XRD(X-ray diffraction)分析、Raman(Raman spectroscopy)分析、SEM(Scanning electron microscope)分析與磨耗實驗等 ,最後根據各種性能測試與實驗結果建議最佳的奈米Ti粉添加量。TGA(Thermogravimetry analysis)分析顯示,鑽石置於溫度800℃且未通入保護氣氛的環境中,會急速燃燒而損耗,DSC(Differential scanning calorimetry)分析玻璃基地相發現約在716℃的位置出現Tg點。XRD的分析發現鑽石特性峰值,以及Raman的分析在1330.4 cm-1有位置有D-band的訊號,根據XRD(X-ray diffraction)與Raman分析得知,鑽石並沒有因為添加奈米鈦粉而改變晶體結構。磨耗試驗的結果得知,添加20 vol.%奈米鈦粉的鑽石工具試片具有最佳的磨耗比,以及磨耗試驗若進刀速度太快,會導致鑽石工具消耗過快降低其使用壽命,適度的添加奈米鈦粉可以提升鑽石工具的機械性質,本研究顯示在玻璃基鑽石中添加20 vol.%奈米鈦粉效果最好。
This study examined the effects of added nano titanium powder on the microstructure and mechanical properties of a vitrified bond diamond tool. The specimens composed of various percentage nano Ti powder, borosilicate glass and diamond grits were sintered at 710 ℃ for 90 min.
The thermal analysis, X-ray diffraction analysis, Raman spectra and SEM were analyzed for these specimens. The shrinkage percentage, hardness, grinding ratio, and surface roughness against a cemented carbide work piece were examined along with microstructural analysis based on secondary electron images. TGA analysis shows the diamond grit burn out at the temperature over 800℃. DSC analysis shows a glass transform temperature (Tg) at 716℃. Raman spectrum analysis shows the D-band signal at 1330.4 cm-1. According to the analyze result of XRD and Raman, the crystal structure of diamond tools maintained and not influenced by the added of nano Ti powder. In this study, the specimen that added with 20 vol.% nano Ti powder show the optimal grinding-ratio performance, however, the large feeding speed decreased the tools life and worsen the workpiece’s surface roughness.
摘要 ..............i
ABSTRACT .........ii
誌謝 ..............iii
目錄 .............iv
表目錄 ............viii
第一章 緒論 .......1
1.1 前言 ........1
1.2 研究動機與目的........1
第二章 文獻探討...........3
2.1 鑽石與工業用途 .......3
2.1.1 鑽石簡介 ..........3
2.1.2 鑽石的晶體結構與物理性質 ....5
2.1.3 鑽石的製造方式 ............6
2.1.4 鑽石工具的應用 ............10
2.2 鈦的基本概述................13
2.2.1 鈦的簡介 ................13
2.2.2 鈦的應用 ................13
2.3 拉曼光譜儀原理 .............14
2.3.1 拉曼光譜儀分析鑽石結構變化 .........16
2.4 鑽石砂輪的介紹 .....................17
2.4.1 鑽石砂輪的概述與製造方式............17
2.4.2 鑽石砂輪的結合基材 ................19
2.5 玻璃基地的基本概述與燒結原理 ..........22
2.5.1 玻璃概述.........................22
2.5.2 玻璃基地成份 .....................23
2.5.3 燒結原理 ........................25
第三章 實驗流程 ........................28
3.1 實驗流程 ..........................28
3.2 試片製作 ..........................31
3.3 燒结流程 ..........................40
3.4 分析項目 ..........................42
【1】熱重分析(Thermogravimetric Analysis) ......42
【2】XRD(X-ray diffraction)分析 ...............43
【3】Raman(Raman Spectroscopy)分析 ...........43
【4】SEM微結構(Scanning Electron Microscope)分析 . 44
【5】徑向收縮率分析 ................................44
【6】密度量測分析 .................................45
【7】硬度試驗分析 .................................45
【8】磨耗性能分析 .................................46
【9】粗糙(surface roughness)量測分析 ..............46
第四章 實驗結果與討論 ..............................48
4.1 熱重分析(Thermogravimetric Analysis) .........48
4.2 XRD(X-ray diffraction)分析 ..................50
4.3 Raman(Raman Spectroscopy)分析 ..............52
4.4 SEM微結構分析 ................................52
4.5 徑向收縮率與密度分析 ...........................63
4.6 硬度量測分析...................................65
4.7 磨耗性能分析 ..................................67
4.8 表面糙度(surface roughness) 量測分析............73
第五章 結論 .......................................75
參考文獻...........................................76
表目錄
表2.1 鑽石基本的物理性質 ............................6
表2.2 鑽石工具的領域與實例 ..........................11
表2.3 鈦的特性與應用領域.............................14
表2.4 砂輪的製造方式 ...............................19
表2.5 鑽石砂輪結合基材介紹 ..........................20
表2.6 常用的玻璃成份 ...............................23
表3.1 本研究的玻璃成份 ..............................32
表3.2 試片的原料體積比比例 ...........................33
表3.3奈米鈦粉與規格參數 ..............................38
表3.4 本研究的燒結溫度的階段 ..........................40
表4.1 試片的收縮率與密度分析 ..........................63
表4.2 試片硬度試驗分析結果 ............................66
表4.3 試片的磨耗比分析結果 ............................68
表4.4 碳化鎢棒磨耗端的平均粗糙度 .......................73
圖目錄
圖1.1 研究流程示意圖 ................................2
圖2.1 (a) 鑽石與其他材料 Knoop 硬度比較圖與(b)鑽石與其他材料的傳熱比較圖 ..................................................4
圖2.2 (a)鑽石晶體結構,(b)鑽石sp3鍵結 ................5
圖2.3 六面壓頂示意圖 ................................8
圖2.4 北京天順公司的六面頂壓機 ........................9
圖2.5 六面頂壓機內部結構 .............................9
圖2.6 結晶面方向對鑽石硬度的影響 ......................10
圖2.7 鑽石工具應用實例: (a)鑽石砂輪修整器,(b)鑽石鍍膜銑刀,(c)鑽石砂輪,(d)鑽石鋸片,(e)洛氏硬度試驗機的136°金剛石壓痕器 ........................ 12
圖2.8 瑞立散射與拉曼散射示意圖 ........................15
圖2.9 典型拉曼光譜(Raman)分析圖:(a)鑽石,(b)石墨 ...17
圖2.10 砂輪的構造 ...................................18
圖2.11 (a)傳統砂輪 (b)非傳統砂輪 ......................18
圖2.12 (a)玻璃結合鑽石砂輪(b)玻璃基地相的孔隙比例可以調整 ..22
圖2.13 原子擴散機制示意圖 .............................26
圖3.1 實驗流程圖 .....................................30
圖3.2 本實驗使用的(a)玻璃粉末與(b)玻璃SEM影像 ............34
圖3.3 本實驗使用的(a)鑽石粉末與(b)鑽石SEM影像 ............35
圖3.4 本實驗所使用的z軸混練機 ..........................36
圖3.5 本實驗所使用的100mesh不鏽鋼篩網 ...................36
圖3.6 本實驗所使用的加熱板 .............................37
圖3.7 本實驗所使用的烘箱 ...............................37
圖3.8 實驗使用的奈米鈦粉 ...............................38
圖3.9 (a)生胚試片模具(直徑30mm) (b)生胚試片模具(直徑12mm) .. 39
圖3.10 萬能試驗機 .......................................39
圖3.11 本研究所使用的(a)管型氣氛燒結爐與(b) 管型氣氛燒結爐內部
.......................................................41
圖3.12 燒結流程 .........................................42
圖3.13 熱分析實驗儀器:(a)TGA熱重量分析儀,(b)HT-DSC高溫示差掃描熱卡計 .....43
圖3.14 X光繞射分析儀 ................................................43
圖3.15 雷射Raman光譜分析儀 ..........................................44
圖3.16 掃描式電子顯微鏡 ..............................................44
圖3.17 密度量測儀 ...................................................45
圖3.18 微小維克式硬度試驗機 ...........................................45
圖3.19 磨耗性能測試 .................................................46
圖3.20 表面粗糙度量測儀 ..............................................47
圖4.1 鑽石及玻璃粉的熱分析結果(未通入保護氣氛):(a)鑽石TGA分析,(b)玻璃粉TGA分析,(c)玻璃粉DSC分析 ...........................................................49
圖4.2 (a)添加 0、2、6、10、20、30、40、50vol.% 奈米鈦粉的試片XRD分析圖(b)添加50Vol的奈米鈦粉試片的 XRD分析圖 ................................................51
圖4.3 七組試片的Raman光譜分析結果 ……..................................53
圖4.4 燒結溫度710℃,持溫時間90min之0T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像 .....55
圖4.5 燒結溫度710℃,持溫時間90min之0N試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像 .....56
圖4.6 玻璃基材添加6 vol.%的奈米鈦粉之6T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像.....57
圖4.7 玻璃基材添加10 vol.%的奈米鈦粉之10T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像....58
圖4.8 玻璃基材添加20 vol.%的奈米鈦粉之20T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像....59
圖4.9 玻璃基材添加30 vol.%的奈米鈦粉之30T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像....60
圖4.10 玻璃基材添加40 vol.%的奈米鈦粉之40T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像 ..61
圖4.11 玻璃基材添加50 vol.%的奈米鈦粉之50T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像...62
圖4.12 八組試片的徑向收縮率與密度分析趨勢圖 ........................................65
圖4.13 試片的硬度試驗分析圖 .....................................................67
圖4.14 磨耗比試驗分析結果圖......................................................69
圖4.15 磨耗後之10T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像........................70
圖4.16 磨耗後之20T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像........................71
圖4.17 磨耗後之30T試片的(a)1000x SEM影像,(b)2000x SEM影像........................72
圖4.18各組碳化鎢棒粗糙度分析結果:(a)0N粗糙度0.68(μm),(b)0T粗糙度0.66(Ra),(c)10T粗糙度0.59(μm),(d)20T粗糙0.44(μm),(e)30T粗糙度0.71(μm) 的碳化鎢園棒磨耗端3D形貌.........74
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Springer-verlag London Limited 2012.
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