稀土cu基金剛石工具材料的研制

稀土cu基金剛石工具材料的研制

0刀頭結(jié)合劑配方鉆石研磨機(jī)廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，如石材、玻璃等。金剛石圓鋸片是石材加工業(yè)的重要工具,它主要由兩部分組成,一是起切割作用的刀頭;二是起載體作用的鋼基體(通常為65Mn、45Mn2V)。刀頭是決定鋸片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵部分,因而大部分研究都集中在提高刀頭的質(zhì)量上。本文以刀頭結(jié)合劑的配方作為實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。金屬胎體-金剛石復(fù)合材料中常用的胎體材料有銅基、鈷基、鐵基和陶瓷基等。金剛石銅基胎體的硬度較低;再者Cu與金剛石的潤(rùn)飾性較差,金剛石的脫落度較大,致使金剛石的利用率較低。由文獻(xiàn)可知:稀土元素La、Ce加入到銅基合金胎體-金剛石復(fù)合材料中,可以降低銅基合金的熔點(diǎn),具有脫氧作用,同時(shí)細(xì)化胎體晶粒,凈化胎體合金界面,降低銅基液態(tài)合金對(duì)金剛石的潤(rùn)濕角,提高了金剛石與胎體之間的結(jié)合強(qiáng)度。前期研究對(duì)La-Ni預(yù)合金粉的作用機(jī)制和微觀(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入探討。本文以熱壓燒結(jié)金剛石工具(胎體)材料為主要研究對(duì)象,將稀土Ce(預(yù)合金粉)在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)移植到金剛石工具(胎體)材料中來(lái),成功的制出了稀土Cu基金剛石工具材料,經(jīng)對(duì)其實(shí)際使用性能的測(cè)試,其抗彎強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性均有較大幅度提高、孔隙率則有了明顯降低。1稀土ce預(yù)合金粉的制備稀土是氧化性極強(qiáng)的金屬,獲得單一的純金屬粉末作為實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)是可行的,但是作為工業(yè)化生產(chǎn)顯然是不可行的。所以,在粉末冶金過(guò)程中向胎體里添加稀土?xí)龅揭欢ǖ睦щy。本試驗(yàn)利用研制出的一種新型稀土Ce預(yù)合金粉作為金剛石工具胎體的添加劑。根據(jù)參考文獻(xiàn)對(duì)稀土Ce預(yù)合金粉的成分進(jìn)行設(shè)計(jì),并應(yīng)用霧化法制備稀土Ce預(yù)合金粉。由于稀土Ce是極易氧化的金屬,為了避免在熔煉溫度下稀土Ce的氧化和燒損,稀土Ce預(yù)合金粉成分的熔點(diǎn)應(yīng)盡可能的低。通過(guò)查閱所有的Ce-M相圖,選用了Cu、Fe作為稀土Ce預(yù)合金粉的載體。該類(lèi)合金的熔點(diǎn)可控制在1100～1300℃之間,因此合金配方,為Cu-Fe-Sn-5%Ce。預(yù)合金粉末的制取:高溫的熔融合金液體,倒入漏缽之后,在噴射氣體的負(fù)壓抽吸下,不斷地從底孔中漏下去。隨著噴射氣體的方向飛濺到噴射圓桶的四周,同時(shí)在噴射水流的作用下,落到圓桶的水中冷卻。制粉流程如圖1所示。噴粉是在很短的時(shí)間內(nèi)噴成的,噴完后,放干圓筒中的水,取出粉末,放入干燥箱中,低于80℃的溫度烘干,然后進(jìn)行篩分。本研究制備了Cu-Fe-Sn-Ce預(yù)合金粉作為銅基胎體材料的添加劑。稀土Ce預(yù)合金粉的掃描電鏡分析如圖2所示。能譜物相分析如圖3所示。由圖3可以看出,稀土Ce預(yù)合金粉的形狀基本為球形,粒徑大約為5～15μm。由圖3的能譜分析可以看出,球形顆粒中含有Ce。2添加預(yù)合金粉時(shí)金剛石與稀土的相互作用研究以預(yù)合金粉作為添加劑,根據(jù)胎體材料微量元素不同制成銅基胎體材料1和銅基胎體材料2,差別為銅基胎體材料1中添加了Cr,未添加Zn;銅基胎體材料2中添加了Zn,未添加Cr。2.1添加預(yù)合金粉對(duì)銅基胎體硬度的影響圖4和5分別是稀土元素Ce對(duì)銅基胎體硬度的影響。結(jié)果表明:在銅基胎體材料1中添加預(yù)合金粉時(shí),對(duì)于純胎體材料(即未添加金剛石),隨Ce含量的增加,其硬度呈下降的趨勢(shì);但對(duì)于銅基胎體材料+金剛石的試樣,其硬度略有提高,尤其Ce含量為0.5%時(shí),硬度可以達(dá)到最大值101.9HRB。在銅基胎體材料2中添加預(yù)合金粉時(shí),無(wú)論是純胎體材料還是銅基胎體材料+金剛石,其硬度均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。Ce含量為1.5%時(shí),硬度達(dá)最大值100.5～102.5HRB,當(dāng)稀土元素Ce的含量進(jìn)一步增加,硬度反而下降。2.3試樣銅基胎體2的斷口形貌顯微分析對(duì)于銅基胎體2進(jìn)行斷口掃描,由斷口形貌顯微圖可以看出,未添加稀土Ce的試樣和添加了稀土Ce的試樣相比,未添加稀土Ce試樣呈層狀脆性斷裂特征(圖8a);添加稀土Ce試樣的斷裂可見(jiàn)明顯的韌窩,以韌性斷裂為主(圖8b)。2.4對(duì)銅基胎體2(Ce的含量2.0%)的表面的線(xiàn)掃描圖9為Ce以及其它在胎體元素的分布狀況,圖9中右下角黑色的為金剛石,左邊灰色的為金剛石胎體。由圖9可以看出,Ce在胎體中彌散分布,在金剛石與胎體界面處發(fā)現(xiàn)右Ce的富聚,說(shuō)明Ce容易吸附在金剛石表面,降低金剛石表面的界面能,有利于胎體材料對(duì)金剛石的粘結(jié),減少金剛石的脫落,提高金剛石鋸片的壽命。3添加稀土預(yù)合金粉的金剛石鋸片的切割性能切割試驗(yàn)所用的石材為中硬石材萬(wàn)年青和高硬石材635。切割石材的厚度為20mm,切割壽命用切割的延米表示。切割試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出:稀土Ce元素的加入,對(duì)刀頭的硬度影響不大;無(wú)論是切割中硬石材萬(wàn)年青還是高硬石材635,與未含稀土Ce元素刀頭的金剛石鋸片相比,添加稀土預(yù)合金粉的切割速度分別由3.06m/min和3.5m/min提高到3.9m/min和4.05m/min。添加稀土預(yù)合金粉的金剛石鋸片切割速度明顯的提高;添加預(yù)合金粉的刀頭的金剛石鋸片的金剛石脫落度降低6.3%(金剛石脫落度;但是添加稀土預(yù)合金粉的刀頭的金剛石鋸片的切割壽命有不同程度的下降,切割較軟石材的切割壽命降低較少。顯然,添加稀土預(yù)合金粉的刀頭的金剛石鋸片更適合切割較軟的石材。對(duì)于出口國(guó)外的金剛石鋸片,首要的性能指標(biāo)是切速,其次才是壽命。添加稀土元素可以明顯提高金剛石鋸片的切速,顯然添加稀土元素的金剛石鋸片更適合于出口。4添加預(yù)合金粉的金剛石(1)在銅基胎體1中,當(dāng)Ce的含量達(dá)到0.5%時(shí),硬度和抗彎強(qiáng)度均達(dá)到最高;在銅基胎體2中,當(dāng)Ce的含量達(dá)到1.5%時(shí),硬度和抗彎強(qiáng)度均達(dá)到最高,硬度最大值為477.65MPa,抗彎強(qiáng)度最大值為102HRB。從總體上看,改良后的銅基胎體2更適合做成金剛石鋸片刀頭的胎體。(2)對(duì)銅基胎體2進(jìn)行顯微分析,Ce容易在金剛石與胎體界面處富聚,Ce的加入有利于胎體材料對(duì)金剛石的粘結(jié),減少金剛石的脫落,但是卻降低金剛石鋸片的壽命。(3)切割石材萬(wàn)年青和635石材試驗(yàn)表明:稀土Ce對(duì)刀頭的硬度影響不大;添加預(yù)合金粉的刀頭都比未添加預(yù)合金粉的刀頭切割度速明顯提高,分別由3.06m/min和3.5m/min提高到3.9m/min和4.05m/min。脫落度有所減少;但是切割壽命有所降低,由于切割較軟石材的切割壽命降低較少,所以添加了稀土預(yù)合金粉的刀頭的金剛石鋸片更適合切割較軟的石材。(4)添加稀土元素可以明顯提高金剛石鋸片的切速,添加稀土元素的金剛石鋸片更適合于出口。2.2添加預(yù)合金粉對(duì)銅基胎體抗彎強(qiáng)度的影響圖6、7分別是稀土元素Ce對(duì)銅基胎體抗彎強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在銅基胎體1中,銅基胎體材料+金剛石的抗彎強(qiáng)度明顯低于純胎體材料的抗彎強(qiáng)度,且隨著Ce含量的增加,抗彎強(qiáng)度先增大后減小,在Ce含量為0.5%時(shí),銅基胎體材料+金剛石和純胎體材料的抗彎強(qiáng)度均達(dá)到最大值;在銅基胎體2中,純胎體材料的抗彎強(qiáng)