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新型金属基金刚石复合材料工磨具的试制和性能研究

董洪峰  
【摘要】:粉末冶金金属基金刚石复合材料工磨具以其近净成形、锋利、生产效率高等特点被广泛用于加工石材、陶瓷、半导体等脆硬材料,并且随着科技特别是航空航天、电子、通信等高端领域的快速发展,对工磨具材料的精细化方面提出了更高要求。为降低金属基金刚石工磨具材料的制备成本,并保证工磨具材料的优良机械性能、界面结合性能和摩擦性能,本文对胎体成分设计、烧结工艺优化、界面热力学/动力学、磨头的摩擦磨损几个方面进行研究,以达到材料的组织结构、成分、性能、工艺方法的一体化。为降低工磨具的厚度和提高加工精度,本文亦对金属基金刚石复合材料超薄切锯进行试制,并研究超薄切锯的组织、机械性能和界面特性。得到的结论如下: 首先用混合实验和极端顶点设计法建立响应曲面模型,以模型的12个顶点和任意两个面的质心为试验点制备试样。用Excel回归分析得到的方程复相关系数趋近于“1”,因此其可用于预测胎体性能。与实验值相比,回归方程的预测值最大误差分别为2.8%、3.4%、2.9%,能可靠预测胎体性能。各元素的最佳含量范围是:Fe60-66wt.%,Cu20.30wt.%和66.68wt.%,Co0-1wt.%,Sn0-O.8wt.%和7-8wt.%; 根据所得到的最优胎体组分,对Cu/Fe基金刚石复合材料磨头的烧结工艺正交试验结果进行极差分析,可知工艺参数对胎体相对密度、抗弯强度、布氏硬度和弹性模量的影响显著性各异。Cu/Fe基金刚石磨头的最优工艺参数范围是:烧结温度700-740℃、压力17-21MPa、保温时间2-4min: 用标准反应热效应理论计算930K、970K、1010K烧结温度和下Cr与金刚石C及石墨C反应吉布斯自由能变化,可知在热力学上碳化物形成元素Cr与金刚石C和石墨C反应可自发生成Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6。根据经典热力学理论,在烧结温度930K、970K、1010K和烧结压力13MPa、17MPa、21MPa条件下,金刚石在热力学上满足石墨化转变。通过实验验证可知,在烧结温度740℃、压力21MPa、保温时间4min条件下,Cu基金刚石复合材料磨头的金刚石表面出现剥落/粘着层,胎体和金刚石的界面形成冶金结合,没有发生石墨化,与理论一致; 通过对三种烧结工艺金刚石磨头进行摩擦性能测试可知,烧结温度和压力与Cu/Fe基金刚石磨头的力学性能和摩擦性能密切相关。Cu基金刚石磨头胎体的主要摩擦形式为粘着磨损和磨粒磨损,金刚石的磨损形式为磨粒磨损,随着烧结温度升高或烧结压力增大,摩擦性能提高;Fe基金刚石磨头胎体主要为粘着磨损和磨粒磨损,随着温度的升高或压力的增大,金刚石依次发生严重磨粒磨损、轻微磨粒磨损和热蚀磨损;在740℃/13MPa/6min工艺条件下,Fe基金刚石磨头具有最优的耐磨匹配性,摩擦性能最好; 根据Cu/Fe基金刚石超薄切锯的冷压工艺研究结果,单轴模压条件下,冷压坯的高径比很小,导致轴/径向的压坯组织存在各向异性。随着冷压力的增大,冷压坯中粉末的变形不均匀、粉间摩擦力不断变化,均决定冷压坯的致密化过程。不同冷压加载速率条件下的粉末变形时间不同,较低的加载速率导致低压下的Cu、Ni粉末变形很大,造成后续变形困难,压坯的孔隙率较高。较高的加载速率使粉末变形不充分,造成脱模弹性后效,压坯组织粉末间存在间隙。随着保压时间的延长,Cu/Fe基冷压坯组织更加致密,粉末变形量增加。烧结胎体的合金化、组织和力学性能受冷压坯组织和密度制约,烧结Cu/Fe基胎体的拉伸端口形貌包括解理、塑坑、沿颗粒脆性断口。Cu基胎体的最优冷压工艺为:冷压力187MPa、加载速率0.1mm/min、保压时间2mmin;Fe基胎体的最优冷压工艺为:168MPa、0.15mm/min、4min; 冷压-烧结Cu/Fe基金刚石复合材料超薄切锯的界面分别富集Cr、Fe元素,Cu基超薄切锯断口的界面出现缝隙,Fe基超薄切锯断口的界面结合较好。由金刚石的静应力计算公式得到烧结Cu/Fe基超薄切锯中金刚石的静应力分别为-645、-387MPa,远小于热应力计算值,其主要由于界面碳化物的产生、胎体的冷却塑性变形及冷却相变均可释放应力。


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