多孔金属结合剂研究与超硬磨具制备
发布时间：2020-12-07 21:24
传统的致密型金属结合剂砂轮具有导热性能好、对磨料的把持强度高、承载能力强、耐磨性能好等特点,但在使用过程中存在自锐性差、磨削温度高等问题,限制了磨具加工效率的提高。而多孔金属结合剂超硬磨具通过引入孔隙结构解决了以上问题,但同时也削弱了结合剂对磨料的把持力。因此在保证气孔率的同时提高结合剂对磨料的把持力,是提高磨削加工效率的关键。本文提出以Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al金属粉末作为多孔金属结合剂,利用Kirkendall效应、粉末颗粒之间的间隙及反应造孔等造孔机制通过SPS定容烧结来制备气孔率可控的超硬磨具。通过添加磷铁粉和低熔点金属（Cu、Zn、Sn）来提高FeAl多孔金属结合剂在低温烧结时的抗折强度。同时改变原料粉末粒度,分析孔隙结构及孔径的大小分布与抗折强度之间的关系。最后在800℃和1100℃分别制备出了气孔率为30%的不同浓度和粒度的金刚石磨具和立方氮化硼（cBN）磨具,且研究了结合剂与磨料（金刚石、cBN）的界面结合状态及对磨具抗折强度的影响。实验结果表明:1、定容烧结可将结合剂的气孔率精准控制,气孔率达到30%-60%,相同气孔率的Fe和Al等摩尔配比的样品抗折强度比其...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FeAl二元合金相图
第2章实验材料及研究方法-11-冲电流，使脉冲电流通过模具和样品。部分电流通过样品及间隙能够激活晶粒的表面，击穿残留在间隙的气体，并进行局部放电，从而促进了晶粒之间的结合，通过石墨模具的部分电流起到加热模具和样品的作用。它的主要特点就是利用等离子体表面活化和加热，使材料能够实现快速且致密化的烧结。该设备具有两种测温方式：红外测温和K型热电偶测温。根据K型热电偶测温的上限为700℃，高于700℃的烧结实验需要使用红外测温进行测试。SPS设备在烧结过程中对石墨模具垂直单向给压，最大的烧结压力为10kN。Gedevanishvili[52]等发现升温速率对Fe-40%.molAl合金烧结体的致密度有很大影响，提高升温速率可以有效降低烧结体的密度，增大气孔率，因此结合设备的烧结参数将升温速率定为50℃/min，为确保Al元素在快速升温的过程中不出现液态，在升温至600℃时保温10min然后继续升温，在最高温度保温20min，烧结氛围高纯氩气。图2-1SPS烧结设备示意图为了能够准确的控制金属结合剂的气孔率，结合SPS设备的烧结原理，选用松装定容烧结进行制备多孔金属结合剂超硬磨具，并对石墨模具进行了改造。石墨模具的改造如下图2-2所示，将直径为15mm的上下压头裁短，中间空出5mm的高度进行装料，为防止样品与模具发生反应对造成模具损坏，在烧结时金属粉末与石墨压头中间放一层石墨纸，厚度约为0.3mm，经过测试和计算烧结粉末所占体积为
燕山大学工学硕士学位论文-12-3.53cm3。为了保证在升温过程电流平稳，不影响设备正常使用，我们使用车床将石墨模具设计凸出2mm宽的圆环，为了保证模具不被损坏，施加在模具上的压力控制在15MPa。图2-2改造后的石墨模具示意图根据石墨模具的设计与已知的金属间化合物FeAl、TiAl、NiAl的理论密度，为了能够精准控制气孔率，特设计其填料质量的公式如下：ρ1=ρ0（1-P）（2-1）m=πr2hρ1（2-2）式中ρ0——材料理论密度（g/cm3）；ρ1——样品的体积密度（g/cm3）；P——预设气孔率；m——烧结样品所需质量（g）；h——样品高度（cm）；r——样品半径（cm）。2.4材料结构表征与性能测试2.4.1样品的磨抛处理使用SPS设备烧结后的样品为圆柱体，为了保护样品不与石墨模具发生化学反应，周围包覆的有石墨纸。烧结后这些石墨纸会粘在样品表面，为避免对后期的一些测试造成干扰及后续试验的需要，我们对样品进行磨抛处理。首先用400#的砂纸将这层石墨纸处理干净，之后依次用800#、1200#、1500#的砂纸对样品进行处理，将样品厚度控制在3mm-4mm方便抗折强度的测试。保证样品在处理的过程中厚度
【参考文献】：
期刊论文
[1]γ–TiAl金属间化合物加工的国内外研究现状[J]. 廖阳稷敛,顾琳,刘苏毅,何国健. 航空制造技术. 2020(04)
[2]TiAl金属间化合物粉末冶金工艺研究进展[J]. 张国庆,刘玉峰,刘娜,李周. 航空制造技术. 2019(22)
[3]我国典型金属间化合物基高温结构材料的研究进展与应用[J]. 宫声凯,尚勇,张继,郭喜平,林均品,赵希宏. 金属学报. 2019(09)
[4]B2结构FeAl金属间化合物研究现状[J]. 周瑾,白亚平,成超,罗佳佳,刘萌萌,杨忠. 铸造技术. 2019(08)
[5]Effects of pore structure and distribution on strength of porous Cu-Sn-Ti alumina composites[J]. Biao ZHAO,Tianyu YU,Wenfeng DING,Xianying LI. Chinese Journal of Aeronautics. 2017(06)
[6]Ti对Al-Ti合金与金刚石的润湿性和把持力的影响[J]. 肖长江,栗晓龙,窦志强. 人工晶体学报. 2017(10)
[7]多孔金属结合剂金刚石砂轮节块的抗弯强度研究[J]. 白永明,商家铭. 金刚石与磨料磨具工程. 2016(05)
[8]新兴工业材料加工用金刚石工具[J]. 刘一波,徐良. 超硬材料工程. 2016(02)
[9]超硬磨具用金属结合剂国内外研究进展[J]. 邹文俊,陈功武,宋城,彭进. 金刚石与磨料磨具工程. 2014(04)
[10]造孔剂（NH4）2CO3含量对FeAl多孔材料性能的影响[J]. 王杰丰,高海燕,江垚,杨军胜,高麟,贺跃辉. 粉末冶金材料科学与工程. 2014(04)
硕士论文
[1]金刚石表面镀覆层对金属结合剂金刚石工具性能影响[D]. 栗晓龙.河南工业大学 2018
[2]铁基合金对金刚石的泡沫化腐蚀及应用研究[D]. 李颖颖.湖南大学 2017
[3]金刚石工具用高熵合金结合剂的研究[D]. 郭洪凯.燕山大学 2016
[4]选区激光熔化成形多孔铝合金的工艺及组织性能研究[D]. 钱德宇.安徽工业大学 2016
[5]铁钴盐对人造金刚石单晶腐蚀的研究[D]. 周肖璇.湖南大学 2016
[6]FeAl基多孔材料的制备及其性能的研究[D]. 何元章.华东理工大学 2012
[7]多孔金属结合剂金刚石砂轮节块设计和制备研究[D]. 丁兰英.南京航空航天大学 2007
[8]多孔金属结合剂金刚石砂轮的开发研究[D]. 廖翠姣.华侨大学 2006
本文编号：2903922
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FeAl二元合金相图
第2章实验材料及研究方法-11-冲电流，使脉冲电流通过模具和样品。部分电流通过样品及间隙能够激活晶粒的表面，击穿残留在间隙的气体，并进行局部放电，从而促进了晶粒之间的结合，通过石墨模具的部分电流起到加热模具和样品的作用。它的主要特点就是利用等离子体表面活化和加热，使材料能够实现快速且致密化的烧结。该设备具有两种测温方式：红外测温和K型热电偶测温。根据K型热电偶测温的上限为700℃，高于700℃的烧结实验需要使用红外测温进行测试。SPS设备在烧结过程中对石墨模具垂直单向给压，最大的烧结压力为10kN。Gedevanishvili[52]等发现升温速率对Fe-40%.molAl合金烧结体的致密度有很大影响，提高升温速率可以有效降低烧结体的密度，增大气孔率，因此结合设备的烧结参数将升温速率定为50℃/min，为确保Al元素在快速升温的过程中不出现液态，在升温至600℃时保温10min然后继续升温，在最高温度保温20min，烧结氛围高纯氩气。图2-1SPS烧结设备示意图为了能够准确的控制金属结合剂的气孔率，结合SPS设备的烧结原理，选用松装定容烧结进行制备多孔金属结合剂超硬磨具，并对石墨模具进行了改造。石墨模具的改造如下图2-2所示，将直径为15mm的上下压头裁短，中间空出5mm的高度进行装料，为防止样品与模具发生反应对造成模具损坏，在烧结时金属粉末与石墨压头中间放一层石墨纸，厚度约为0.3mm，经过测试和计算烧结粉末所占体积为
燕山大学工学硕士学位论文-12-3.53cm3。为了保证在升温过程电流平稳，不影响设备正常使用，我们使用车床将石墨模具设计凸出2mm宽的圆环，为了保证模具不被损坏，施加在模具上的压力控制在15MPa。图2-2改造后的石墨模具示意图根据石墨模具的设计与已知的金属间化合物FeAl、TiAl、NiAl的理论密度，为了能够精准控制气孔率，特设计其填料质量的公式如下：ρ1=ρ0（1-P）（2-1）m=πr2hρ1（2-2）式中ρ0——材料理论密度（g/cm3）；ρ1——样品的体积密度（g/cm3）；P——预设气孔率；m——烧结样品所需质量（g）；h——样品高度（cm）；r——样品半径（cm）。2.4材料结构表征与性能测试2.4.1样品的磨抛处理使用SPS设备烧结后的样品为圆柱体，为了保护样品不与石墨模具发生化学反应，周围包覆的有石墨纸。烧结后这些石墨纸会粘在样品表面，为避免对后期的一些测试造成干扰及后续试验的需要，我们对样品进行磨抛处理。首先用400#的砂纸将这层石墨纸处理干净，之后依次用800#、1200#、1500#的砂纸对样品进行处理，将样品厚度控制在3mm-4mm方便抗折强度的测试。保证样品在处理的过程中厚度
【参考文献】：
期刊论文
[1]γ–TiAl金属间化合物加工的国内外研究现状[J]. 廖阳稷敛,顾琳,刘苏毅,何国健. 航空制造技术. 2020(04)
[2]TiAl金属间化合物粉末冶金工艺研究进展[J]. 张国庆,刘玉峰,刘娜,李周. 航空制造技术. 2019(22)
[3]我国典型金属间化合物基高温结构材料的研究进展与应用[J]. 宫声凯,尚勇,张继,郭喜平,林均品,赵希宏. 金属学报. 2019(09)
[4]B2结构FeAl金属间化合物研究现状[J]. 周瑾,白亚平,成超,罗佳佳,刘萌萌,杨忠. 铸造技术. 2019(08)
[5]Effects of pore structure and distribution on strength of porous Cu-Sn-Ti alumina composites[J]. Biao ZHAO,Tianyu YU,Wenfeng DING,Xianying LI. Chinese Journal of Aeronautics. 2017(06)
[6]Ti对Al-Ti合金与金刚石的润湿性和把持力的影响[J]. 肖长江,栗晓龙,窦志强. 人工晶体学报. 2017(10)
[7]多孔金属结合剂金刚石砂轮节块的抗弯强度研究[J]. 白永明,商家铭. 金刚石与磨料磨具工程. 2016(05)
[8]新兴工业材料加工用金刚石工具[J]. 刘一波,徐良. 超硬材料工程. 2016(02)
[9]超硬磨具用金属结合剂国内外研究进展[J]. 邹文俊,陈功武,宋城,彭进. 金刚石与磨料磨具工程. 2014(04)
[10]造孔剂（NH4）2CO3含量对FeAl多孔材料性能的影响[J]. 王杰丰,高海燕,江垚,杨军胜,高麟,贺跃辉. 粉末冶金材料科学与工程. 2014(04)
硕士论文
[1]金刚石表面镀覆层对金属结合剂金刚石工具性能影响[D]. 栗晓龙.河南工业大学 2018
[2]铁基合金对金刚石的泡沫化腐蚀及应用研究[D]. 李颖颖.湖南大学 2017
[3]金刚石工具用高熵合金结合剂的研究[D]. 郭洪凯.燕山大学 2016
[4]选区激光熔化成形多孔铝合金的工艺及组织性能研究[D]. 钱德宇.安徽工业大学 2016
[5]铁钴盐对人造金刚石单晶腐蚀的研究[D]. 周肖璇.湖南大学 2016
[6]FeAl基多孔材料的制备及其性能的研究[D]. 何元章.华东理工大学 2012
[7]多孔金属结合剂金刚石砂轮节块设计和制备研究[D]. 丁兰英.南京航空航天大学 2007
[8]多孔金属结合剂金刚石砂轮的开发研究[D]. 廖翠姣.华侨大学 2006
本文编号：2903922
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