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稀土添加剂对铁基金刚石复合材料性能影响的研究

戴秋莲  
【摘要】: 在把石材由荒料加工成为成品的整个过程中,锯切是非常重要的一个环节。作为锯切工具的金刚石圆锯片,其性能的好坏是决定石材加工成本和效率的关键。由于金刚石圆锯片的锯切是通过固结在金属胎体中的金刚石磨粒来实现,因此,金属胎体能否有效地把持金刚石磨粒,使其充分发挥切削作用,将直接决定锯片的切削性能和使用寿命。然而,由于大多数金属胎体不能实现对金刚石磨粒的有效粘结,造成锯片使用过程中金刚石磨粒的过早脱落,导致金刚石锯片成本增加、加工效率降低。因此,改善和提高金属胎体对金刚石的粘结性能是金刚石工具研究中急需解决的重要课题。 在众多的金刚石胎体材料中,铁基胎体材料由于具有资源和价格上的显著优势,近年来在金刚石圆锯片中的应用受到广泛重视。但是铁粉很容易氧化,粉末表面活性降低,妨碍烧结过程的充分进行,使实际烧结过程难以达到理想的烧结程度。而且在高温下,铁粉会对金刚石产生较严重的化学侵蚀,这两方面的原因都会影响结合剂本身的力学性能及其对金刚石的有效把持,导致锯切过程中结合剂耐磨性差,金刚石容易脱落,使锯片寿命缩短。本文针对这些问题,利用稀土元素独特的物理化学性能,研究稀土元素改善铁基金刚石复合材料性能的微观机制,并对作为强碳化物形成元素而广为使用的TiH_2在铁基胎体及金刚石复合材料中的作用进行评价,把研究稀土元素的影响与强碳化物形成元素Ti的影响相结合。论文系统地研究了不同稀土种类、稀土添加量、TiH_2和烧结温度对铁基胎体和金刚石复合材料性能的影响及微观机制。全文的主要研究内容概括如下: 1.采用正交试验和方差分析系统地研究稀土种类、添加量和烧结温度对含TiH_2和不含TiH_2条件下铁基胎体和金刚石复合材料力学性能的影响。比较上述因素的影响程度,优选出最佳烧结温度、最合适的稀土种类及添加量。 2.采用光学显微镜、扫描电镜和X-Ray衍射仪,进行显微组织观察、断口分析、能谱分析、衍射谱分析等,研究稀土元素和TiH_2在不同烧结温度下对铁基胎体和金刚石复合材料力学性能影响的微观机制。 3.制造含不同添加剂的铁基金刚石锯片,进行花岗石锯切实验,测定锯切功率、锯切力和锯片的耐磨度,并用扫描电镜观察节块工作面上金刚石磨粒和金属胎体的磨损形貌及金属胎体和金刚石界面结合状况,综合评价不同添加剂对锯切性能的改性效果。 本文取得的主要研究成果如下: 1.证实稀土元素不仅能提高铁基胎体和金刚石复合材料的力学性能,而且可以降低烧结温度,扩大烧结温度范围,这对实际生产中保证金刚石节块的性能是非常有利的。 2.在研究的三种稀土添加剂中,稀土以混合稀土形态或以中间化合物形态或以氧化物形态加入,对提高铁基胎体和金刚石复合材料力学性能的作用效果没有明显的差别,以混合稀土形态加入略好。 3.微观分析结果证实稀土元素的改性机制是:活化烧结过程,使烧结过程加快;降低孔隙率;细化晶粒;减少金刚石的石墨化和铁粉的氧化;促使胎体金属和金刚石之间产生化学结合,生成Fe_3C,提高胎体对金刚石的把持力。 4.研究结果表明添加TiH_2不仅不能提高金属胎体和金刚石的粘结强度,反而降低 稀土添加剂对铁基金刚石复合材料性能影响的研究 了铁基胎体和金刚石复合材料的力学性能,尤其是抗弯强度和冲击韧性大大降低。其原 因是铁基中的Ti不与金刚石产生化学结合生成TIC,而是Ti优先与氧反应生成n ) 生成的钛的化合物粗大、硬度高,对基体起割裂作用,而且TIHZ的加入,使胎体的孔 隙率增加。 5.通过花岗石锯切实验,进一步证实添加微量的稀土元素可以大大降低锯切力和 提高锯片的耐磨度,而添加卫HZ则降低锯片的耐磨度。


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