MA对Fe-Cu系金属结合剂结构和烧结性能的影响.pdf
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1、燕山大学 硕士学位论文 MA对Fe-Cu系金属结合剂结构和烧结性能的影响 姓名:贺战文 申请学位级别:硕士 专业:材料学 指导教师:王明智 20051001 摘要 摘要 本文主要研究了F e C u 复合粉体在高能球磨过程中能量的储存以及变 化情况对金属结合剂烧缗陛能的影响。通过对F e C u 复合粉体进行X R D 、 D S C 、扫描电镜、面分布和烧结性能的分析来了解在球磨过程中的能量储 存方式和变化情况,从而证明了这种储能对金属结合剂的烧结温度和性能 的影响。 实验结果表明,随着球磨加工的进行,粉体的颗粒和晶粒尺寸减小, 晶格常数变大。由于晶粒尺寸的减小和品格常数的变大,使得表面能和
2、界 面能增加并产生了大量的缺陷和位错。D S C 和扫描电镜以及面分布分析的 结果表明上述变化是其储存能量的主要来源。这些储存的能量在烧结过程 中使烧结温度大幅度下降。 在F e C u 二元系中加入金属s n 及6 6 3 青铜和S i C 球磨后,试样的烧结 性能随球磨时间的延长而提高,其抗折强度在球磨过程中有一个最小值; 将球磨一定时间的6 6 3 青铜和S i C 添加剂加入到球磨后的F e 4 5 C u 4 5 S n l 0 中,其加入量应当适宜,此时烧结体的各项性能( 如抗折强度、烧结密度、 硬度) 都达到最高值。这对金属基余刚石丁具的生产有着实际的指导意义。 实验证明,粉末经
3、球磨后可以在达到金刚石工具所要求的性能的条件 下大大降低烧结温度,从而减少会刚石的损坏,进而提高金刚石工具的质 量和加工效率,延长金刚石工具的使用寿命和效率。 关键词机械合金化复合粉体F e C u 金属结合剂储能高能球磨烧结体 金刚石工具 苎当盔! ! ! :兰竺圭篁兰 A b s t r a c t T h ee n e r g i e sh o wt ob es t o r e da n dc h a n g e do fF e - C uc o m p o t m dp o w d e r s d u r i n gh i g h e n e r g yb a l l r m i l
4、l i n ge f f e c to ns i n t e rc a p a b i l i t i e so fm e t a lb o n dw e r e m a i l f l yd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e I no r d e rt of i n do u tw a y so fs t o r e da n dc h a n g e o fe n e r g yd u r i n gm i l l i n g ,X R D ,D S C ,S E M ,E D Sa n ds i n t e rc a p a b i l i t
5、 i e sw e r e u s e dt Oa n a l y z et h em i l l e dF e C uc o m p o u n dp o w d e r s ,w h i c ha f f e c t e dt h es i n t e r t e m p e r a t u r eo f m e t a lb o n da n dc a p a b i l i t yo f p r o d u c t s T h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o w e dt h a tc r y s t a l l i n ea n d
6、g r a i ns i z e so ft h e c o m p o u n dp o w d e r sw e r ed i m i n i s h e dg r a d u a l l ya n dc r y s t a l l i n el a t t i c ep a r a m e t e r s w e r ei n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t hm i l l i n g Ag r e a td e a lo fi m p e r f e c t i o n sa n dd e f e c t s w e r ep r o d u
7、c e da n dd i m i n i s h i n gc r y s t a l l i n es i z e sa n di n c r e a s i n gc r y s t a l l i n e l a t t i c ep a r a m e t e ri n c r e a s e ds u r f a c ee n e r g i e sa n di n t e r f a c ee n e r g i e s ,T h er e s u l t s o fD S C 、S E Ma n dE D Ss h o w e dt h a tt h em a i nr e s
8、 o u r c e so fs t o r e de n e r g i e sw e r e f r o mt h i sc h a n g e s T h es i n t e rt e m p e r a t u r eW a Sg r e a t l yd e c r e a s e dc o u r s eo fs i n t e r b yt h e s es t o r e de n e r g i e s + T h em e t a lS n ,6 6 3b r o n z ea n dS i Ca f t e rm i l l i n gw e r ea d d e dt
9、 oF e C u s y s t e m T h es i n t e rc a p a b i l i t i e so fs a m p l ew e r ep r o m o t e dw i t hc o n t i n u em i l l i n g t i m e T h e6 6 3b r o n z ea n dS i Ca d d i t i v ew e r ea d d e dt oF e 4 5 C u 4 5 S n l 0t h a tw a s m i l l e d ,t h ea d d i t i v es h o u l dh em i l l e d
10、s o m et i m ea n di t sq u a n t i t ys h o u l db e a p p r o p r i a t e d I nt h i st i m e t h ek i n d so f t h ec a p a b i l i t i e sw e r ea l lr e a c h e dm a x i m a l i tw a si n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et op r o d u c em e t a li n t e g r a t ea g e n td i a m o n
11、dt o o l s T h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h es i n t e rt e m p e r a t u r ea n dt h ed a m n i f i c a t i o n o fd i a m o n dw e r eg r e a t l yc o m ed o w na n dd i m i n i s h e di nc o n d i t i o no fs a t i s f y i n g c a p a b i l i t i e so fd i a m o n dt o o l sb ym i l
12、l i n g T h eq u a l i t y 、e f f i c i e n c ya n d t h eu s i n g l i f e t i m eo fd i a m o n dt o o l sw e r ep r o m o t e da n dp r o l o n g e d K e y w o r d sM A ;c o m p o u n dp o w d e r s ;F e C u ;m e t a lb o n d ;s t o r e de n e r g y ; h i g h e n e r g yb a l lm i l l i n g ;s i
13、n t e r ;d i a m o n dt o o l s I I 第1 幸前青 第1 章前言 在超硬材料制品中,以金属结合剂的金刚石工具使用最为广泛,约占 所有金刚石超硬切、磨工具的6 0 以卜。其使用性能包括工具的寿命、效 率两方面,除与会刚石自身品质棚关外,结合剂与舍刚石的匹配性是另 个重要因素。所谓结合剂的匹配性包括以卜几个方面:机械性能、烧结温 度范围及结合剂与金刚石的关系 l J 。机械性能是指结合剂应具有与金刚石和 被切磨材料相匹配的强度、硬度和韧性等,只有匹配合理,才能在其工作 过程中使余刚石出露合适、适时脱落更新,以此保持磨具的锋利度和寿命; 烧结温度范围应该合适,过高则
14、使金刚石受到损害,降低磨料性能,凶而 一般要求在保证机械性能的前提下,结合剂有尽量低的烧结温度范围;结 合剂与金刚石之问应能够形成冶金结合并对会刚石不构成损害,如石墨化、 热侵蚀等;关于第三个因素现已通过金刚石表面镀覆等处理得到解决口J ,而 机械性能和烧结温度范围则具有一定的矛盾。一般的规律,机械性能特别 是要求强度、韧性较高的情况下,构成烧结体的材料烧结温度都较高,如 c o 、N i 、C r 、w 等,而能够降低烧结温度的元素一般都降低烧结体的机械 性能,如C u 、S n 、Z n 等,为了达到工具使用中结合剂与金刚石之间的合理 匹配,一般都采用复杂的多元合金化,或者牺牲金刚石的部分
15、性能等方法。 而复杂多元合金化往往由于个别组元的氧化使烧结后性能波动较大甚至严 重影响性能,不合理地采用较低烧结温度形成假合金,也同样降低性能: 而较高的烧结温度则促进结合剂中某些元素N i 、C o 、F e 等对金刚石的热侵 蚀、石墨化等,较高温度也促进金刚石自身的缺陷如包裹体、表面微裂纹 等发生胀裂、扩展等。因而,在保证性能要求的前提下降低烧结温度具有 十分重要的意义。 F e C u 二元系统用传统的方法只能微量合金化,机械合金化( M A ) 方 法已经解决了这一问题,在金刚石金属结合剂工具制造过程中,主要考虑 的是金刚石磨料与结合剂之问的匹配问题,并不以结合剂是否实现完全的 合金化
16、为考量目标,怎样在较低的温度下烧结使结合剂达到与金刚石匹配 燕山人学I :学硕t 论文 的性能要求则是人们追求的目的。通过M A 过程中粉体细化和机械加工一 球磨一所带来的大量能量积聚从理论上似乎可解决一定问题。本文通过对 F e C u 二元系和加入第三组元后的会属粉体进行一定的机械加工,使金属粉 体积聚较高能量,达到在较低温度F 烧结面具有性能良好匹配的目的。 第2 章绪论 第2 章绪论 2 1 金属基金刚石工具的性能及其分类 目前金刚石工具所采用的结合剂主要有四类,金属结合剂、树脂结合 剂、陶瓷结合剂和电镀金属结合剂。而结合剂一般起着粘结与把持磨粒的 作用。它与切削刀具的刀架的作用相类似
17、,但也有所不同,除了要保证证 磨削时有足够的把持强度之外,它还要保证已磨钝的磨粒适时的脱落口l , 以保持磨具有良好的磨削状态。另外,由丁在烧成时磨具中所发生的物理 化学变化,主要是在结合剂之中,或是在结合剂与磨粒之间进行的,所以, 结合剂的性能对磨具的烧成有重大影响。其中金属结合剂结合力强,耐磨 性好,使用寿命长,所以应用十分广泛。 金属结合剂包括电沉积金属和合金、烧结金属和合金粉末( 有时也含 少量非余属粉末) 制成的合金。会属粉末在结合剂中的作用有两个:一是 起粘结相作用,如青铜磨具中的铜锡合金;二是改善结合剂的性能,如, 电解磨中加入银粉,改善导电性。 2 1 1 金属结合剂的性能 粉
18、末冶金工艺原理是金属结合剂金刚石工具产品制造的主要理论基 础。因此金属粉末的选择从工艺角度出发应该考虑以下几个方面1 4 : ( 1 ) 有良好的工艺特性,即压制性和成型性。这一点主要从金属粉 末的粒度、纯度和形状几个方面进行选择。 ( 2 ) 金属和合金粉末在烧结温度F 对金刚石要有较好的粘结力和良 好的浸润性。 ( 3 ) 不产生对人体、环境、设备有危害的物质。 作为金刚石工具的金属结合剂有其自身的特点,其主要性能可归纳成 以下几个方面。 2 1 1 1 良好的压制性能结合剂的压制性能对冷压成型工艺是非常重要的 燕山人学r L 学硕士论文 它包括压实性和成型性两个方面。压实性反映压力与坯体
19、密度之间的关系, 而成型性反映压力与坯体强度之问的关系。压实性好的结合剂在较小的成 ) 嫂压力下,坯体就能达到规定的成型密度,这对在冷压成型条件下减少合 刚石压碎现象是大有好处的,但是坯体强度较差而容易损坏。成型性好的 结合剂在较小的成型压力下,就能获得较好的坯体强度,但是坯体要达到 规定的密度,则需要较大的成型旭力,而成型压力大是影响制品质量的一 个不利因素。生产实践证明,结合剂的良好成型性比压实性更重要。而粉 末的性质是影响结合剂成型性的重要因素,使用细颗粒、形状复杂的粉末, 成型性能较好。 2 1 1 2 良好的粘结性能结合剂的主要作用是粘结金刚石,使之成为整体的 工具。结合剂对金刚石的
20、粘结要求越牢越好,可以充分利用和发挥金刚石 的作用。但在目前工艺条件下,估计只有2 0 的金刚石起到了作用,8 0 都没有得到充分的利用,其中结合剂粘结性差是一个根本原因,因此要提 高会刚石工具的耐用度,必须要提高结合剂的粘结特性。 2 1 1 3 烧结特性金刚石工具的坯体通过适当温度烧结以后,金刚石才能被 结合剂牢牢地把持住。因此,烧结温度是结合剂的一个重要特性。从金刚 石的热稳定性考虑,结合剂的烧结温度应该低一些,可以减少金刚石强度 的损失,但是又必须满足对金刚石的把持强度的要求才行,否则盒刚石工 具的耐用度将受到影响。所以选择结合剂的烧结参数时,必须考虑在烧结 温度下金刚石强度的变化和结
21、合剂把持金刚石的牢固程度两个方面。 2 1 1 4 与使用相适应的一些特性结合剂的特性决定着金刚石工具的特性, 不同的产品加工的材料不一样,对结合剂的要求也有差异。其中,结合剂 的硬度是影响加工性较大的一个特性。 因此,金属结合剂金刚石工具的使用特点与树脂、陶瓷结合剂相比, 具有较高的耐用度,而磨削效率较低,能承受较大的加工负荷而不会碎裂。 会属是良导体,金属结合剂金刚石工具可作电解磨轮,这是其它结合剂所 没有的性能。电解磨是在电化学腐蚀和磨削双重作用下完成对工件加工的 种方法,它能达到较高的生产效率和加工质量1 5 J 。 近儿十年来,金属结合剂金刚石工具无论是在品种、数量和质量上都 第2
22、章绪论 有了新的发展和提高,加上金属结合剂金刚石工具相对于其它结合剂金刚 石工具的优越性能,会属结合剂金刚石工具在我幽的运用会越来越多。所 以,对如何进步提高金属结合剂的性能和降低成本方面的研究越来越多。 为保证金属结合剂会刚石上具的使用性能,金属结合剂应具有如下性 能: ( 1 ) 烧结过程中对会刚石的热损伤小。 ( 2 ) 对金刚石要有较好的润湿性( 接触角要小) ; ( 3 ) 对骨架材料( 会属或金属碳化物) 有较好的润湿性; ( 4 ) 有适宜的力学性能。用作磨削工具,粘结剂要沙而不粘;用作冲 击振动工具,要有满足要求的韧性、耐磨性:锯切工具要有合适的耐磨损 一陆等; ( 5 ) 在
23、保证质量和性能的同时,烧结温度、成型压力越低越好; ( 6 ) 金属粉末颗粒的尺寸和形状,符合制作工艺的要求【4 1 。 金刚石工具的常用金属结合荆,除电镀金属结合荆外。其余都是采用 粉末冶金法烧成的结合剂、磨料、骨架材料及特异作用元素固结在一起的 混合物。混合物中有烧结过程中形成的固溶体、中问相和间隙化合物。也 有宏观上不参与合金化的金刚石、碳化物等。根据结合剂的种类及烧结,L 艺的不同,结合剂的合金化程度也不相同。 2 】2 金属结合剂中各元素的作用 金属结合剂金刚石工具中常用的金属元素有粘结金属元素;骨架材料 元素及合金等。常用的粘结金属有:C u 、N i 、M n 、C o 、F e
24、 、S n 等,W 、 W C 、W 2 C 、S i C 以骨架材料加入。在液相烧结的最后阶段,某些粘结金属 也会形成固相骨架,提高抵抗变形的能力1 4 J 。 粘结金属的主要作用是粘结和支撑金刚石,使其在各种工况下不至于 过早脱落。粘结金属要具有良好的压制成型性、可烧结性、对金刚石和骨 架材料有好的润湿性、烧结胎体有一定的韧性和耐磨性。 粘结会属混合粉烧结过程中,能通过一定量液相的产生和扩散作用进 行合金化,形成固溶体、化合物和中矧相,使粘结金属和金刚石之间产爿: S 燕山人学f 学硕十论文 遁当的粘结。最理想的情况是粘结金属和金刚石间有较高的附着功。或者 在金属和金刚石界面上发生碳化物形
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