金刚石烧结制品重点.docx

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金刚石烧结制品重点

简答题：

1.什么叫做比表面？

比表面与颗粒的哪些性质有关？

2.论述影响松装密度、流动性和压制性的因素及之间的关系.

3..叙述压坯密度与压制压力之间的变化规律.　

4.叙述再结晶与晶粒长大的动力学过程.

5.为什么金属结合剂的金刚石制品常常采用热压烧结？

6.叙述液相烧结过程.

7.简述结合剂的组成性能与加工材质和加工方式的关系.

8.叙述金属结合剂的对金刚石烧结制品使用性能的影响。

9.需制造某种磨具5片，已知磨具的单片质量为530克，所选用的结合剂成分配比（质量分数%）为Cu78Sn12Ag7Zn3,外加石墨1%。

求各种粉末的用量。

（设投料系数为1.05）

10．如何判断混合结合剂后，其是否混合均匀？

11.结合剂贮存应注意什么？

12.磨具产品的测试主要有哪些内容？

13.简要列出配方设计的试验工作的一般程序。

14.已知非金刚石层体积和金刚石层体积分别为：

Vi=13.56cm3，V=12.35cm3。

采用冷压成型工艺，结合剂成型密度的γ=7.5g/cm3

，金刚石浓度为100％。

求金刚石用量和结合剂用量（包括非金刚石层的结合剂用量）。

15.叙述热压法工艺特点为。

16.冷压烧结过程中500℃的保温阶段坯体内主要发生什么变化？

为什么此阶段十分重要？

17.冷压烧结时，冷却阶段对最终产品的性能有什么影响？

18.如果金刚石磨具出现废品时，通过镜下观察发现其组织结构不均匀，在实际生产中，我们应从哪几个方面分析其产生的原因。

19.叙述金刚石在切割过程中磨损情况。

20.根据切割工件材料特点对选择金刚石和结合剂有什么要求。

21.对于长为40mm,高为5mm,厚为4mm的节块，计算1000个节块金刚石用量、金刚石层结合剂用量、过渡层料的用量。

假设成型密度为8.89g/cm3，金刚石的浓度按50％计算。

22.选择焊料一般要满足什么样的要求。

23.写出一般金刚石锯片制造工艺流程

24.叙述锯片开刃过程。

25.在制造金刚石钻头时，调整胎体硬度的方法主要有哪些？

26.为什么说钻头胎体的硬度选择在使用过程中起着重要的作用。

27、壁薄工程钻头对胎体材料有什么特殊要求。

28、叙述比表面积对金属粉末性质的影响。

30、在粉末受压制时，粉末在压力下主要发生哪些变形，各有什么特点，其对压制时的密度产生什么样的影响。

31、压制后坯体的密度会产生不均匀的现象的原因是什么，如何减少坯体其密度不均匀性。

32、在压制工艺过程中，一般都设定一段保压时间，为什么？

33、根据烧结理论，在等温烧结过程中主要发生哪三个阶段，叙述各阶段的特点。

34、从热力学观点出发，简要说明等温烧结的动力。

35、在烧结过程中，叙述粘合作用的主要特征。

36、叙述烧结时，扩散传质的特点。

37、什么是热压烧结？

38、叙述温度对烧结制品的影响

39、概念题：

耐磨性、强度、韧性、硬度、粘结性能、金刚石浓度、弹性后效、粉末冶金、烧结、松装密度、压制性、流动性

40.粉末冶金的优点

41、为什么常常用粉末冶金方法制造金刚石工具？

42、请用胡克定理推导粉末受压时的侧压力公式？

43、影响成型密度差异的原因有哪些？

你是如何采用方法来减小密度差异？

44、烧结过程：

☐1.烧结颈形成阶段

☐形成原因：

在升温过程和等温烧结初期，发生以下特征：

（1）坯体内的吸附气体和添加剂的挥发；

（2）颗粒表面的氧化物被还原；（3）变形颗粒的回复再结晶；（4）颗粒表面原子的扩散及晶体结合；（5）颗粒的之间点扩大到面，就形成烧结颈。

☐宏观特征：

（1）颗粒形状未发生明显变化，

（2）孔隙之间形成连续网络，孔隙之间的总表面没有明显减少，（3）烧结体也没有明显的收缩（4）使得烧结体强度和导电性明显的增加；

☐2.烧结颈长大和闭孔形成阶段

形成原因：

（1）原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，

（2）颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。

同时由于晶粒长大，（3）晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。

宏观特征：

（1）烧结体收缩；

（2）密度和强度增加；

☐3.闭孔减少和球化阶段

形成原因：

（1）多数孔隙被完全分隔，闭孔数量大为增加，

（2）孔隙形状趋近球形并不断缩小,（3）晶粒粗化。

特征:

（1）小孔的消失和孔隙数量的减少，

（2）烧结体仍可缓慢收缩。

这一阶段可以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。

烧结驱动力：

☐化学梯度的产生推动物质的位移，从而才形成了粉末或压坯的烧结。

从热力学观点看，坯体的烧结过程是系统自由能减小的过程，对等温烧结来说，也就是系统过剩自由能降低的过程。

☐过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，因表面能的降低比晶格畸变能的减小要大得多，所以我们可将表面能的降低视为等温烧结过程的驱动力。

☐驱动力表现为三个方面：

1、颗粒烧结颈的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小

2、烧结体的内孔隙体积和表面积减小

3、粉末颗粒的内晶畸变的消除

Ø表面张力的作用下，颗粒凸面产生向心应力，可用拉普拉斯方程：

σ=-2γ/r

Ø而在烧结颈的曲面上产生向外的应力为：

σb=γ（1/x-1/ρ）≈-γ/ρ

（x>>ρ）

☐在这两个力的作用下，物质由表面向颈面流动:

ρ一般大于r,当两球相互靠近后，ρ增大，σb减小，减小烧结动力。

直到趋于平衡，停止烧结。

表面应力使颗粒表面和颈曲面上的蒸汽压变化，由开尔文公式可求出平面与曲面上的饱和蒸汽压差，说明物质由颗粒表面蒸发，在烧结颈表面沉积，随着烧结颈长大，压差↓

由式知，P球>P颈，表明颗粒表面蒸汽压大于颈曲面蒸汽压，这样将导致颗粒表面上物质蒸发并通过气相扩散迁移到烧结颈曲面上凝结下来，使得烧结颈长大。

在烧结颈部因受到拉应力的作用，空位形成能降低→产生过剩空位浓度，使烧结颈处空位浓度大于平衡空位浓度。

考虑在烧结颈部与附近区域空位浓度的差异，有：

空位浓度梯度：

△Cv/ρ=-CvoγΩ/（kTρ2）

可以发现：

↑γ（活化）、↓ρ（细粉），均有利于提高空位浓度梯度，增加烧结的扩散驱动力。

可将系统内空位浓度视为烧结动力

在烧结温度下，金属粉末的塑性大大增加，屈服强度显著下降。

因而，烧结外力场的作用有可能会超过材料的屈服应力σy，导致粉末晶体产生位错，使得物质以晶面滑移或整排运动形式迁移，这样的烧结机构被称为塑性流动。

和粘性流动不同，塑性流动只有当外应力σ超过材料屈服点时才能产生。

☐蒸发与凝聚

1）传质条件：

a.粉体在高温下有较大的蒸气压；b.凸凹面压

差大ΔP↑（要求颗粒小）；c.有足够高的温度。

2）传质机理：

由于颗粒表面（凸面蒸气压比颈部（凹面）蒸

气压高，故质点从表面蒸发通过气相传递凝聚到颈部，而使颈部逐渐被填充。

这种传质过程仅仅在高温下蒸气压较大的系统内进行，如氧化铅、氧化铍和氧化铁的烧结。

☐溶解-沉淀传质

1）传质机理

●由于表面张力的作用，颗粒某些部位（颗粒接触点）受压，某些部位受拉，受压处固相溶解度比受拉处固相溶解大（Kingery模型）;

●由于小颗粒溶解度比大颗粒溶解度大（LSW模型），因此颗粒在颗粒接触点处溶解或小颗粒溶解，通过液相传质，而在颗粒自由表面或大颗粒上沉淀，从而出现晶粒长大和晶粒形状的变化。

☐液相烧结的条件

☐液相烧结必须满足以下三方面的条件，才会发挥液相有利的作用。

☐1.润湿性

如θ＝0，则表明液相对固相完全润湿，如0<θ<90，则是部分润湿，如θ>90,则表明不润湿

☐2.溶解度

☐液相形成后固相物质在液相中要有一定的溶解度，因为1）固相有限溶解于液相可改善润湿性，2）固相溶于液相可增加液相量，3）固相溶于液相可以在液固相之间进行原子扩散，有利于液相的作用，4）溶在液相中的固相在冷却时的析出可填补固相颗粒表面缺陷和间隙，并增大固相颗粒分布均匀性

☐3.液相数量

☐也即必须有一定数量的液相，以确保液相能填满固相间隙，当然液相量不能过多，否则不能保持烧结体的形状，液相量以占体积的20～50％为宜。

1.液相生成与颗粒重排阶段

液相形成后，由于毛细管力的作用，如图所示。

图中ψ为两面角，σ表面张力。

在表面张力作用下，将会使固相颗粒趋于更致密的排列，以这一阶段烧结体密度上升很快。

☐2.固相溶解与析出阶段

由于固相在液相中有一定的溶解度，在液相形成后，与液相接触的固相溶解于液相达饱和程度。

对具有曲率半径为r的颗粒，其饱和溶解度与平面之差为：

△C=2γslδ3/KT∙1/r.C∞

式中：

C∞-平面处饱和溶解度

曲率半径越小，溶解度越大由于大小颗粒以及颗粒凹凸面的溶解度是有差别的，所以将会发生溶解度大的小颗粒和颗粒凸面先溶解然后沉积在溶解度低的大颗粒和颗粒凹面上

☐3.骨架形成阶段

●经过前两个阶段，固相颗粒之间相互靠拢，在固相颗粒与固相颗粒接触之间发生固相烧结，这种固相颗粒之间的烧结形成类似于骨架一样的固体颗粒连接形态。

●这一阶段致密速率已很低，在固相颗粒间仍存在体积扩散与晶粒长大。

●固相颗粒的形状以及分布取决于固相物质的结晶学特征和液相的润湿性。

定义：

热压又称为加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低一些，经过较短时间烧结成致密而均匀的制品，热压可将压制和烧结两个工序一并完成，可以在较低压力下迅速获得冷压烧结所达不到的密度。

本质：

热压是一种强化烧结。

热压烧结时，驱动力除表面张力外，又加上了外压的作用。

在外压下，粉粒间接触部位产生塑性流动或蠕变，使颗粒间距缩短，缩颈长大的动力学过程进行得更为方便。

受压处固相溶解度大。

热压方法的最大优点是可以大大降低成形压力和缩短烧结时间，

（2）热压压力仅为冷压成形的1/10，可以压制大型制件；

（3）热压时，粉末热塑性好，可以压成薄壁管、薄片及

带螺纹等异型制品；

（4）粉末粒度、硬度对热压过程影响不明显，因此可压制一些硬而脆的粉末

结合剂中铜和锡的优缺点，论述为什么选用铜锡合金作为磨具的主要结合剂

优点：

1）电解铜粉成型性好，广泛用于冷压成型后烧结，压坯不易塌落；

2）某些元素的微量加入可以使铜对碳材料从不润湿变成润湿，如，钛

3）纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好，如W,WC等；

4）纯铜的耐磨性优于青铜，可烧结性好；

5）铜可与Sn,Zn,Mn,Ni,Ti等制成性能优异的合金，例如Cu-Sn-Ti,Cu-Ni-Mn,Cu-Ni-Zn及663青铜等。

铜的缺点如下：

1）纯铜的变形性大，不宜制成高质量的工具，铜基合金会有某种程度上的改观；

2）铜、铁间的互溶性不好，彼此溶解度很低，这将对铁基结合剂的应用和推广带来一定的麻烦；

3）由于铜的强度低，对碳材料的润湿性差，所以对金刚石的把持力和粘结力都不高；

4）铜与锡、钛在大气中的可烧结性不好，氧化严重，必须在真空或保护气氛下烧结，使工具成本增加。

锡的优点

1）改善可烧结性；

2）易形成金属间化合物，可以改善磨损性能和降低变形性（降低挠度）；

3）适于添加到冷压成型胎体中，靠液相在固体粉末中的虹吸现象产生毛细管力使胎体收缩；

4）降低液态合金的表面张力，降低内界面张力，降低接触角；

5）改善铁基胎体的磨损性能和变形性，这是因为锡在铁基胎体中可以形成Fe3Sn和Fe70Sn15C15金属间化合物和复式碳化物。

缺点

1）加入量控制不当容易流失；

2）不利于激光焊接，工具的非工作层必须单独设计（不含锡）；

3）与钛、铜一起组成的胎体，在大气中的可烧结性极差，必须采用无氧或隔氧烧结。

v

v问题提出：

v对使用青铜基金刚石砂轮片切削光学玻璃时，出现的截面质量逐渐下降甚至最