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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

作　者: 董洪峰
导　师: 路阳
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 混合实验真空热压烧结界面热力学动力学摩擦磨损超薄锯片冷压-烧结
分类号: TF125
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-13
第1章绪论  13-27
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 金属基金刚石复合材料的研究进展  14-24
    1.2.1 胎体材料的作用和研究进展  14-19
    1.2.2 烧结工艺的研究进展  19-20
    1.2.3 界面的作用和研究进展  20-22
    1.2.4 金刚石工磨具的摩擦性能及研究进展  22-24
  1.3 研究内容及创新点  24-27
    1.3.1 创新点  24
    1.3.2 研究内容及意义  24-27
第2章胎体成分设计  27-41
  2.1 Cu/Fe基金刚石工磨具的胎体  27-29
    2.1.1 胎体成分  27-28
    2.1.2 胎体的重要性能  28-29
  2.2 混合实验和极端顶点设计原理  29-30
    2.2.1 混合实验  29
    2.2.2 极端顶点设计  29-30
  2.3 实验设计步骤  30-34
    2.3.1 实验材料  30
    2.3.2 选择因素水平、建立模型  30-33
    2.3.3 试样制备和性能检测  33
    2.3.4 Excel数据处理  33-34
  2.4 结果与讨论  34-39
    2.4.1 回归方程  34
    2.4.2 实验值和预测值的比较  34-36
    2.4.3 Cu、Fe、Ni、Sn元素对胎体性能的影响  36-38
    2.4.4 最优Cu/Fe基胎体组分  38-39
  2.5 小结  39-41
第3章真空热压烧结工艺设计  41-57
  3.1 实验材料及方法  41-42
    3.1.1 实验材料  41-42
    3.1.2 试样制备  42
    3.1.3 性能测试  42
  3.2 Cu基胎体金刚石复合材料磨头的热压烧结工艺  42-50
    3.2.1 极差分析  42-47
    3.2.2 工艺参数对Cu基金刚石复合材料磨头物理及力学性能的影响  47-50
  3.3 Fe基胎体金刚石复合材料磨头的热压烧结工艺  50-54
    3.3.1 极差分析  50-53
    3.3.2 工艺参数对Fe基金刚石复合材料磨头物理及力学性能的影响  53-54
  3.4 最优的真空热压烧结工艺  54-55
  3.5 小结  55-57
第4章界面结合特性研究  57-73
  4.1 界面反应热力学计算  57-60
    4.1.1 标准反应热效应理论  57-58
    4.1.2 界面反应热力学计算  58-60
  4.2 金刚石石墨化的热力学计算  60-66
    4.2.1 经典热力学理论  60-61
    4.2.2 金刚石石墨化的热力学计算  61-65
    4.2.3 计算结果分析  65-66
  4.3 实验验证  66-68
    4.3.1 实验材料及方法  66-67
    4.3.2 实验结果  67-68
  4.4 分析与讨论  68-70
    4.4.1 界面反应  68-69
    4.4.2 金刚石石墨化  69-70
  4.5 小结  70-73
第5章 Cu/Fe基金刚石复合材料磨头的摩擦性能  73-85
  5.1 实验材料及方法  73-74
    5.1.1 实验材料  73
    5.1.2 试样制备  73
    5.1.3 摩擦实验  73-74
    5.1.4 性能检测  74
  5.2 实验结果  74-80
    5.2.1 Cu基金刚石磨头的性能  74-77
    5.2.2 Fe基金刚石磨头的性能  77-80
  5.3 分析与讨论  80-84
    5.3.1 Cu基金刚石磨头的结构与力学性能  80
    5.3.2 Cu基金刚石磨头的摩擦性能  80-81
    5.3.3 Fe基金刚石磨头的摩擦性能  81-84
  5.4 小结  84-85
第6章 Cu/Fe基金刚石复合材料超薄切锯胎体的冷压-烧结工艺  85-121
  6.1 实验方案  85-89
    6.1.1 实验步骤  85-86
    6.1.2 实验材料与方法  86-89
  6.2 实验结果  89-109
    6.2.1 不同冷压力的冷压-烧结Cu基胎体的组织和性能  89-94
    6.2.2 不同冷压力的冷压.烧结Fe基胎体的组织和性能  94-99
    6.2.3 不同加载速率的冷压-烧结Cu基胎体的组织和性能  99-102
    6.2.4 不同加载速率的冷压-烧结Fe基胎体的组织和性能  102-105
    6.2.5 不同保压时间的冷压-烧结Cu基胎体的组织和性能  105-107
    6.2.6 不同保压时间的冷压-烧结Fe基胎体的组织和性能  107-109
  6.3 分析与讨论  109-119
    6.3.1 不同冷压力Cu基金刚石超薄切锯胎体压坯的冷压致密化  109-111
    6.3.2 不同压力Cu基金刚石超薄切锯胎体压坯组织、密度和烧结组织的关系  111-112
    6.3.3 不同压力烧结Cu基金刚石超薄切锯胎体组织和力学性能  112-113
    6.3.4 不同压力Fe基金刚石超薄切锯胎体压坯的冷压致密化  113-114
    6.3.5 不同压力Fe基金刚石超薄切锯胎体压坯组织、密度和烧结组织的关系  114-115
    6.3.6 不同压力烧结Fe基金刚石超薄切锯胎体组织和力学性能  115
    6.3.7 不同加载速率Cu基金刚石超薄切锯胎体压坯的冷压致密化  115-116
    6.3.8 不同加载速率Cu基金刚石超薄切锯胎体压坯组织、密度和烧结组织的关系  116
    6.3.9 不同加载速率烧结Cu基金刚石超薄切锯胎体组织和力学性能  116-117
    6.3.10 不同加载速率Fe基金刚石超薄切锯胎体压坯的冷压致密化  117
    6.3.11 不同加载速率Fe基金刚石超薄切锯胎体压坯组织、密度和烧结组织的关系  117-118
    6.3.12 不同加载速率烧结Cu基金刚石超薄切锯胎体组织和力学性能  118
    6.3.13 不同保压时间冷压-烧结Cu基金刚石超薄切锯胎体组织的各向异性  118
    6.3.14 不同保压时间冷压-烧结Fe基金刚石超薄切锯胎体组织的各向异性  118-119
  6.4 小结  119-121
第7章 Cu/Fe基金刚石复合材料超薄切锯界面性能  121-127
  7.1 实验材料及方法  121-123
    7.1.1 实验材料  121-122
    7.1.2 试样制备  122
    7.1.3 性能测试  122
    7.1.4 金刚石的内应力计算  122-123
  7.2 实验结果  123-125
    7.2.1 碳化物形成元素的界面扩散  123-124
    7.2.2 界面结合  124-125
  7.3 分析与讨论  125-126
  7.4 小结  126-127
结论  127-129
参考文献  129-141
致谢  141-143
附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录  143

新型金属基金刚石复合材料工磨具的试制和性能研究

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