（材料加工工程专业论文）烧结温度对cu基合金胎体性能的影响.pdf

b y d o n g h o n g f e n g ；f | i i ii t ri ii i ir i l lp i lli ii y 18 9 7 6 0 5 p r o p e r t i e so f c u b a s e d b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u y a n g a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另, j j j i l 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：劫硝 日期：年f 月? 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。+ 伽一_ b 彩均 磊1 ：j 募 誓嘉蓁耄i 妥参孑三晒导师签名：，弓纱沙伽 日期：y - o 年r 月；o 日 日期：9 t1 年月1 日 硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 胎体材料1 1 1 1 金刚石工具1 l - 1 2 金刚石工具胎体1 1 1 3 金属胎体对金刚石的把持能力2 1 1 4 金属胎体的组成和作用3 1 2 金属胎体材料的研究进展4 1 2 1 常见金属胎体粉末4 1 2 2 新型预合金胎体粉末6 1 3 粉末冶金技术概述7 1 3 1 粉末冶金的定义7 1 3 2 粉末冶金技术的发展7 1 4 粉末冶金技术的方法及其优缺点8 1 4 1 粉末冶金工艺8 1 4 2 烧结工艺8 1 4 3 粉末冶金工艺的优缺点1 0 1 5 选题意义和研究内容1 0 1 5 1 选题的意义1 0 1 5 2 研究内容1 l 第二章铜基合金胎体试样的制备和试验方法1 3 2 1 粉末及其性能1 3 2 2 金属粉末的选取和制样1 3 2 2 1 胎体的化学成分1 3 2 2 2 铜基胎体中各合金元素在胎体中的行为1 4 2 2 3 实验方案和试样制备1 5 2 2 4 实验工艺过程1 6 2 3 主要实验内容17 2 3 1 致密度的测量1 7 2 3 2 力学性能测试1 8 2 3 3 金相显微组织观察1 8 3 1 实验结果2 0 3 1 1 致密度2 0 3 1 2c u 基胎体显微组织2 0 3 1 3c u 基合金胎体的物相分析2 1 3 1 4 微区分析2 3 3 2 分析与讨论2 8 3 2 1 烧结温度对c u - s n 合金胎体显微组织的影响2 8 3 2 2 烧结温度对c u c o 基合金胎体显微组织的影响3 l 3 2 3 烧结温度对c u f e 基合金胎体显微组织的影响3 3 3 3 本章小结3 3 第四章烧结温度对铜基胎体力学性能的影响3 5 4 1 实验结果3 5 4 1 1 硬度3 5 4 1 2 抗拉强度3 5 4 1 3 屈服强度3 6 4 2 分析与讨论3 6 4 2 1 烧结温度对c u s n 合金胎体力学性能的影响3 6 4 2 2 烧结温度对c u - c o 基合金胎体力学性能的影响3 7 4 2 3 烧结温度对c u - f e 基合金胎体力学性能的影响3 7 4 3 本章小结3 8 结论3 9 展望4 0 参考文献4 1 致谢4 4 附录a 攻读硕士期间所发表的论文4 5 硕士学位论文 曼曼苎曼量量曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇量曼曼量曼皇曼笪曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼毫曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼量曼皇曼曼量曼i i-q：! 摘要 本实验采用热压烧结工艺分别在不同温度下制备c u s n ，c u c o 基和c u f c 基 合金胎体，通过工艺优化来改善c u 基合金胎体的性能，进而提高c u 基胎体金刚石 复合材料的性能。实验中使用x r d ( x 射线衍射仪) 、e p m a ( 电子探针显微镜) 、 w d s ( 波普仪) 、光学显微镜o p 、布氏硬度仪、冲击试验机和万能力学实验仪等 设备分别对热压烧结合金胎体的相分布、显微组织、硬度、抗拉强度和压缩屈服 强度进行分析测试，从而探讨了烧结温度对三种胎体各性能的影响。结果表明： 1 c u s n 合金胎体组织主要由纯铜相和c u s n 二元固溶体组成，c u s n 固溶体 呈枝晶状分布；随着温度的升高，枝晶尺寸变大，且过渡区域面积增大，枝晶排 列方向垂直于热压压制方向；从枝晶中心到纯铜相，s n 元素和c u 元素存在浓度 梯度。 2 c u c o 基合金胎体组织主要由灰色钴预合金颗粒相、c u s n 二元固溶体枝晶 相、灰色富铜相及颗粒与基体界面组成；随着烧结温度的升高，枝晶相增多，碳 元素发生扩散，基体对钴颗粒的包镶力增大，钴颗粒的排布更加均匀。 3 c u f e 基合金胎体组织主要由颗粒相、深灰色弥散富铁相、黑色金属氧化物 相和白色c u n i s n 三元固溶体相组成；随着烧结温度的升高，铁相更加细小且弥 散分布，分布方向与热压压制方向垂直。 4 c u 基合金胎体的力学性能均随着烧结温度升高而增强，三种胎体材料中 c u c o 基合金胎体力学性能最优。 关键词：粉末冶金；热压烧结；c u 基合金；力学性能；显微组织 c u - b a s e da l l o ym a t r i xi s i m p r o v e db yap r o c e s so p t i m i z a t i o nm e t h o d sf u r t h e r i m p r o v e d t h e p e r f o r m a n c e s o fc u - b a s e dm a t r i xd i a m o n dc o m p o s i t e s t h e p h a s e d i s t r i b u t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，y i e l ds t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i v ey i e l ds t r u c t u r e a r et e s t e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e l e c t r o np r o b em i c r o - a n a l y s i s ( e p m a ) ，w i v e d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( w d s ) ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，b r i n e l lh a r d n e s st e s t e r ，i m p a c t t e s t e ra n du n i v e r s a lm e c h a n i c a lt e s t i n gi n s t r u m e n t i no r d e rt od i s c u s s e de f f e c t so f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e so nt h ep e r f o r m a n c e so ft h r e ek i n d so fa l l o ym a t r i x t h er e s u l t s s h o w e da sf o l l o w s ： 1 c u s na l l o ym a t r i xi sc o m p o s e db yp u r ec o p p e rp h a s ea n dc u - s nb i n a r ys o l i d s o l u t i o n ，a n d t h ec u s ns o l i ds o l u t i o ni st a k e d b y t h e s h a p e o fd e n d r i t e d i s t r i b u t i o n f u r t h e r m o r e ，t h eh i g h e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h el a r g e rs i z eo fd e n d r i t e a n dl a r g e rf i e l do ft r a n s i t i o nz o n e ，d e n d r i t eo r i e n t a t i o np e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o n o fh o tp r e s s i n g s na n dc ue x i s te l e m e n tc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n tf r o mt h ec e n t e ro f d e n d r i t et ot h ec o p p e rp h a s e 2 c u c o b a s e da l l o ym a t r i xi sc o m p o s e db yg r a yp r e a l l o y e dp a r t i c l e s ，c u - s n b i n a r ys o l i ds o l u t i o n ，c o p p e r - r i s hp h a s ea n di n t e r f a c eb e t w e e np a r t i c l e sa n dm a t r i x t h eh i g h e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h em o r ed e n d r i t ep h a s e ，i na d d i t i o n ，t h ed i f f u s i o no f c a r b o no c c u r s t h eh o l d i n gf o r c ef o r mm a t r i xt op a r t i c l e sb e c o m e sl a r g e ra n dt h e d i f f u s i o no fp a r t i c l e sb e c o m e sm o r eu n i f o r m 3 c u - c o b a s e da l l o ym a t r i xi sc o m p o s e db yp a r t i c l ep h a s e ，d e e pg r a yd i s p e r s i o n i r o n - r i s hp h a s e ，m e t a lo x i d ea n dc u n i - s nt e r n a r ys o l i ds o l u t i o n t h eh i g h e rs i n t e r i n g t e m p e r a t u r e ，t h em o r er e f i n e ds i z eo fi r o np h a s ea n db e t t e rd i s p e r s e dd i s t r i b u t i o n o r i e n t a t i o ni sp e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no fh o tp r e s s i n g 4 a st h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u b a s e d a l l o ym a t r i xe n h a n c e d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u c o b a s e da l l o ym a t r i xi st h e b e s ti nt h i st h r e ek i n do fm a t r i x k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ；p r e s s u r es i n t e r i n gp r o c e s s ；c u - b a s e da l l o y ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i c r o s t r u c t u r e 殊的仪器构件和机器构件) 两大类。按照结合剂的不同，金刚石工具分为以下几 类：金属结合剂金刚石工具、陶瓷结合剂金刚石工具、电镀结合剂金刚石工具、 树脂结合剂金刚石工具等。 ( 2 ) 金属结合剂金刚石工具 金属结合剂金刚石工具是以金刚石为切磨材料，以金属粉末为结合剂，利用 粉末冶金工艺，经过成型、烧结、后续热处理以及必要的加工而成的制品。金属 结合剂金刚石工具是各类金刚石制品中出现最早的一类，也是目前品种最多、用 量最大、用途最广的一类。 1 1 2 金刚石工具胎体 在金刚石工具中，胎体的作用是用来固结切削元件一金刚石，下图为金刚石 工具切削示意图( 图1 3 ) 和金刚石受力情况图( 图1 4 ) 图1 3 金刚石工具切削示意图 图1 4 金刚石受力示意图 烧结温度对c u 摹合金胎体性能的影响 如图1 4 所示，f 。和f 。均为加工工件对金刚石的冲击力，f l 、f 4 均为 胎体对金刚石的把持力n ，h l 为金刚石左侧出刃高度，h 2 为右侧出刃高度。 胎体又称为粘结剂，粘结剂包括金属粘结剂、陶瓷粘结剂、树脂粘结剂等， 其中金属粘结剂包括电沉积金属和合金、烧结金属和合金粉末( 有时含有少量的 非金属粉末) 制成的合金。金刚石工具中胎体的作用主要有两个：一是“包镶” 金刚石，二是具有与加工对象相匹配的耐磨性以及和金刚石磨损匹配性。金刚石 制品的质量在很大程度上取决于其胎体的性能，而胎体的性能主要取决于胎体的 材料和相应的加工工艺。总体而言金刚石工具对胎体性能的基本要求主要以下几 点：( 1 ) 与金刚石膨胀系数的差异越小越好，可以减少因金刚石和胎体材料之间的 缝隙，增强胎体和金刚石的粘结力；( 2 ) 对金刚石由良好的润湿性( 接触角小) ，对 金刚石较大的附着功和小的润湿角使得胎体与金刚石之间界面易产生，结合更加 牢固；( 3 ) 合适的力学性能，用作切削工具，胎体材料要沙而不粘，使用时不发生 塑性变形；用作振动工具，要满足耐磨性和韧性；锯切工具要有合适的磨损性等； ( 4 ) 与被加工材料的耐磨匹配性，如果匹配性不好通常会出现一些不利情况，一是 胎体耐磨性过高，金刚石颗粒不容易外露，加工效率低下甚至不能加工；二是胎 体耐磨性过低，工具使用寿命下降；( 5 ) 最后，在保证胎体质量的前提下，烧结温 度尽量低，因为如果烧结温度过高，就会形成高温低压状态使得金刚石力学性能 受到破坏甚至石墨化。 1 1 3 金属胎体对金刚石的把持能力 金属结合剂对磨料的把持力主要来源于胎体对磨料的机械镶嵌力以及胎体和 磨料间的化学结合力两方面。其中机械镶嵌力的大小取决于胎体材料的强度和硬 度以及胎体的孔隙率，其相对于化学结合力要弱许多。 如何提高金属结合剂对金刚石磨料的把持能力，亦即如何在金属结合剂与金 刚石磨料间形成化学结合，是金属结合剂金刚石磨料工具制造工艺研究中的关键 技术和难点之一，受到了广泛的关注。虽然金刚石磨料难以与一般金属形成化学 结合，但它们与一些活性金属在高温的特定条件下发生化学反应，生成相应的碳 化物h 1 。通过活性元素的作用，改善金属结合剂的强度与润湿性，使金刚石磨料 与金属结合剂间形成化学结合，是当前提高金属结合剂对金刚石磨料把持能力的 主要思路和途径。 在传统的多层金属结合剂金刚石烧结工具的制造中，主要采取两类工艺措施 来实现磨料把持能力的增强。一是直接在烧结原料中添加活性的t i 砸1 、c r 一1 、稀 土n 0 1 元素等，二是通过金刚石表面金属化1 ，在磨料表面镀上t i 、c r 等活性金 属或它们的合金镀层n 1 ，通过它们在高温烧结过程中与金刚石磨料和金属结合 剂的反应与扩撤，达到在磨料和金属结合剂间形成化学结合，提高金属结合剂对 磨料的把持能力。 2 硕士学位论文 虽然，研究者采用了不同的金属胎体配方，所测得的试验数据有所差异，但 这些工艺措施可提高胎体对磨料的把持能力获得了肯定。例如，吴贻琨n 5 1 在c o 基胎体中加入c r 或t i ，可使空白胎体的抗弯强度分别提到3 5 和2 0 ，加入金 刚石后，其抗弯强度的下降由原来不加这些元素的2 8 分别减少到l o 和1 3 。 臧建兵n 们利用镀t i 金刚石烧结的工具在磨削试验中不出现金刚石的整粒脱落现 象，而同等条件下金刚石未镀附的烧结工具在磨削试验中金刚石脱落现象严重， 其脱落率在6 0 以上。 在其增强机理研究中，多数研究者通过多种微观分析方法，观察到活性元 素在金刚石周围微区富集，同时x 射线衍射的物相分析也探测到了活性元素形成 的碳化物的存在。据此推断这些活性元素与金刚石发生化学反应，生成碳化物， 通过这些碳化物作为过渡层，改善金属结合剂对金刚石磨料的润湿，同时使金刚 石磨料与金属胎体形成化学结合。此虽为目前比较普遍一致的观点，但仅是一种 推断，未真正观察到金刚石表面的碳化物过渡层及其结构形态，因此推断的有效 性仍需探讨。 1 1 4 金属胎体的组成和作用 金属胎体主要由粘结金属材料、填充金属材料、骨架材料、碳化物形成元素 以及一些起特殊作用的元素。每种成分都有其各自特殊的作用，先举例如下： ( 1 ) 粘结金属材料 对金刚石由很好润湿性能的金属材料称为粘结金属材料，主要由c o 、c r 、 n i 、t i 等，粘结金属材料主要用于牢固把持金刚石； ( 2 ) 填充金属材料 c u 、s n 、a i 等金属具有很好的受热变形和易加工性并且熔点较低，在烧结过 程中易于填充粉末颗粒间的空隙，使胎体致密。 ( 3 ) 骨架材料 骨架材料一般是具有高熔点、高硬度的粉末材料，如w c 、w 2 c 、t i c 等，也 有用难熔金属w 和m o 代替w c 使用。骨架材料加入的主要目的就是提高胎体的 硬度和耐磨性；另外，也可以使胎体起到提高韧性的作用。比如向胎体合金中添 加少量的t a c 、n b c ，能阻碍碳化物相的再结晶，细化合金晶粒，提高合金的硬 度和抗弯强度等性能；骨架材料的粒度也会对工具性能有较大的影响，比如研究 表明，添加细粒度的w c 对胎体内的位错运动有着“钉扎一作用，从而提高胎体 的强度和硬度n 引。 “) 碳化物形成元素 具有共价键的金刚石和多数金属之间有着很高的界面能，一般金属和金刚石 之间不发生界面反应，以机械镶嵌为主，胎体对金刚石没有足够的把持力。而向 胎体加入一些碳化物形成元素，则可以改善胎体和金刚石的界面结合状态，提高 3 烧结温度对c u 基合金胎体性能的影响 胎体对金刚石的把持力，目前，胎体中添加的碳化物形成元素主要包括t i 、c r 、 v 、w 、z r 及其合金等。m o r t i m e r 研究发现，当c r 、v 的含量超过o 1 a t 或t i 的含量超过1 0 a t 时，c r 、v 或t i 的二元合金都能润湿并粘结金刚石，形成的碳 化物层厚度随添加元素的浓度和反应时间的增加而变厚n 卜制。那么，碳化物形成 元素在结合剂中的作用是什么呢? 一般认为，在低熔点的金属中加入少量的强碳 化物形成元素，在适当温度下其与金刚石发生反应：c + m e m e c ，在金刚石表面 形成一层十分稳定的界面反应层，从而提高胎体对金刚石的粘结强度口。 ( 5 ) 特殊作用元素 有些元素如c e 、l a 、s i 、b 、石墨等加入到胎体合金中可在不同程度上提高 胎体的性能，主要由以下方面： i 稀土元素 金属基金刚石工具结合剂中添加少量稀土元素可以细化胎体晶粒、净化金刚 石与胎体界面，从而改善结合剂与金刚石的结合状态。研究发现，在铜基胎体中 加入稀土元素l a 、c e 可以提高金刚石和胎体的结合力、胎体的机械性能、金刚 石的出韧高度以及改善金刚石工具的自锐性等作用，且对工具耐磨性影响不大 乜幻。稀土元素在金属胎体中作用机理可归纳如下：稀土元素可以与胎体中的氧、 硫、氮等杂质反应，抑制偏析，从而净化胎体材料与金刚石界面乜3 。2 们，促进胎体 中碳化物形成元素与金刚石之间的反应，改善金属胎体和金刚石的结合状况口 ； 稀土元素可以细化晶粒，提高胎体的力学性能等；稀土元素可在烧结过程中还原 金属表面化合物，降低氧化膜对原子扩散的障碍，促进烧结过程，起到活化烧结 和类似预氧化的作用。 i i 非金属添加元素 微量非金属元素s i 、b 、p 、玻璃粉等的加入，可以改善胎体材料的性能。s i 有较强的脱氧能力以及与金刚石的膨胀系数接近，冷热变化时体积效应小；b 可 提高胎体耐磨性、减少胎体变形，提高胎体对金刚石结合强度等；在铜基胎体 中加入适量的p 和s i 均能降低c u 合金的熔点，使铜合金能在较低的温度下浸润 金刚石；在铜基胎体中添加石墨粉和玻璃粉，可有效降低胎体材料的耐磨损性能， 提高金刚石工具切削速度以及金刚石出刃高度。当石墨粉添加量为3 w t 时，胎 体的综合性能最好乜们。 1 2 金属胎体材料的研究进展 1 2 1 常见金属胎体粉末 表1 1 是金属基金刚石工具常用胎体合金类型 4 c o 基 c o - n i ，c o n i - f e ，c o n i - f e - a g ，c o n i - f e a g - c u s n f e 基 f e c ，f e n i ，f e c o - n i ，f e - n i - c r ，f e - n i c u ，f e n i a g ，f e n i p b s b c o c 基c o 系+ c u 系，如c o n i f e c u s n f e - c 基 f e 系+ c u 系，如f e n i - a g c u s n w c w 基将w c w 加入c u 系、c o 系或f e 系中而构成，如w c w c o f e n i 根据金属基胎体中主要成分的不同，可分为铜、铁、镍和钴基几大类，简单 介绍如下： ( 1 ) 铜基胎体 在金属胎体金刚石工具中，铜是应用最多的元素，这是因为它具有较低的熔 点致使烧结温度低，有令人满意的可烧结成型性以及与其他胎体金属良好的相容 性。常将c u 与s n 、z n 、p b 等低熔点金属，熔炼成低熔点的6 - 6 3 青铜粉，c u s n t i 等合金使用，常常在青铜基粉中加入适量的n i 、m n 、c o 、f e 、t i 、c r 、w 等元 素进行合金化，以期获得尽可能好的综合性能。青铜基粘结剂多用于金刚石砂轮， 磨块等；白铜基粘结剂主要指c u n i 基合金，主要包括c u n i m n 和c u n i z n 合金， 白铜基合金多用于石油钻头和地址钻头，使用时常加入适量的c o 、c r 、s n 、f e 、 w 、w c 等进行改性处理；黄铜是c u z n 合金，黄铜基胎体的烧结温度不高，热压 成形性好，常用作锯片刀头。 ( 2 ) 钴基胎体 钴基胎体应用比较普遍，这是因为钴基胎体的综合性能最好：如好的成形性 和可烧结性；对金刚石把持力大，润湿性好；良好的高温硬性，合金不粘，韧性 好等，但是钻属于战略稀缺资源，价格居高不下，因此使用受到很大限制。开发 使用无钴或低钴配方，一直是近年来金刚石工具发展的趋势之一。 ( 3 ) 铁基胎体 由于钴的价格昂贵，已经尝试研究在金刚石工具中代钴基的胎体粉末。由于 铁与钴的电子层数和最外层电子数均相同，在元素周期表中的位置相邻，他们的 化学性质和物理性质很相近，因此由铁代钻成为可能。铁基胎体有诸多优点：较 高的力学性能，如硬度、抗弯强度；与钴相比，对金刚石有良好的润湿性；泊松 比比钻粉大，可烧结性好；成本低廉，约为钻粉的1 4 0 以下；对骨架材料润湿性 好。 5 烧结温度对c u 基合金胎体性能的影响 ( 4 ) 钨基( 碳化钨基) 胎体 在国内用碳化钨或钨做胎体并不多见，在常用的金刚石钻头胎体中，大多数 钨和碳化钨占4 0 左右，他们是以骨架材料形式加入的，结合金属是铜，铜合金 以及其他金属元素；钨与碳化钨与金刚石有很好的相容性，铜合金及n i 、m n 、 s n 、f e 等，对钨和碳化钨也有很好的形容性，这样不仅增强了胎体的性能，并且 提高了胎体对金刚石的包镶力，从而延长工具寿命。 1 2 2 新型预合金胎体粉末 为获得性能优良的金刚石工具，在胎体中加入的金属粉末种类越来越多，成 分越来越复杂。目前国内的金刚石工具中，大多是以单质混合粉末形式加入，采 用机械混合后压制、烧结的工艺过程。其优点是组分和性能可调范围大，但是使 用单质粉末影响因素较多，如不同粉末之间的粒度、密度、颗粒形状差异及混料 工艺的差异，会造成胎体原料粉末混合不够均匀。特别是粉末元素的熔点差异较 大，如s n 、c u 和w c 等，热压烧结时低熔点金属流失严重，使得胎体的烧结质 量不易控制。预合金粉末就是针对机械混合胎体粉末的缺点提出的，预合金粉末 是由两种或两种以上元素组成的，在粉末制造过程中发生合金化，并且所有的颗 粒保持与标称含量一致组分的金属粉末，实验表明，预合金粉末相对于机械混合 粉末具有组织均匀、熔点低、易烧结、对金刚石有良好润湿性和粘结性等优点 3 0 - 3 2 国外预合金粉末发展情况： ( 1 ) u m i c o r e 公司c o b a l i t e 系列预合金粉末 ic o b a l i t eh d r ( f e 6 6 ，c 0 2 7 ，c u 7 ) 是一种快速切割状态下对金刚石 具有极好把持力的高硬度、高韧性、高耐磨性的铁基粘结剂，主要用于建筑工程 行业方面； i ic o b a l i t ec n f 采用无c o 、n i 的预合金粉，可以在6 7 5 温度下烧结，并且 具有较高硬度和优异的无压烧结性能。 ( 2 ) d r f r i t s c h 公司预合金粉末 d i a b a s e v 2 1 ( 主要成分f e ，c u ，c o ，s n ) ，它比d i a b a s e v 1 8 ( 主要成分f e ， c u ) 具有更高的延展性，且冲击强度提高了近一倍，主要用来切割和钻切花岗岩 及混凝土工具的胎体材料。 ( 3 ) e u r o t u n g s t e n e 公司n e x t 预合金粉末 自1 9 9 7 年e u r o t u n g s t e n e 公司开发出n e x t 预合金粉末以来，该公司不断拓 宽预合金粉末范围，相继推出n e x t l 0 0 、n e x t 2 0 0 、n e x t 3 0 0 、n e x t 9 0 0 。n e x t 系列是金刚石工具用代钴亚微米级预合金粉末，不仅烧结温度和成本更低，而且 通过增强金刚石把持力提高了工具寿命。 国内的预合金粉末发展情况： 国内预合金粉末的研究比较滞后，处于起步阶段，无论是在粉末成分还是制 6 硕士学位论文 曼曼曼曼寰皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量皇曼曼曼曼皇曼曼曼蔓i i 皇皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼皇曼皇皇曼! 鼍曼置曼舅量舅量量曼曼量曼曼量曼曼舅曼寰 粉工艺都发展较晚，但是近些年来也有一定的进展，越来越多的专家学者对这方 面进行了深入的研究。如：北京有色研究总院的宋月清等人研究出了t t l 5 预合 金粉末1 。t t l 5 预合金粉末是以f e c u n i 为基并添加适量的其他特性元素雾化 而成的。其特点是熔点低、烧结性能好，对金刚石的粘结性能高等，适宜于制造 金刚石切割工具。研究称，在8 5 0 1 5 m p 3 m i n 热压工艺条件下，t t l 5 颗粒可与 金刚石发生界面反应，在与金刚石颗粒接触表面形成反应圆斑，其反应斑深度约 为1 2 p m ，这种反应对金刚石的强度损害很小，可大大提高对金刚石的粘结能 力。同时也有其他学者对预合金胎体粉末进行了一些研究，如长沙矿冶研究院的 朱永伟等人口朝研究了部分预合金对金刚石锯片胎体烧结过程的影响情况。并且， 早在上世纪8 0 年代中南大学就开始了预合金粉用于制作地质钻头胎体的研究，并 取得了满意的使用效果。 1 3 粉末冶金技术概述 1 3 1 粉末冶金的定义 粉末冶金是用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经 过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金 法与生产陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。 1 3 2 粉末冶金技术的发展 粉末冶金是一项新兴技术，但也是一项古老技术，根据考古学资料，远在纪 元前3 0 0 0 年左右，埃及人就在一种风箱中用碳还原氧化铁得到海绵铁，经高温锻 造制成致密块，再捶打成铁的器件。3 世纪时，印度的铁匠用这种方法制造了“德 里柱 ，重达6 5 t 。1 9 世纪初，相继在俄罗斯和英国出现了将铂粉经冷压、烧结， 在进行热锻得致密铂，并加工成铂制品的工艺。1 9 世纪5 0 年代出现了铂熔炼法 后，这种粉末冶金工艺便停止应用，但它对现代粉末冶金工艺打下了良好的基础。 直到1 9 0 9 年库利奇( w d c o o l i d g e ) 的电灯钨丝问世后，粉末冶金才得 到了迅速的发展。主要经历了三个阶段， 第一阶段：采用粉末冶金技术，能够生产出用熔铸方法等其他技术无法制得 的各类材料和制品。即粉末冶金是唯一可以制取这些材料和制品的技术方法，如 由钨矿石制取纯钨粉、钨粉成形为棒条，通过烧结、锤锻和拉丝，奠定了现代粉 末冶金一个相当完整的工艺技术过程。白炽灯钨丝作为电光源的新材料，给人类 长夜带来了光明，是一个划时代的进步。随后许多难熔金属材料钨、钼、钽、铌 等无不都是以粉末冶金为惟一的工艺方法，使粉末冶金这一传统的古老技术获得 了新生，并且在2 0 世纪2 0 年代，这一独特的工艺技术成功地制造了硬质合金。 用粉末冶金工艺制作的硬质合金刀具，比工具钢制作的切削刀具，切削速度和刀 具寿命等提高了数倍甚至数十倍，也使一些难加工的材料可以进行加工。 7 烧结温度对c u 基合金胎体性能的影啊 第二阶段：在2 0 世纪二三十年代，用粉末冶金工艺成功制得多孔含油轴承。 首先是青铜基含油轴承，不久又采用廉价铁粉制成铁基含油轴承，并且很快在汽 车工业、纺织工业等领域广泛应用。随后随着铁粉质量不断提高，成形和烧结技 术不断完善，进一步开发出高密度、高强度、形状复杂、精度又高的各类粉末冶 金结构零件，使粉末冶金技术成为高效节能、节材、无切削和少切削的新型加工 工艺，成为整个粉末冶金技术领域中产量最大、应用面最广的一个产业部门。 第三阶段：2 0 世纪五六十年代以后，粉末冶金技术被化工、冶金、材料、机 械等学科的科技工作者和生产企业关注和重视，学科之间互相渗透，开发出如粉 末高速钢、粉末超合金、金属陶瓷、弥散强化材料、纤维增强材料等新材料，以 及注射成形、粉末锻造、等静压制、温压技术等新工艺。随着现代技术经济对各 类新材料、新产品的需求，粉末冶金技术还将向更高水平、更广阔的领域拓展口1 。 1 4 粉末冶金技术的方法及其优缺点 1 4 1 粉末冶金工艺 下图是粉末冶金材料和制品的工艺流程( 图1 1 ) 图1 粉末冶金材科和镧品的工艺流程 1 4 2 烧结工艺 烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛中受热所发生的过程。烧结的 结果是粉末颗粒之间发生粘结。 下图为粉末烧结类型( 图1 2 ) 从工艺角度看，烧结可看成是一种热处理过程，即是将粉末或粉末压坯加热 到低于其中基本成分熔点的温度( 大约绝对熔点的一半温度) 之下保温，再以各 种方式和速度冷却至室温。在此过程中发生一系列的物理和化学变化，最后使得 8 硕士学位论文 粉末颗粒的聚集体变成晶粒的聚集体。从热力学观点看，粉末颗粒的烧结是系统 自由能降低的过程。 烧结过程分为以下几类( 按有无液相出现或液相出现多少) ( 1 ) 固相烧结 i 单元系烧结 图2 粉末烧结类型 纯金属或化合物( c u 、f e 、a 1 2 0 3 等) 在其熔点以下进行的固相烧结。 i i 多元系固相烧结 由两种或两种以上组元构成的烧结体系，在其中低熔点成分熔点温度以下进 行的固相烧结过程，如c u n i 、f e c 、a g w ( 假合金) 等。 ( 2 ) 液相烧结 i 烧结过程常存在液相的多元系液相烧结超过系统中低熔成分熔点温度进行 烧结，如c u s n 、a 1 f e 、w c c o 等。 i i 烧结后期液相消失的多元系液相烧结，如f e n i a 1 、c u p b 、c u c o 等。 ( 3 ) 活化烧结 i 气氛活化烧结( 向烧结气氛中添加活化剂，使得烧结过程循环发生氧化 还原反应) i i 物理活化烧结( 如电火花烧结) i i i 化学活化烧结( 如粉末表面预氧化以及添加活化元素等) 按照烧结的操作 方法，烧结可分为： ( 1 ) 真空烧结( 真空气氛) ( 2 ) 非真空烧结，其中包括： i 无压浸渍烧结 i i 热压烧结( 电火花烧结、电阻热压烧结、热等静压烧结等) i i i 冷压烧结( 先用高强模具采用单轴或两轴压力在较低温度下压制成坯体， 9 烧结温度对c u 基合会胎体性能的影响 然后加热烧结) 瞳1 。 1 4 3 粉末冶金工艺的优缺点 ( 1 ) 与传统熔炼法相比，粉末冶金方法生产的材料性能更加优越； i 高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末 超合金可以避免成分偏析，以保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，粉 末合金具有细晶粒组织： i i 难熔金属材料和制品的生产一般要使用粉末冶金法，由于粉末冶金加热温 度低于熔点，省能并且对设备要求不高，但是粉末冶金制品的晶粒粗，纯度低。 ( 2 ) 粉末冶金法可生产特殊性能的材料 i 可控制制品孔隙度，如多孔材料； i i 可生产复合材料，如硬质合金和金属陶瓷等； i i i 能利用金属和金属、金属和非金属的结合来生产各种特殊性能材料，例如， 钨铜假合金型触头材料等。 ( 3 ) 粉末冶金工艺的缺点 i 粉末成本高、粉末冶金制品的大小受到一定的限制； i i 烧结后的零件韧性较差； i i i 对于纯金属粉末，由于粉末越小表面能越高，所以在使用过程中很难避免 粉末氧化或脏化的问题，影响烧结制品的纯度和质量等等。 但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题在逐步解决中，比如，等静压 成型技术已经能压制较大和异性的制品；还有粉末冶金锻造技术提高了粉末制品 的韧性等等h 咱1 。 1 5 选题意义和研究内容 1 5 1 选题的意义 陶瓷材料、磁性材料( 铁氧体及各种磁头材料) 及其他材料，如水晶、玻璃、 石英、硬质合金等材料的切割，特别是大理石的开采、加工和抛光工磨具的成本 是制约其广泛使用的关键因素之一。采用小型化、精密化、省能化、无污染的新 型制备方法来制备少切削或无切削以及近净成型金属基金刚石复合材料的的近净 成型工磨具，特别是超薄工磨具材料成为近几年研究的热点聆钔。而铜基金刚石复 合材料又是近期发展起来的新型材料，它具有高强度、高导电率及良好的导热性， 且硬度高、耐磨性好，得到越来越广泛的应用口5 q 引，国内的中国科技大学、中国 矿业大学( 北京) 、大连理工大学、中南大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这 方面的研究h 0 1 。近些年，铜合金胎体的研究进展很快，主要在胎体化学成分研究、 添加合金化元素及一些特殊的稀土元素或非金属元素对铜基胎体性能的影响、粉 末冶金工艺的研究等，都取得了一定的进展，铜合金具有诸多优良性能并且价格 1 0 硕士学位论文 较低廉，使得铜合金胎体广泛应用于金刚石工具中。国外对铜基胎体也做了大量 研究：如巴西的a n d e r s o nd ep a u l ab a r b o s a ，g u e r o l ds e r g u e e v i t e hb o b r o v n i t c h i i 等 人采用3 5 0 m p a 冷压然后在1 1 5 0 。c 真空度为1 0 。2 m b a r 条件下保温1 5 分钟，通过 热压烧结法制备c u f e c o 基合金，金属粉末使用混合粉末，粒度分别为5 4 ，6 7 和3 0 p m ，研究在铜含量分别为1 5 、3 0 、4 5 和6 0 的情况下胎体的元素扩散， 相分布以及硬度和磨损性，结果表明：随着铜含量的增加，胎体组织更加致密且 硬度增大；硬度的增大由两个竞争机理影响，分别为：i 铜增加使硬质相f e c o 固溶体减少，以致胎体硬度降低；i i 随着铜含量的增加使气孔闭合或减少，胎体 更加致密，硬度增大。两种机制中，后者占优势地位，因此胎体硬度增大h 们。 西班牙的m d e lv i l l a r , p m u r o ，j m s i n c h e z 等人分别采用热压烧结、无压烧 结和烧结后热等静压三套工艺研究c u f e c o 基预合金粉末( n e x t l o o 和 n e x t 2 0 0 ) 作为胎体材料对金刚石工具成型性的影响。结果表明： in e x t 预合金粉末作为一种金属粘结剂显示了在集中工艺路线下良好的烧 结性能。通过热压或者烧结后热等静压处理后获得完全致密材料，所用温度低于 传统加工温度。 i i n e x t 合金的硬度依赖于给定制造工艺。在相同密度下，热压材料硬度高 于烧结加后续处理的材料。热压温度比烧结加后续处理更低以及大量的氧化物存 在使得晶粒细小，同时显微组织混杂。在无压烧结过程中使用还原气氛使得氧化 物完全消除。 i i i 由额外压力驱动的铜塑性流变被认为是热压条件下主导的致密化机制，明 了铜沿着垂直于压制方向定向排列。然而，处理后的材料显示更均匀的显微组织 说明高温下质量传输机制的作用。 i v 在工业条件下通过热压方法已成功生产出以n e x t 粉末为粘结剂的金刚石 工具。尽管数量限制，在相同切削条件下，对于切削花岗岩和大理石来看，与钴 基金刚石工具有相似的性能口5 1 。 以上的研究主要使用纯单元素混合粉末或纯预合金粉末为胎体制备铜基胎体 金刚石工具，并通过改进制备工艺提高金刚石工具性能，而对制备过程中胎体中 各元素间的冶金反应以及其对胎体力学性能影响研究鲜有报道。 1