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| 金屬結(jié)合劑金剛石工具制備及性能檢測-歐美精品3atv一區(qū)二區(qū)三區(qū)メイリン モデルコレクション メイ,午夜影院和視費x看
實驗原理及方法 金屬結(jié)合劑金剛石工具是采用粉末冶金方法將細小顆粒金剛石與金屬粉末熱壓燒結(jié)而成的復(fù)合材料燒結(jié)體。金剛石工具一般由基體、過渡層和工作層三部分組成?；w起著承載工作層的作用。過渡層由結(jié)合劑和其他材料組成，是牢固連接基體和金剛石層的中間層，以保證工作層的完全使用。工作層由金剛石、結(jié)合劑和氣孔組成，是金剛石工具起磨削作用的主要部分。 （一）金屬結(jié)合劑配方的設(shè)計原理 1.配方設(shè)計的宗旨和依據(jù) 金屬結(jié)合劑金剛石工具的配方設(shè)計，也像其他金剛石工具的設(shè)計一樣，追求的總目標是：技術(shù)先進，經(jīng)濟合理。為了達到這樣的目標，需要進行綜合性的技術(shù)經(jīng)濟評估和可行性研究。技術(shù)上的可行性研究，主要考慮所設(shè)計的磨具是否具有優(yōu)良的制造性能和使用性能，是否能夠適合生產(chǎn)廠家現(xiàn)實條件和滿足用戶提出的磨削加工要求。經(jīng)濟上的可行性研究，則要從工具制造成本和使用過程中的磨削加工費用兩方面考慮。 磨削加工工件的材質(zhì)、磨削加工方式和加工質(zhì)量要求，是金剛石工具配方設(shè)計的重要依據(jù)。在磨削加工中，只有在工具性能與加工材質(zhì)、加工方式相適應(yīng)的條件下，才能取得比較理想的效果。因此，必須掌握上述這些情況，才能據(jù)此進行磨具配方設(shè)計。 當磨具應(yīng)具備的性能確定之后，設(shè)計者的任務(wù)就是從原材料配方和生產(chǎn)工藝上，如何使磨具滿足所提出的性能要求。因此，各種原材料的性能及所起的作用，以及制造工藝對磨具的組織和性能的影響，是配方設(shè)計的另一方面的重要依據(jù)。 2.配方設(shè)計的任務(wù) 配方設(shè)計要完成的任務(wù)，或者說配方設(shè)計工作的基本內(nèi)容，主要是選擇各種適用的原材料并確定適當?shù)呐浔?，同時還要確定相應(yīng)的制造工藝參數(shù)。 金屬結(jié)合劑金剛石工具的原材料，除了鋼質(zhì)基體外，主要包括金剛石磨料、金屬結(jié)合劑、非金屬粉末添加成分以及潤濕劑四類。磨具需用的原材料及其性能和用量，都要根據(jù)加工對象、加工方式、加工質(zhì)量的要求來選擇和確定。下面扼要列舉配方設(shè)計要完成的幾項主要工作。 （1）確定金剛石磨料的品種及濃度 不同品種的金剛石適用于加工不同的材質(zhì)，這是一項基本原則。金剛石粒度和用量(即濃度)的選擇，一般原則是：粗磨、高切除率的磨削，要求粗粒度和高濃度；而細粒度和低濃度，則適用于精磨。高光潔度磨削時，對金剛石的粒度組成要求比較嚴格，特別是不允許混入個別大粒。 （2）確定結(jié)合劑的成分及配比 結(jié)合劑配比設(shè)計是配方設(shè)計中一項極其重要的基本工作,其主要遵循以下兩個原則： a.結(jié)合劑的組成和性能應(yīng)與金剛石磨料的品種和性能相適應(yīng) 結(jié)合劑與磨料的品種、性能要互相配合，這是配方設(shè)計的一條重要原則，已經(jīng)成為基本常識。例如國外的cda系列和rvg系列，我國的rvd低強度金剛石，只適用于樹脂結(jié)合劑磨具；mda、mbg、mbd等各系列的中強度金剛石，則適用于青銅結(jié)合劑磨具；mbs，sda、smd等各系列的高強度金剛石，適合與鉆基合金、鐵基合金、鎢基合金或硬質(zhì)合金結(jié)合劑相配合，用于制造硬質(zhì)石材鋸片和地質(zhì)鉆頭。 就青銅結(jié)合劑而言，其組織和性能，如強度、硬度、脆性、耐熱性等性能，也隨著青銅中各種成分及其含量的改變以及成型燒結(jié)工藝條件的不同，而呈現(xiàn)出相當大的差別。因此，不同類型的青銅結(jié)合劑也要與中強度系列中的不同牌號的金剛石品種相配合。例如銅錫二元合金一般配以mbd4，三元及更多元合金則配以mbd6、mbd8等。 b.結(jié)合劑的組成和性能應(yīng)與加工材質(zhì)和加工方式相適應(yīng) 加工硬質(zhì)合金，可用強度較低的脆青銅結(jié)合劑；加工玻璃、陶瓷，則要用強度和硬度較高的多元青銅結(jié)合劑。一般平面磨和外圓磨，可用強度較低的普通錫青銅結(jié)合劑；在強力磨削和深切入磨削時，則需要使用強度較高、導(dǎo)熱性和耐熱性好的多元合金系結(jié)合劑，這時往往要在cu-sn合金中添加一定量的銀、鎳，有時還要添加少量的鉬、鈹、鎢、鈦等金屬，以便提高結(jié)合劑的強度指標(抗拉強度、抗彎強度等)和改善熱學(xué)性能。 復(fù)雜合金總是比簡單合金具有更好的力學(xué)性能，高強度、高硬度及超高強度、超高硬度的合金總是具有復(fù)雜的化學(xué)成分。因此，加工條件苛刻、要求高的磨具，一般都采用多元合金系結(jié)合劑。 c.金屬結(jié)合劑中主要元素的作用 金屬結(jié)合劑金剛石工具中常用的金屬元素有粘結(jié)金屬元素、增強金屬元素、骨架材料元素及合金等。常用的粘結(jié)金屬有：cu、sn等，增強金屬有：ni、mn、co、fe等，w、wc、w2c、sic以骨架材料加入。表1為主要金屬的性能參數(shù)。 粘結(jié)金屬及增強金屬的主要作用是粘結(jié)和支撐金剛石，使其在各種工況下不至于過早脫落。要求具有良好的壓制成型性、可燒結(jié)性、對金剛石和骨架材料有好的潤濕性、燒結(jié)胎體有一定的韌性和耐磨性。粘結(jié)金屬混合粉燒結(jié)過程中，能通過一定量液相的產(chǎn)生和擴散作用進行合金化，形成固溶體、化合物和中間相，使粘結(jié)金屬和金剛石之間產(chǎn)生適當?shù)恼辰Y(jié)。Zui理想的情況是粘結(jié)金屬和金剛石間有較高的附著功?；蛘咴诮饘俸徒?表1 主要金屬元素性能參數(shù) 元素 原子量 密度 g/cm3 熔點 ℃ 溶解熱 cal/g 比電阻 mw·cm 晶體結(jié)構(gòu) cu 63.54 8.96 1083 50.60 7.67 面心立方 ni 58.69 8.90 1455 74.00 6.84 面心立方 mn 54.93 7.43 1245 64.00 18.50 錳型立方 co 58.93 8.90 1495 58.40 6.24 密排六方 fe 55.85 7.87 1535 65.00 9.71 體心立方 al 26.98 2.70 660 94.60 2.65 面心立方 zn 65.38 7.13 419.46 24.10 5.92 密排六方 sn 118.69 7.30 231.90 14.50 11.50 體心立方 pb 207.20 11.34 327.40 6.30 20.65 面心立方 si 28.09 2.33 1430 33.70 105 金剛石立方 w 183.85 19.30 3300 44.00 5.50 體心立方 mo 95.94 10.20 2607 70.00 5.17 體心立方 剛石界面上發(fā)生碳化物形成反應(yīng)，從而降低界面張力，實現(xiàn)胎體和金剛石間具有足夠的粘結(jié)強度。銅（cu）在結(jié)合劑中的行為 在金屬結(jié)合劑金剛石工具中，應(yīng)用Zui多的金屬是銅和銅基合金。銅和銅基合金之所以應(yīng)用如此之廣，是因為銅基結(jié)合劑有滿意的綜合性能，較低的燒結(jié)溫度，好的成型性和可燒結(jié)性及與其它元素的相容性。 雖然銅對金剛石幾乎不潤濕，可某些元素與銅的合金能使其對金剛石的潤濕性得到大幅度的改善并可以大大降低銅合金對金剛石的潤濕角。 銅在鐵中的溶解度不高，在a-fe中溶解度為2.13%，在鐵中過量的銅，急劇降低熱加工性，使鋼鐵材料發(fā)生龜裂。另外，cu與ni、co、mn、sn、zn等，可形成多種固溶體，使基體金屬得到強化。它對骨架材料鎢、碳化鎢、碳化鈦等潤濕情況比對金剛石的潤濕好得多。 鈷（co）在結(jié)合劑中的行為 在金屬結(jié)合劑中，鈷被認為是Zui出色的結(jié)合劑金屬，鈷既可以降低結(jié)合劑和金剛石的界面張力，液相下對金剛石又有較大的附著功，約2.55×107j/cm2，是銅與金剛石附著功（2.35×108j/cm2）的十余倍，純鈷或鈷基結(jié)合劑具有抗彎強度高，對碳材料和碳化物的潤濕性和粘結(jié)性好，耐磨等優(yōu)點。鈷基結(jié)合劑金剛石工是具有令人滿意的壽命和效率的組合。 錫（sn）在結(jié)合劑中的行為 錫是降低液態(tài)合金表面張力的元素。具有降低液態(tài)合金對金剛石（石墨）潤濕角的作用，其主要作用有兩個：一是起粘結(jié)相作用，使鐵、銅、錫三種金屬可以更好地結(jié)合在一起；二是改善結(jié)合劑的性能，降低金剛石工具的燒結(jié)溫度。 sn粉在熔化后由于毛細管力的作用會被吸入到fe粉和cu粉顆粒的孔隙中，形成一種粘結(jié)介質(zhì)，會使三種金屬相互擴散，同時會發(fā)生fe粉和cu粉在富sn相中的溶解。當sn粉熔化后，會快速地把足量的fe和cu溶解，從而降低金屬結(jié)合劑的燒結(jié)溫度，改善壓制成型性。所以sn在結(jié)合劑中的應(yīng)用十分廣泛，但因sn的膨脹系數(shù)較大，使用受到—定的限制。 鐵（fe）在結(jié)合劑中的行為 鐵是接觸Zui多的元素，通過合金化，可使鐵變成鋼和合金。用純凈的鐵粉作結(jié)合劑，fe有雙重作用，一是與金剛石形成滲碳體型碳化物；二是與其它元素合金化，強化胎體。鐵基結(jié)合劑的力學(xué)性能高于銅基和鋁基結(jié)合劑，與金剛石的潤濕性高于銅基結(jié)合劑和鋁基結(jié)合劑，鐵與金剛石的附著功比鈷高。 碳化硅（sic）在結(jié)合劑中的行為 常用的骨架材料以碳化物為主。一般情況下，金屬碳化物的熔點高于金屬的熔點。骨架材料必須具備與金剛石和粘結(jié)金屬有好的相容性。同時，還要求具有高的耐磨性。在—些金剛石制品中，隨著工藝的逐步改進，骨架材料的用量越來越少。而sic添加到銅基合金中，降低了銅合金和金剛石的界面張力，使接觸角降低，由于碳化物形成反應(yīng)降低界面張力，和用降低表面張力的元素相比，降低界面張力是起決定性作用的。在楊氏方程中，決定接觸角大小的兩個因素，界面張力比表面張力作用更大。從而使結(jié)合劑能更好的浸潤金剛石，使工具的磨削效率得到提高。 （3）確定適當?shù)哪ゾ呓M織 磨具組織的三要素是磨料、結(jié)合劑和氣孔。氣孔率的大小和氣孔的分布形態(tài)，是磨具組織特性的標志。 磨具組織是影響磨具強度和磨削性能的重要因素。一般的規(guī)律是：組織致密，則強度高、硬度高、耐磨性好、幾何形狀保持性好，但磨削時的冷卻潤滑性能差，容易產(chǎn)生發(fā)熱燒傷和堵塞現(xiàn)象。反之，疏松的組織則有相反的效果。 一般來說，疏松的組織適合于大面積、大磨除量、高效率磨削加工的場合；而在成型磨削、切入磨削和堅硬難磨材料磨削時，要求磨具組織比較緊密，這時的磨具設(shè)計需要注意防止磨削堵塞和燒傷。 磨具組織的致密程度，在原材料確定之后，主要取決于其制造工藝。要確定磨具的組織，必須進行成型和燒結(jié)試驗。因此，需要指出，在設(shè)計配方時，單純考慮配料比而忽視與之有關(guān)的工藝是片面的。 （4）金屬結(jié)合劑中潤濕劑、臨時粘結(jié)劑、潤滑劑的應(yīng)用 a.潤濕劑和臨時粘接劑 在金剛石與結(jié)合劑混合、裝模進行熱壓燒結(jié)時，還需要加入潤濕劑和臨時粘結(jié)劑。潤濕劑有很多種，常用的有蒸餾水、濃度3%左右的硼砂（na2b4o7×10h2o）水溶液、聚乙烯醇水溶液等。其中聚乙烯醇水溶液效果，它既是潤濕劑也是比較理想的臨時粘結(jié)劑。 潤濕劑和臨時粘結(jié)劑有兩種功能。一種功能是促使金剛石與結(jié)合劑混合均勻，防止層析。組成結(jié)合劑的金屬密度往往比金剛石大幾倍，如果不加潤濕劑，結(jié)合劑豫金剛石就難以混合均勻，既是混勻了，在裝料、攤料、刮料過程中，或者在振動時，都會重新離析分層（輕料浮在上面，重料沉在下面）。加入潤濕劑后各種粉末顆粒表面被潤濕，顆粒之間通過潤濕劑產(chǎn)生了臨時粘結(jié)作用。這種作用盡管微弱，但足以防止各種粉末由于密度不同而發(fā)生離析分層現(xiàn)象。因此，金剛石磨料就可以均勻地分散與結(jié)合劑之中。 潤濕劑及臨時粘結(jié)劑的另一種功能就是改善成型料的壓制性能。粉狀物料經(jīng)潤濕后，流動性得到提高，從而改善了壓實性。同時，由于潤濕劑的臨時粘結(jié)作用，粉末容易壓制成型，壓坯強度提高，這對冷壓成型尤為重要。 可見，出了磨料和結(jié)合劑之外，潤濕劑也是金屬結(jié)合劑配方中不可缺少的部分。潤濕劑的用量一般不大，一般以金剛石在結(jié)合劑中不發(fā)生離析為限。潤濕劑過多或過少，都會使粉末流動性下降。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，潤濕劑的加入量為金剛石重量的2%~3%為宜。 b.潤滑劑 潤滑劑的使用主要與冷壓成型有關(guān)，因此潤滑劑也叫成型劑。常用的潤滑劑有石墨粉、二硫化鉬、石蠟溶液、硬脂酸鋰、硬脂酸鋅等等。 潤滑劑在成型過程中的作用表現(xiàn)在兩個方面。一方面，在成型模具與成型料之間其潤滑作用，降低二者之間的摩擦阻力。在成型時線在模套內(nèi)壁和模芯外壁的四周擦上一層潤滑劑，就是起這種潤滑作用。這是潤滑劑也叫脫模劑。 另一方面，潤滑劑在粉末顆粒之間起潤滑作用，降低粉末顆粒之間的摩擦阻力，從而改善粉末的壓制性能。 適量的潤滑劑可以改善粉末的壓制性能，提高壓坯強度和密度，并易于脫模；但用量不當，也會引起不良后果。 (二)金屬結(jié)合劑金剛石工具用料計算 1.合金理論密度的計算 由多種金屬組元構(gòu)成的結(jié)合劑，經(jīng)過燒結(jié)后就成為合金。合金的理論密度就是結(jié)合劑的理論密度，可按下式計算： 式中：ρ理論——合金的理論密度； ρi——各組元的密度； g——合金的質(zhì)量，且g=g1+g2+…+gn； gi——各組元的質(zhì)量。 如果已知合金組分的百分數(shù)，則上式可以改寫成 式中：g1，g2，…，gn——結(jié)合劑配方中各組元所占的百分數(shù)。 實際上，結(jié)合劑很難燒結(jié)至理論密度，通常也沒有必要打到那么致密的程度。因此上述理論密度只供參考。 2.金屬結(jié)合劑金剛石工具用料計算 （1）金剛石的用量 每個工具的金剛石用量，可按下面公式計算： 由于 所以 式中：gd——金剛石重量（g）； ρ——單位體積中含有金剛石的質(zhì)量（g/cm3）； k——金剛石濃度（%）； v——金剛石層的體積（cm3）. 如果金剛石質(zhì)量以克拉為單位，那么 則 （2）結(jié)合劑的用量 結(jié)合劑的用量根據(jù)不同的已知條件，可采用不同的計算方式。 a.由結(jié)合劑體積計算結(jié)合劑質(zhì)量 金剛石工作層體積v減去金剛石所占體積vd，其余部分就是結(jié)合劑所占體積vb，即 vb=v-vd 因此可以用下式計算結(jié)合劑質(zhì)量gb： gb=ρ理論vb=ρ理論（v-vd） 由于 vd=cv 故有 gb=ρ理論（v-cv）=ρ理論（1-c）v 式中：ρ理論——結(jié)合劑理論密度（g/cm3）； c——金剛石所占體積（%）。 體積百分數(shù)c與濃度百分數(shù)的關(guān)系表示為： c=0.25k b.由金剛石質(zhì)量計算結(jié)合劑質(zhì)量 如果金剛石質(zhì)量已知，則結(jié)合劑質(zhì)量gb可由金剛石工具工作層質(zhì)量g前去其中金剛石質(zhì)量gd而得到，即 gb=g-gd 將gd公式代入，得 gb=g-0.88kv或gb=g-4.4kv 以g=ρ理論v及gd=ρv代入式（gb），則有 gb=ρ理論v-ρv=（ρ理論-ρ）v （三）金屬結(jié)合劑金剛石工具的熱壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié)是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時使粉末加熱到正常的燒結(jié)溫度或更低一些，經(jīng)過較短時間燒結(jié)得到致密而均勻的制品。熱壓燒結(jié)可將壓制和燒結(jié)兩個工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結(jié)所達不到的密度，從這個意義上說，熱壓也是一種活化燒結(jié)。 熱壓燒結(jié)是粉末冶金發(fā)展和應(yīng)用較早的一種熱成型技術(shù)。其Zui大的優(yōu)點就是可以大大的降低成形壓力和縮短燒結(jié)時間，另外還可以制得密度極高和晶粒極細的材料。熱壓是一種強制的燒結(jié)過程，所以對粉末間的潤濕性要求不是很高，并且在熱壓過程中，粉末塑性變形很大，使表面的氧化膜破碎，接觸面積增大，進一步促進燒結(jié)。 熱壓燒結(jié)時胎體的致密化過程可分為三個基本階段： 1．速致密化階段，又稱微流動階段，致密化速度較大。表現(xiàn)為顆粒發(fā)生相對滑動，破碎和塑性變形，致密化速度主要取決于粉末的粒度、形狀和材料的斷裂和屈服強度； 2．致密化減速階段，以塑性流動為主要機構(gòu)，類似燒結(jié)后期的閉孔收縮階段，空隙的對數(shù)與時間呈線性關(guān)系； 3．趨于密度階段，主要以擴散機制使胎體致密化，其速度主要取決于擴散系數(shù)和濃度梯度，而擴散系數(shù)隨溫度的增加而增加。 熱壓燒結(jié)加熱的方式分為電阻直熱式、電阻間熱式和感應(yīng)加熱式三種。在電阻燒結(jié)過程中，金剛石不導(dǎo)電，不能產(chǎn)生焦耳熱。要靠金屬粉末傳遞的熱來使金剛石升溫，一般在電阻熱壓燒結(jié)中，金剛石溫度的升高，要滯后于金屬粉末。由于電阻燒結(jié)是內(nèi)熱式燒結(jié)，粉末自行發(fā)熱一般不需要均溫時間，這一點和中頻熱壓燒結(jié)不同，中頻熱壓因中頻有較強的趨膚效應(yīng)，石墨模具溫度—開始就高于金屬粉末溫度，測溫位置反應(yīng)的溫度與實際粉末溫度差異較大。所以在金剛石工具制造中電阻燒結(jié)是值得推薦的燒結(jié)工藝。 熱壓燒結(jié)工藝： 1.工藝步驟 2.工藝參數(shù)的選擇 （1）壓力選擇 節(jié)塊熱壓單位壓力一般為20~30mpa。當模具尚未通電加熱時，先置于熱壓機初始壓力下，初始壓力一般為熱壓壓力的1/3左右，開始加熱后將壓力逐步升高至熱壓壓力。當保溫保壓完畢，開始降溫時，將壓力下調(diào)至熱壓壓力的1/3左右。 （2）燒結(jié)溫度的選擇 在空氣中煅燒金剛石實驗表明，800℃開始減重，晶體色澤變化，900℃是質(zhì)量明顯下降，變得疏松易碎，至1000℃完全燃燒，發(fā)出耀眼的光而上下灰燼。所以金屬結(jié)合劑金剛石工具的熱壓燒結(jié)溫度不能高于900℃，一般為結(jié)合劑熔點的70%~80%。保溫時間根據(jù)節(jié)塊大小以燒透為原則，一般為5~10min。 （四）配方試驗項目及試驗程序 試驗工作是配方設(shè)計工作中的一個組成部分。在磨具配方設(shè)計中，無論是各種原材料品種和用量的選定，還是磨具組織、氣孔率、成型密度的確定，只根據(jù)一般原則進行定性的分析，顯然是遠遠不夠的，還必須通過各種試驗，測定有關(guān)的數(shù)據(jù)，進行定量的評估，才能得到設(shè)計方案。 1.試驗項目 需要試驗測定的項目，包括原材料、磨具產(chǎn)品的性能參數(shù)和制造工藝參數(shù)。性能參數(shù)包括理化性能、力學(xué)性能、使用性能等多種參數(shù)。 a.原材料測試項目 金剛石、金屬粉末、石墨等原料，一般情況下，只要符合技術(shù)條件的規(guī)定，不需要全面測定各項質(zhì)量指標。在某些情況下，對于原料質(zhì)量有疑問，或者有某些特殊要求，這時必須檢測有關(guān)的質(zhì)量指標。 b.結(jié)合劑測試項目 在配方試驗中需要對結(jié)合劑進行測試的項目是比較多的。配混好的結(jié)合劑成型料，一般需要測定其松裝密度、流動性、壓實性(成型密度)等。 對燒結(jié)好的結(jié)合劑坯體，通常需要測定其抗拉強度、抗彎強度、韌性(延伸率)、硬度，有時還需要測定耐熱性、耐蝕性等。同時，還需要測定相應(yīng)的燒結(jié)工藝參數(shù)，包括燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、保溫保壓時間等。 2. 磨具產(chǎn)品測試項目 需要測定的磨具產(chǎn)品的使用性能，主要有磨耗比(或磨削比)、磨削效率和被加工的工件質(zhì)量(尺寸和形位公差、表面粗糙度等)。有時還需要測定磨削力和磨削熱(磨削溫度)，考察磨削噪音和堵塞情況，來幫助分析影響磨削比、效率和加工質(zhì)量的原因，進一步改進配方。磨具的上述各項性能，一般都是通過磨削試驗測定的，磨削試驗是磨具性能Zui終的、Zui實際的綜合性試驗 試驗程序 配方設(shè)計中的試驗工作，一般程序是： 在全面分析各種原料性能和作用的基礎(chǔ)上，根據(jù)磨具使用要求，選擇結(jié)合劑成分及配比（一般要設(shè)計若干種配比，以供優(yōu)選），經(jīng)過燒結(jié)而制成試樣。同時要測定其制造工藝參數(shù)。 測定結(jié)合劑試樣的強度、硬度等各項性能，優(yōu)選出性能良好的結(jié)合劑（一種或兩種）。 利用選出的結(jié)合劑，按照設(shè)想的配方，試制成磨具。進行磨削試驗或單項試驗，測定磨具的各項性能，從而優(yōu)選出配方。