稀土cu基金刚石工具材料的研制

稀土cu基金刚石工具材料的研制

0刀头结合剂配方钻石研磨机广泛应用于许多行业，如石材、玻璃等。金刚石圆锯片是石材加工业的重要工具,它主要由两部分组成,一是起切割作用的刀头;二是起载体作用的钢基体(通常为65Mn、45Mn2V)。刀头是决定锯片质量优劣的关键部分,因而大部分研究都集中在提高刀头的质量上。本文以刀头结合剂的配方作为实验研究的重点。金属胎体-金刚石复合材料中常用的胎体材料有铜基、钴基、铁基和陶瓷基等。金刚石铜基胎体的硬度较低;再者Cu与金刚石的润饰性较差,金刚石的脱落度较大,致使金刚石的利用率较低。由文献可知:稀土元素La、Ce加入到铜基合金胎体-金刚石复合材料中,可以降低铜基合金的熔点,具有脱氧作用,同时细化胎体晶粒,净化胎体合金界面,降低铜基液态合金对金刚石的润湿角,提高了金刚石与胎体之间的结合强度。前期研究对La-Ni预合金粉的作用机制和微观机理进行了深入探讨。本文以热压烧结金刚石工具(胎体)材料为主要研究对象,将稀土Ce(预合金粉)在硬质合金中的应用经验移植到金刚石工具(胎体)材料中来,成功的制出了稀土Cu基金刚石工具材料,经对其实际使用性能的测试,其抗弯强度、硬度、冲击韧性均有较大幅度提高、孔隙率则有了明显降低。1稀土ce预合金粉的制备稀土是氧化性极强的金属,获得单一的纯金属粉末作为实验室的实验是可行的,但是作为工业化生产显然是不可行的。所以,在粉末冶金过程中向胎体里添加稀土会遇到一定的困难。本试验利用研制出的一种新型稀土Ce预合金粉作为金刚石工具胎体的添加剂。根据参考文献对稀土Ce预合金粉的成分进行设计,并应用雾化法制备稀土Ce预合金粉。由于稀土Ce是极易氧化的金属,为了避免在熔炼温度下稀土Ce的氧化和烧损,稀土Ce预合金粉成分的熔点应尽可能的低。通过查阅所有的Ce-M相图,选用了Cu、Fe作为稀土Ce预合金粉的载体。该类合金的熔点可控制在1100～1300℃之间,因此合金配方,为Cu-Fe-Sn-5%Ce。预合金粉末的制取:高温的熔融合金液体,倒入漏钵之后,在喷射气体的负压抽吸下,不断地从底孔中漏下去。随着喷射气体的方向飞溅到喷射圆桶的四周,同时在喷射水流的作用下,落到圆桶的水中冷却。制粉流程如图1所示。喷粉是在很短的时间内喷成的,喷完后,放干圆筒中的水,取出粉末,放入干燥箱中,低于80℃的温度烘干,然后进行筛分。本研究制备了Cu-Fe-Sn-Ce预合金粉作为铜基胎体材料的添加剂。稀土Ce预合金粉的扫描电镜分析如图2所示。能谱物相分析如图3所示。由图3可以看出,稀土Ce预合金粉的形状基本为球形,粒径大约为5～15μm。由图3的能谱分析可以看出,球形颗粒中含有Ce。2添加预合金粉时金刚石与稀土的相互作用研究以预合金粉作为添加剂,根据胎体材料微量元素不同制成铜基胎体材料1和铜基胎体材料2,差别为铜基胎体材料1中添加了Cr,未添加Zn;铜基胎体材料2中添加了Zn,未添加Cr。2.1添加预合金粉对铜基胎体硬度的影响图4和5分别是稀土元素Ce对铜基胎体硬度的影响。结果表明:在铜基胎体材料1中添加预合金粉时,对于纯胎体材料(即未添加金刚石),随Ce含量的增加,其硬度呈下降的趋势;但对于铜基胎体材料+金刚石的试样,其硬度略有提高,尤其Ce含量为0.5%时,硬度可以达到最大值101.9HRB。在铜基胎体材料2中添加预合金粉时,无论是纯胎体材料还是铜基胎体材料+金刚石,其硬度均呈现先升高后下降的趋势。Ce含量为1.5%时,硬度达最大值100.5～102.5HRB,当稀土元素Ce的含量进一步增加,硬度反而下降。2.3试样铜基胎体2的断口形貌显微分析对于铜基胎体2进行断口扫描,由断口形貌显微图可以看出,未添加稀土Ce的试样和添加了稀土Ce的试样相比,未添加稀土Ce试样呈层状脆性断裂特征(图8a);添加稀土Ce试样的断裂可见明显的韧窝,以韧性断裂为主(图8b)。2.4对铜基胎体2(Ce的含量2.0%)的表面的线扫描图9为Ce以及其它在胎体元素的分布状况,图9中右下角黑色的为金刚石,左边灰色的为金刚石胎体。由图9可以看出,Ce在胎体中弥散分布,在金刚石与胎体界面处发现右Ce的富聚,说明Ce容易吸附在金刚石表面,降低金刚石表面的界面能,有利于胎体材料对金刚石的粘结,减少金刚石的脱落,提高金刚石锯片的寿命。3添加稀土预合金粉的金刚石锯片的切割性能切割试验所用的石材为中硬石材万年青和高硬石材635。切割石材的厚度为20mm,切割寿命用切割的延米表示。切割试验结果如表1所示。从表1可以看出:稀土Ce元素的加入,对刀头的硬度影响不大;无论是切割中硬石材万年青还是高硬石材635,与未含稀土Ce元素刀头的金刚石锯片相比,添加稀土预合金粉的切割速度分别由3.06m/min和3.5m/min提高到3.9m/min和4.05m/min。添加稀土预合金粉的金刚石锯片切割速度明显的提高;添加预合金粉的刀头的金刚石锯片的金刚石脱落度降低6.3%(金刚石脱落度;但是添加稀土预合金粉的刀头的金刚石锯片的切割寿命有不同程度的下降,切割较软石材的切割寿命降低较少。显然,添加稀土预合金粉的刀头的金刚石锯片更适合切割较软的石材。对于出口国外的金刚石锯片,首要的性能指标是切速,其次才是寿命。添加稀土元素可以明显提高金刚石锯片的切速,显然添加稀土元素的金刚石锯片更适合于出口。4添加预合金粉的金刚石(1)在铜基胎体1中,当Ce的含量达到0.5%时,硬度和抗弯强度均达到最高;在铜基胎体2中,当Ce的含量达到1.5%时,硬度和抗弯强度均达到最高,硬度最大值为477.65MPa,抗弯强度最大值为102HRB。从总体上看,改良后的铜基胎体2更适合做成金刚石锯片刀头的胎体。(2)对铜基胎体2进行显微分析,Ce容易在金刚石与胎体界面处富聚,Ce的加入有利于胎体材料对金刚石的粘结,减少金刚石的脱落,但是却降低金刚石锯片的寿命。(3)切割石材万年青和635石材试验表明:稀土Ce对刀头的硬度影响不大;添加预合金粉的刀头都比未添加预合金粉的刀头切割度速明显提高,分别由3.06m/min和3.5m/min提高到3.9m/min和4.05m/min。脱落度有所减少;但是切割寿命有所降低,由于切割较软石材的切割寿命降低较少,所以添加了稀土预合金粉的刀头的金刚石锯片更适合切割较软的石材。(4)添加稀土元素可以明显提高金刚石锯片的切速,添加稀土元素的金刚石锯片更适合于出口。2.2添加预合金粉对铜基胎体抗弯强度的影响图6、7分别是稀土元素Ce对铜基胎体抗弯强度的影响。实验结果表明:在铜基胎体1中,铜基胎体材料+金刚石的抗弯强度明显低于纯胎体材料的抗弯强度,且随着Ce含量的增加,抗弯强度先增大后减小,在Ce含量为0.5%时,铜基胎体材料+金刚石和纯胎体材料的抗弯强度均达到最大值;在铜基胎体2中,纯胎体材料的抗弯强