金刚石烧结制品重点.docx

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金刚石烧结制品重点

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？

☐

☐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终出现大量边缘破损的现象，青铜基砂轮随着使用时间的增加，因无法自锐而堵塞而变得钝化是此种现象的根本原因。

v青铜结合剂的主要特点是结合强度高，也就意味着这种磨具的自锐性差，即人造金刚石磨料在变钝后，无法自行脱落；此外，金刚石颗粒本身颗粒度较小，硬度极高，被切割的材料很难使金刚石颗粒破损，以暴露出新的切割刃口，从而使得这种砂轮自锐性极差，以致在使用一段时间后，砂轮磨具的切割能力就会急剧下降，导致砂轮堵塞现象发生。

结合剂的粘结性能，是指它与金刚石磨料之间的结合能力。

它表示二者结合力的强弱。

结合剂与金刚石之间的结合，可能有三种作用方式：

机械结合、物理吸附（范德华力）、化学吸附（化学键力）。

青铜结合剂磨具中的金刚石，主要是依靠机械结合力而被把持的，而青铜与金刚石之间极少有焊接性粘结的可能性，因为青铜结合剂一般是以铜为基本成分，这种金属即使在高温下也不会对金刚石发生吸附作用。

改善结合剂性能的措施有两种：

一是将表面光滑的金刚石进行化学处理，使之表面粗糙化；另一种是争取实现焊接性链接。

易金刚石发生焊接性粘结的金属，是元素周期表中ⅣB至Ⅷ族金属，Ti、V、W、Ni、Co等，这些金属一般是合成单晶金刚石用的催化剂或者制造聚晶用的粘结剂。

（1）周期表中d区过渡元素浸润金刚石自左至右逐渐减弱。

非过渡元素一般不浸润金刚石。

不浸润元素中加入浸润元素后对金刚石产生浸润性；往铜基合金结合剂中添加浸润性金属，是使结合剂与金刚石发生焊接性粘结，从而提高固结强度的一条途径。

（2）加强界面反应，生成物可提高结合性能，增加润湿性，同时，提高原子扩散的动力。

结合剂对金刚石粘结强度的改善有五种方法:

v一、在结合剂中添加强碳化物形成元素;

v二、在金刚石表面镀膜;

v三、在结合剂中加稀土元素;

v四、金属结合剂预合金化;

v五、在结合剂中加入低熔点金属。

■结合剂中加入元素对磨具的一般规律

■金属结合剂主要由粘结金属材料、填充金属材料、骨架材料、碳化物形成元素及其它元素

■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Co、Cr、Ni、Ti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Cu、Sn、A1等金属具有很好的受热变形和易加工性并且炼点较低,在烧结过程中易于填充粉末颗粒间的空隙,使胎体致密；

■3.骨架材料是具有高溶点、高硬度的粉末材料,如TiC、WC、WiC等,也可以用难溶金属W或Mo代替WC。

采用骨架材料的主要目的是提高胎体的硬度和耐磨性,也可以提高胎体脆性。

■4.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,难以发生界面反应,以机械镶嵌为主,使得胎体对金刚石的把持力较小。

向胎体中加入少量碳化物形成元素,可改善胎体和金刚石的界面结合,提高把持力。

目前,胎体中添加的碳化物形成元素主要包括Ti、Cr、V、W、Zr及其合金等。

v5.特殊作用元素有些元素如Ce、La、Si、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。

v5.1在铜基胎体中加入稀土元素La、Ce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；

v5.2Si有较强的脱氧能力、与金刚石的膨胀系数接近且冷热变化时体积效应小;

v5.3在铜基胎体中加入适量的P和Si均能降低Cu合金的溶点,使铜合金能在较低的温度下浸润金刚石;

v5.4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

■加入镍增加强度和耐磨性

■加入钛、钴、钼、铬增加强度和热学性能

■加入镍、镉耐腐蚀性

■多元合金的强度、导热性、耐热性好

■加入铁改善金刚石的润湿性和出刃性差

冷压与热压方法的优缺点：

☐1.冷压法的工艺特点

（1）优点

a.成型不需要加热设备，操作方便；

b.模具不需要耐热，模具寿命比热压模具寿命长；

c.成型生产效率高且可成批烧结；

e.成型坯体密度较热压法小，孔隙度高，有利于磨削时的冷却；

f.成型废品可及时回收

（2）缺点

a.压坯烧结后形状、尺寸变化较大，特别是复杂性状的砂轮；

b.压坯与基体结合强度低，结合部位常出问题，如掉环、开裂等；

c.冷压成型压力高，在较高的压力下，金刚石易碎，影响砂轮使用性能，降低磨削效果；

d.坯体中的弹性内应力较大，压坯的弹性后效大，易出现成型废品；

e.冷压成型对原材料成型性能要求较高；模具需要高强度合金刚。

热压法工艺的最大的特点是成型压力小，烧结体粘结强度高。

优点:

（1）可用较低的压力（50～250MPa）压制砂轮；

（2）粘结强度高，可以成型复杂的制品并降低废品率；

（3）不存在压坯脱模的弹性后效；

（4）简化烧结工艺条件；

（5）保证磨具的形状和尺寸。

☐缺点：

（1）生产效率不如冷压法；

（2）对石墨模具的消耗大；

平形砂轮和单斜边砂轮

空模装配检查→涂润滑剂→模具组装→装入已清洗的基体→投料→预压过渡层→卸过渡层与模具→外圆面打毛→装工作层模套→投工作层料→预压→换总压头压制→卸模

留取适当的余量既要达到提高两层间的结合强度又要保证金刚石环的宽度。

高度余量一般为磨具厚度的1.5倍左右。

对于厚度大于25mm砂轮或无心磨轮，采用分层投料。

烧结温度的确定方法：

（1）烧结时一般取（2/3～4/5）T熔为烧结温度，T熔为主要组元的熔点温度；

（2）热压烧结温度均可比冷压时低10%左右；

（3）烧结温度的确定要采取实验的方法，即在不同温度下烧结，然后测定烧结体的组织和性能（如合金组织、硬度、强度等），经过分析比较，确定合适的烧结温度；

（4）青铜结合剂金刚磨具来说，硬脆相适当。

如Cu85Sn15结合剂取660℃合适；

（5）烧结温度还与烧结时间、烧结气氛、磨具的使用要求有关。

☐金刚石锯片磨损失效影响因素

☐

（1）胎体的耐磨性

☐

（2）金刚石性能（强度\热稳定性）

☐（3）切割速度

☐（4）金刚石吃入深度

☐（5）金刚石与胎体结合强度

☐

（2）与金刚石磨损匹配

☐改进方案：

☐耐磨性可加入硬质点材料；

☐金刚石表面镀易生成碳化物元素；

☐加入提高金刚石润湿性元素；

☐高温耐磨性元素作为主配方；

（1）胎体指粉末烧结体。

作用是包镶并粘结金刚石颗粒，并与基体粘结形成一体。

（2）骨架相指胎体材料中的高熔点金属粉末及其化合物粉末，其在烧结中不变形或很少变形，在作业中起耐磨作用，例如：

WC、W2C以及钨、铬和钼等。

（3）粘结相。

指浸润并粘结骨架相和金刚石颗粒的低熔点金属或合金。

目前应用较多的是铜以及铜的合金。

（4）中间相指胎体中介于骨架相与粘结相之间的，用以调节胎体的综合力学性能的胎体材料，如镍、锰、钴和铁等，可以提高胎体的硬度、强度和耐磨性等综合性能。

（5）添加相指为了改善或提高胎体某一方面的性能而添加的某些少量元素、合金或化合物：

如，为了改善胎体与金刚石的粘结性能，可以添加的铬、钨、钛和TiH2等

（1）铜基胎体。

以纯铜或663青铜为主，胎体较软。

特点：

适用于切割玉石等材料的切割锯片。

（2）铁基胎体。

纯铁基或铸铁基胎体。

纯铁基胎体适用面较大，主要用于钻头、锯片和磨头等工具；铸铁基胎体主要用于砂轮或磨轮的制造。

特点是材料丰富、价格低、性能独特。

（3）钴基胎体。

主要用于切割硬质花岗岩石材的大、小切割锯片，钻进特种材质如陶瓷、铁氧体等的钻头。

这种胎体的优点是综合性能好，对金刚石的粘结性能好，特别是切割石材的适应性强。

但制造成本高。

（4）镍基胎体。

其性能介于铁基与钴基之间，胎体的力学性能，尤其是韧性较高，适宜于制造各种金刚石工具

（5）钨基胎体。

钨基胎体包括以钨、WC或W2C占主要成分的胎体。

由于胎体中含有大量的钨、WC、W2C，特点：

胎体具有较高的硬度，较强的耐磨性和抗冲蚀能力。

适宜于制造工作条件恶劣的各种钻头、扩孔器、磨辊和磨盘等。

胎体的作用：

1、金刚石工具的胎体应具有一定的硬度、强度、抗冲击韧性和耐磨性，使之与岩石相适应。

2、同时胎体还应能够牢固地包镶住金刚石，并能使金刚石很好地裸露出胎体表面进行破岩工作。

3、在工作状态下，胎体与金刚石的磨损速率要适应，即要保证金刚石有良好的自锐性，同时胎体又不能磨蚀太快，以防止金刚石得不到足够的支撑而过早地剥落。

4、组成胎体的金属粉末对金刚石的侵蚀作用要小，这些粉末在烧结过程中相互作用，不会形成性能低劣的致密体。

5、而作为粘结材料的金属或合金，则应能够浸润并粘结骨架材料和金刚石。

6、这些胎体之间并没有严格的界限，大多数情况下，是两种或多种金属或合金粉末的组合胎体。

过渡层配方设计原则

（1）焊缝要有足够的焊接强度，经检测要达到所规定的要求，一般参照欧洲ENl3236安全标准σ≥600MPa．

（2）在刀头强度足够的情况下，多用铁族元素，铁与基体的可焊性最好，价格低。

（3）烧结温度要与刀头的烧结温度相近，例如，大理石刀头的烧结温度不能与高钴过渡层匹配。

4）要有足够高的致密度。

过渡层粉末密度不够，孔隙多将直接影响材料的可焊性。

（1）一般在过渡层中加入适量的Ni、Fe、Cr、Mn等,Fe、Ni在液态时可以无限互熔,同时,Ni还可以起一定强化作用,在过渡层中加入少量的Mn和Cr,不仅能产生固熔强化,增加耐磨性,而且能减少气孔。

（2）过渡层粉末材料有Fe,Co系列，Fe,Ni系列，Co,Ni系列，Ni系列，Fe,Cu系列，Co,Fe,Cu系列等