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金属结合剂金刚石工具烧结技术的研究

周浩钧  
【摘要】:金刚石工具被誉为“工业的牙齿”,以其无与伦比的优异性能和不可替代性成为当今公认的、必不可少的硬脆材料加工用超硬材料工具。传统电阻式热压法制造金属结合剂金刚石工具生产周期短、工艺调整简单,但存在固有的弊病和缺陷,其中最为根本的问题是:烧结过程能耗高,工具的质量稳定性差,使用性能水平低。本文在总结热压烧结理论的基础上,选用Co-Cu-Sn粉末作为金刚石工具胎体,围绕金属结合剂金刚石工具烧结技术进行研究。获得如下结论: (1)论文首先对同一配方采用HP、C-HP和HIP烧结工艺制备金属结合剂金刚石工具,并对工艺参数进行了优化,其最佳烧成温度、保温时间、施压条件分别为:760℃、4min、35MPa,770℃、90min、30MPa,780℃、60min、80MPa。 (2)在优化工艺条件下,制备WD试样、HD试样和试切用锯片。研究结果表明:HP工艺烧结时间短,但温度场分布不均,烧结试样孔洞较多,易出现金刚石烧蚀现象,杂质氧化物会阻碍金属原子的迁移与扩散,甚至成为裂纹源;C-HP工艺温度场均匀,还原气氛能有效活化金属原子,促进致密化;HIP工艺能显著降低烧结组织的气孔率,细化晶粒,试样断面出现类似于塑性断裂的浅韧窝特征,胎体对金刚石的包镶状况良好,其试样综合力学性能最佳。 (3)Co-Cu-Sn胎体和金刚石节块的烧结均属于以固相烧结为主的瞬时液相烧结,其致密化过程包括吸附气体的解吸与逸出、金属颗粒表面氧化物的还原、液相的形成与消失、不同组元的扩散与合金化等阶段。三种烧结技术所获得的胎体试样物相组成均为Cu5.6Sn和α-Co,HIP试样结晶最佳。 (4)试切结果表明:HIP锯片的优势主要表现在使用寿命上,其寿命较HP锯片提高了29%。在质量稳定性上,HIP锯片最优,其次为C-HP锯片、HP锯片。 (5)ANSYS热分析结果表明:HP烧结过程中,若粉末压坯密度均匀,仅考虑石墨模具作为发热体时,粉末压坯受热快,即使是快速升温也能保证温度场的均匀性。但实际上,粉末压坯会因为自身密度的不均匀而出现局部高温现象;C-HP烧结过程中,载有粉末压坯的料舟进入炉膛后,应缓慢地由预热区推向高温烧结区,以及时消除烧结体在升温过程产生的温度梯度,减少热应力。


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