金属结合剂金刚石工具烧结技术的研究

金刚石串珠绳串珠不同制备方法简介摘要：在串珠锯切割系统中，作为切割刀具的串珠绳在实际切割中起着主导作用。

从最早出现的、用于试验切割石材、使用孕镶金刚石串珠的串珠绳开始，对串珠绳的改进就从未停止过。

而作为切削石材过程中实际承受切削力的金刚石串珠，人们对它的制备工艺的研究更是从未间断。

目前，金刚石串珠制备工艺主要有，电镀法、浸渍法、烧结法和钎焊法。

每种方法各有其特点和使用的范围，目前广泛应用的串珠制备方法主要是电镀法和烧结法。

本文从基本原理，各自特点，适用范围等方面简要比较了金刚石串珠不同制备方法。

关键字：金刚石串珠；制备方法；电镀；浸渍；烧结；钎焊一、金刚石串珠绳锯的应用和现状金刚石串珠绳锯具有各种不同的应用范围，主要可分成在石材行业（大理石、花岗岩）和建筑工程中的应用。

[1]金刚石串珠绳锯在石材行业的应用主要有石材开采、荒料整形、板材切割和异型制品加工。

金刚石串珠绳锯用于石材开采包括大理石、花岗岩等全部石材的开采。

具有成材率高、加工质量好、不易损坏荒料等优点，且开采过程中少有污染，是目前矿山开采必不可少的工具。

金刚石串珠绳锯具有能加工常规工具难以加工的不规则石料的特点，因此大量应用于石材整形加工中。

该技术与框架锯、金刚石圆锯片相比，具有较高的切割效率和较大的切割面积，而且噪声小。

板材切割是金刚石串珠绳锯的另一应用，单根串珠绳锯最常用于切割很厚的板材或小批量不同厚度的大板材。

多绳串珠锯切割板材具有框架锯无法比拟的优势。

串珠绳锯加工异型石材是目前技术含量最高的数控石材加工技术之一。

[2]金刚石串珠绳锯从其诞生到现在的大规模应用只经历了几十年的时间，但它却以顽强的生命力渗透于各行各业，发挥出其独特的优越性。

虽然国内外有相当数量的学者就其相关技术进行了实验性或工程上的研究，但是规模不大，深度不够，尚未形成系统性。

随着金刚石串珠绳锯技术的应用日益推广，其存在的为题也相继暴露，如断绳频繁、胎体与基体剥离、串珠固定效果差、串珠胎体性能与切割对象不匹配。

金属结合剂CBN磨具的特性随着高速磨削和超精密磨削技术的迅速发展，对砂轮提出了更高的要求，金属结合剂砂轮因其结合强度高、成型性好、使用寿命长等显著特性而在生产中得到了广泛的应用。

金属结合剂CBN磨具根据原料种类及生产工艺形式的不同又分为烧结型金属结合剂和电镀及钎焊型金属结合剂磨具，主要应用在高速钢刀具、PCD刀具刃口抛光磨削，汽车凸轮轴和曲轴外圆磨削等领域。

烧结型金属结合剂CBN磨具具有强度高、韧性好、导热性好、使用寿命长等优点。

根据结合剂中金属元素及合金成分的不同，又可以分为铜基、钴基、钛基和铁基等类别。

电镀和钎焊型CBN磨具是利用电镀和钎焊工艺，将单层的CBN磨粒通过银、镍或钛等金属黏结剂固结在金属基体上，这样制成的磨具磨粒裸露高度在40%以上，大大增加了容屑空间，能使磨粒在磨削时更锋利。

金属结合剂CBN砂轮与其他类型砂轮相比，具有如下几点优势：（1）单位体积内磨粒的利用率高。

与普通砂轮相比，金属结合剂CBN砂轮在单位砂轮体积中含有较少的磨粒，在相同的总切入力条件下，金属结合剂CBN砂轮的各个工作磨粒上将具有更大的切入压力，且磨料极大部分都按正常的“切削”状态工作，不正常的“摩擦”和“耕梨”状态少，因此形成的切屑较粗大。

（2）与陶瓷结合剂和树脂结合剂砂轮相比，可承受的磨削压力更高。

这是由于金刚石结合剂CBN砂轮的磨粒对工件的总压力使得CBN磨粒与工件保持紧密接触，CBN磨粒和它的结合剂支撑非常强固。

（3）可长时期地保持切削锋利性。

金属结合剂CBN磨具使用的CBN磨料，在品种和性能方面，与陶瓷结合剂与树脂结合剂磨具的CBN磨料有所不同，关于CBN磨料的选择有如下几点要求：（1）CBN磨料的强度，一般要求采用具有中等强度系列的品种。

（2）对于粒度的选择，需根据加工工序和粗糙度的不同要求，依据粗磨-半精磨-精磨的顺序，其粒度一般可在50/60~230/270的范围内选择，这些粒度相对应的加工粗糙度一般可达到Ra1.6 ~0.2。

金刚石磨料烧结钎焊电镀工艺金刚石磨料是一种非常硬的材料，具有优异的磨削性能和高耐磨性。

金刚石磨料广泛应用于机械加工、电子、航空航天等行业，逐渐成为各行各业中不可或缺的材料。

金刚石磨料的生产过程分为烧结、钎焊和电镀三个步骤。

下面我们将详细介绍这三个工艺。

首先是烧结工艺。

烧结是将金刚石颗粒与金属粉末混合后，在高温高压条件下进行热处理，使金刚石颗粒与金属粉末形成牢固的结合。

烧结工艺包括原料的混合、成型和热处理三个步骤。

在原料的混合阶段，金刚石颗粒和金属粉末按一定比例混合，并加入一定的粘结剂，形成均匀的混合物。

混合物经过预压处理后，进入成型阶段。

成型可采用压制法或注射法，将混合物压制成所需形状的坯体。

然后将坯体放入高温高压的烧结炉中进行热处理。

在高温高压条件下，金属粉末熔化，与金刚石颗粒形成结合，最终形成坚固的金刚石材料。

接下来是钎焊工艺。

钎焊是将烧结得到的金刚石工具与金属或合金基体进行连接。

钎焊工艺包括金属基体的清洗、钎焊剂的涂布、加热和冷却四个步骤。

钎焊前，需要对金属基体进行清洗，以去除表面污物和氧化物。

然后在金属基体上涂布钎焊剂，钎焊剂能够降低钎焊温度，并提高钎焊强度。

将烧结得到的金刚石工具放置在金属基体上，然后加热到钎焊温度，使钎焊剂熔化并与金属基体及金刚石工具形成连接。

最后，冷却金刚石工具，使其与金属基体牢固连接在一起。

最后是电镀工艺。

电镀是将金刚石颗粒和金属沉积于基体表面，以提高金刚石工具的耐磨性。

电镀工艺包括基体的准备、电解液的配制、电镀过程和后处理四个步骤。

电镀前，需要对基体进行准备，包括清洗和表面处理，以保证电镀层的质量。

然后准备电解液，通常采用金属盐类和一定添加剂配制而成。

将准备好的基体放入电解槽中，与阳极连接。

将金刚石颗粒加入电解槽，经过一段时间的电镀，金刚石颗粒沉积在基体表面形成金刚石电镀层。

最后，对金刚石电镀层进行后处理，例如抛光和清洗，以提高表面质量。

综上所述，金刚石磨料的生产过程主要包括烧结、钎焊和电镀三个工艺。

金刚石磨具用陶瓷结合剂及成型技术的研究金刚石是自然界最硬的材料，同时具有很高的强度和耐磨性，因而被制成磨削工具，用于加工其它难加工的材料，如硬质合金、金刚石复合片、陶瓷材料等。

由于金刚石高温下稳定性差，容易被氧化，使金刚石晶体受到破坏，导致磨具的磨削性能大幅度降低，因此，研制新型金刚石磨具就成为磨削应用领域的一个研究重点。

目前，金刚石磨具常用的结合剂种类有树脂、金属和陶瓷等。

其中，陶瓷结合剂金刚石磨具具有其他种类磨具无可比拟的优点，如加工效率高、形状保持性好、刚性好、加工成本低等，具有非常好的应用前景。

金刚石磨具要求陶瓷结合剂低熔点、高强度和低热膨胀系数等，以满足磨具的低温烧成，节约能源，及在低温烧结下具有一定的强度。

金刚石磨具的成型工艺在超硬材料制品行业中一直是个薄弱环节，不被人们所重视。

冷等静压成型工艺制备的坯体密度高而均匀，可以解决传统成型工艺过程中形成的组织不均匀和裂纹等结构缺陷问题，为进一步加工提供了不可估量的保证作用。

因此，寻求低熔融温度、高强度、低热膨胀系数的陶瓷结合剂和探索冷等静压成型工艺对陶瓷结合剂金刚石磨具性能的影响是本论文研究的目的。

论文以Al2O3-B2O3-SiO2系中加入三元碱为基础陶瓷结合剂（编号1#），在基础陶瓷结合剂中，再添加碱土金属氧化物MgO、ZnO和氟化物CaF2（编号2#），及在2#陶瓷结合剂中，再添加稀土氧化物CeO2（编号3#），研究添加剂对金刚石磨具用陶瓷结合剂性能和结构的影响。

采用上述某种陶瓷结合剂，研究了冷等静压成型工艺、配方和烧结工艺对陶瓷结合剂金刚石磨具性能的影响，综合分析后，优选出性能较好的陶瓷结合剂金刚石磨具配方和烧结工艺，在单向冷压、双向冷压和冷等静压三种不同成型工艺下制备成规格为D45W5砂轮，进行模拟磨削试验，系统地分析了成型工艺因素对砂轮磨削性能的影响。

研究结果表明：（1）增大陶瓷结合剂的碱土金属用量，可以明显提高陶瓷结合剂的力学性能，显著降低陶瓷结合剂的熔融温度，且陶瓷结合剂的热膨胀系数从6.61×10-6/℃降到5.37×10-6/℃。

专利名称：一种铁基结合剂金刚石工具及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：张凤林,陈家泓,刘伟,尹自强,王素娟
申请号：CN201711000853.5
申请日：20171024
公开号：CN107838416A
公开日：
20180327
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种铁基结合剂金刚石工具及其制备方法。

这种铁基结合剂金刚石工具包括结合剂和磨料；结合剂由70～90质量份FeO‑Al混合粉，5～25质量份Fe‑Si预合金粉，0.5～3质量份TiH粉，0.5～5质量份Fe粉，0.5～1质量份B粉和0.5～3质量份Si粉组成；磨料为金刚石，金刚石磨料占磨削工作层体积的5～25％。

同时也公开了这种铁基结合剂金刚石工具的制备方法。

本发明使用氧化铁与铝，加入其它结合剂，与金刚石磨料制成一种铁基金刚石工具，利用FeO‑Al原位反应的高放热焓为结合剂的烧结提供一定的能量，缩短烧结时间，减少Fe对金刚石的侵蚀作用，同时原位生成强化相，提高结合剂的力学性能。

申请人：广东工业大学
地址：510006 广东省广州市番禺区大学城外环西路100号
国籍：CN
代理机构：广州嘉权专利商标事务所有限公司
代理人：胡辉
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冶金铜基金刚石工具研究进展金刚石具有极高的硬度、极强的耐磨性和优良的物理机械性能。

以金刚石颗粒为磨料，与金属胎体经过混合烧结工艺制取的金刚石工具，由于充分利用并有效发挥了金刚石本身超硬、超耐磨、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，成为加工玻璃、花岗岩、大理石等硬脆材料不可替代的新型工具。

金刚石工具的工作层部分由金刚石磨料和胎体组成。

金刚石颗粒需要胎体的镶嵌把持才能发挥作用，金刚石工具的性能常常由胎体性能的质量来决定，其工作性能的发挥与胎体的性能是密切相关的。

由于烧结 Cu 基胎体脆而不粘，对金刚石有足够的固结力和粘结力，所以 Cu 基金刚石工具锋利、韧性好; 另外 Cu 基金刚石工具具有烧结温度低、成形性能好等特点，得到广泛应用。

但相对于 Co 基胎体，Cu 基胎体也有其自身的一些弊端，如对金刚石润湿性较差，造成金刚石工具强度、硬度低; 对金刚石的把持力较低，切削时会发生金刚石脱落，使实际参与切削的金刚石数量减少，导致宏观破碎率增加，耐磨性降低［1］。

为了克服以上缺点，科研人员将很多先进技术应用到 Cu 基金刚石工具中，例如预合金化技术、稀土元素等的应用。

本文从 Cu基胎体的分类、金刚石表面金属化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、预合金化技术在 Cu 基金刚石工具中的应用、稀土元素在 Cu 基金刚石工具中的应用等方面，综述 Cu 基金刚石工具的研究现状。

1 Cu 基胎体的分类众所周知，纯 Cu 液态对碳是呈惰性的，在 Cu-C内界面上很难发生扩散。

在Cu 中添加少量的合金元素，目的是改善 Cu 对金刚石的润湿，即降低接触角和提高 Cu 合金对金刚石的粘结强度，以此来达到工具中金刚石不过早脱落，提高金刚石工具使用性能的目的。

所以通常采用其它合金元素与 Cu 一起作为金刚石工具的胎体材料。

根据合金元素种类的不同，Cu 基胎体可分为以下几类:1) 青铜基胎体青铜基胎体是在 Cu 中加入强化元素 Sn 或再加入其它元素，青铜基胎体在金刚石工具中应用比较普遍。

金刚石工具生产工艺
金刚石工具是一种应用广泛的切削工具，由于其硬度高、耐磨性好、热传导性强等特点，被广泛应用于石材、混凝土、金属等领域。

以下是金刚石工具的生产工艺介绍。

首先，选择合适的金刚石粉末和金属粉末。

金刚石粉末的粒度大小和质量对金刚石工具的性能有重要影响，通常选择粒度为0.25-60μm的金刚石粉末。

金属粉末的选择则根据工具的具体
需求，如硬度、强度等进行选择。

然后，将金刚石粉末和金属粉末按一定比例混合，并加入适量的有机结合剂，如聚丙烯酸乙酯。

混合后的粉料要经过干燥处理，以除去多余的水分。

接下来，将混合后的粉料置于模具中，进行压制。

压制过程中，通过机械压力使粉末颗粒之间产生黏结力，形成坯体。

压制条件包括压力大小、时间等，根据工具的具体要求进行调整。

压制完成后，将坯体经过热处理。

热处理过程中，将坯体置于特定温度下进行加热，使组分之间发生化学反应，形成一定的金属结构。

热处理条件包括温度、时间等，同样需根据工具的需求进行调整。

随后，将经过热处理的坯体进行砂带抛光、电解抛光等表面处理，以提高工具表面的精度和光洁度。

最后，对已经表面处理的坯体进行切割、铣削等加工工艺，制
成所需形状的金刚石工具。

加工过程中，需注意保持工具的尺寸精度和工作面的光洁度。

以上为金刚石工具的生产工艺简要介绍，不同种类的金刚石工具在具体的生产过程中可能会有部分差异。

为了制造出高品质的金刚石工具，还需要进行严格的质量控制和检测，以保证工具的性能和使用寿命。

`第31卷第5期超硬材料工程V o l.31S U P E R HA R D MA T E R I A LE N G I N E E R I N G O c t.2019 2019年10月췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍基于铝热反应的金属结合剂金刚石工具初探李明聪,陈家泓,黄耀杰,廖燕玲,赵轩,张凤林(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)摘要:文章探索了一种基于铝热反应的新型金属结合剂金刚石工具的制备方法,分析了铝热反应制备结合剂过程的反应合成机理,研究了热压烧结温度对铝热反应结合剂的相组成㊁微观结构㊁力学性能的影响㊂制备了铝热反应结合剂金刚石磨具,并测试了干㊁湿磨两种条件下磨削建筑陶瓷砖的加工性能㊂研究表明,F e2O3-A l复合粉体在1028.8ħ开始发生铝热反应,反应产物主要为F e㊁F e3A l相以及少量A l2O3及F e A l2O4(铁铝尖晶石)相,随着热压烧结温度的升高,F e A l2O4含量有所增加,结合剂的硬度㊁致密度和抗弯强度都随之升高㊂初步测试显示铝热反应结合剂金刚石磨具可以对建筑陶瓷砖进行加工,但工具耐磨性还存在不足㊂关键词:铝热反应;金刚石工具;烧结温度;磨削;建筑陶瓷中图分类号:T Q164文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2019)05-0001-06P r e l i m i n a r y s t u d y o nm e t a l-b o n d e dd i a m o n d t o o l s b a s e d o na l u m i n o t h e r m a l r e a c t i o nL IM i n g-c o n g,C H E N GJ i a-h o n g,HU A N G Y a o-j i e,L I A O Y a n-l i n g,Z H A O X u a n,Z H A N GF e n g-l i n(S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u510006,C h i n a)A b s t r a c t:A u m i n o t h e r m i c r e a c t i o nw a s p r o p o s e d t o p r e p a r eam e t a l b o n dd i a m o n dt o o l i nt h e s t u d y.T h em e c h a n i s mo f t h e a l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o no f t h i s b o n d i nh o t-p r e s s s i n t e-r i n gp r o c e s sw a s i n v e s t i g a t e d.T h e e f f e c t o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o n p h a s e c o m p o s i t i o n,m i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o nb o n dw a s e x a m i n e d.T h e g r i n d i n gp e r f o r m a n c eo f m e t a lb o n dd i a m o n dt o o lo nc e r a m i ct i l eo nd r y a n d w e tg r i n d i n g c o n d i t i o n sw a s a l s o t e s t e d.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t a l u m i n o t h e r m a l r e a c t i o n i nh o t-p r e s s s i n t e r i n g o c c u r e d a t1028.8ħ.T h e r e a c t e d p r o d u c t s i n c l u d e dF 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n引文格式:李明聪,陈家泓,黄耀杰,等.基于铝热反应的金属结合剂金刚石工具初探[J].超硬材料工程,2019,31(5):1-6.金属结合剂金刚石工具广泛应用于花岗岩㊁大理石㊁陶瓷㊁玻璃等硬脆材料的磨削㊁成型㊁切割[1,2]㊂按照结合剂主要合金元素可将金属结合剂金刚石工具分为钴基,镍基,青铜基,铁基等几种类型㊂钴的价格昂贵,且属于国家战略性物质,铁基结合剂由于价格低廉,经强化后可以获得较好的性能,因此以铁代钴制备金属结合剂金刚石工具是一个重要的趋势[3]㊂自蔓延高温合成是基于放热化学反应的基本原理,利用外部能量使反应物局部被点燃,形成燃烧波并放出热量,此后,反应在自身放出的热量支持下继续进行,直至反应完成[4]㊂刘明耀等以锡青铜为结合剂基础,通过添加铝㊁钛等活性元素,自蔓延烧结了金刚石砂轮,并与热压烧结法制备的金刚石砂轮进行了对比,发现能源消耗大幅降低,砂轮锋利性明显提高[5,6]㊂周玉梅等在N i-A l体系中加入金刚石磨料,研究了金刚石磨料对自蔓延反应过程的影响和自蔓延反应后金刚石的表面形貌及强度变化,结果表明,与N i-A l体系相比,金刚石N i-A l体系的燃烧波速度会降低33%,反应后金刚石的平均抗压强度降低23%[7,8]㊂张凤林等研究了马弗炉加热㊁真空炉加热和高频感应加热等不同加热方式对自蔓延烧结单层金刚石磨削工具的影响,指出感应加热法是N i -A l体系自蔓延制备单层金刚石磨具的最佳方法[9]㊂在N i-A l体系中加入N i-C r-P合金㊁C u 和B等混合粉做稀释剂,能够降低燃烧波速度和自蔓延反应温度,提高结合剂对金刚石磨粒的把持力,所制备的金刚石砂轮在磨削人造合成蓝宝石的试验中表现出了磨损率小等优点[10]㊂铝热反应是自蔓延反应中的特殊的一种形式,其中,A l-F e2O3是一种传统铝热剂,能量密度为3.71k J㊃g-1㊂反应式如下:3F e2O3+8A lң2F e3A l +3A l2O3[11],以往的研究多将铝热反应应用于焊接㊁粉末冶金㊁新材料合成㊁表面涂覆等领域[12,13,14],但目前利用铝热反应制备铁基金属结合剂金刚石砂轮的研究还比较少㊂因此本文尝试利用铝热反应合成F e -A l体系金属结合剂,旨在获得一种新型的金属结合剂金刚石工具制备的相关理论和方法,并初步对反应机制㊁烧结工艺及加工性能进行探索㊂1实验方法本文采用的原材料包括F e2O3粉㊁A l粉等,具体材料参数见表1㊂将摩尔比为3ʒ8的F e2O3粉和A l 粉置于行星式球磨机中进行混合球磨,球磨机的转速为250r/m i n,时间为5h,球料比为10ʒ1㊂然后将球磨后的粉末在250M P a的冷压压力下成坯,随后置于真空热压烧结炉内进行燃烧反应,炉内加热最高温度依次为930ħ㊁1030ħ㊁1130ħ㊁1230ħ,保温时间为25m i n,加热过程中炉内真空度不小于10-2P a,最后得到铝热反应金属结合剂㊂制备铝热反应金刚石工具时,在上述配方基础上加入微量S i㊁B㊁T i等元素优化结合剂性能,并通过高频感应加热线圈对铝热反应结合剂金刚石刀头与45钢基体进行焊接㊂表1原材料的参数T a b l e1 D e t a i l s o f r a w m a t e r i a l s化学品粒度纯度来源地F e2O3粉75μm>99.9%北京中金研新材料科技有限公司(C NM) A l粉75μm>99.9%北京中金研新材料科技有限公司(C NM) S i粉10μm>99.9%北京中金研新材料科技有限公司(C NM) B粉10μm>99.9%北京中金研新材料科技有限公司(C NM) T i H2粉45μm>99.9%北京中金研新材料科技有限公司(C NM)镀W金刚石35/40目-黄河旋风股份有限公司(河南)制备的金刚石工具结构见图1所示㊂差示扫描量热分析(D S C)使用德国N E T Z S C H 公司生产的S T A449F5型热重及同步分析仪,保护气氛为A r气,升温速率10ħ/m i n;用阿基米德排水法测试结合剂的致密度;在Q T-1166型万能材料试验机上采用三点弯曲方式测定其抗弯强度;使用H R-150D T电动洛氏硬度计测试其硬度;采用型号为S500Z1的日本(b r o t h e r)精机立式铣床进行工件表面磨削,加工过程转速4000r/m i n,进给速度95mm/m i n,磨削深度0.1mm,磨削工件为建筑陶瓷砖,再使用K i s t l e r9257B A压电晶体测力仪测量磨削力;使用X射线能谱仪(E D S)和X射线衍射(X R D)对铝热反应金属结合剂产物进行表征;采用扫描电子显微镜(S E M)观察结合剂㊁砂轮及工件的微观形貌㊂2超硬材料工程2019年10月图1 制备的金刚石工具结构示意图F i g.1 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h e s t r u c t u r e o f t h e p r e pa r e dd i a m o n d t o o l 2 实验结果与分析2.1 F e -A l 体系铝热反应D S C 分析图2为F e -A l 体系铝热反应过程典型的D S C 曲线㊂可以看出:高温下存在一个吸热峰和一个放热峰,其中在668.4ħ出现吸热峰,在1028.8ħ处出现放热,1043.7ħ形成一个较强的放热峰,668.4ħ对应于铝的熔化吸热,1028.8ħ开始发生铝热反应,达到1043.7ħ则反应发生较为完全㊂为获得铝热反应结合剂,热压烧结温度应该控制在1028.8ħ附近,为此,我们后续研究了不同温度热压烧结条件下结合剂的物相和力学性能㊂图2 铝热反应D S C 分析结果F i g .2 D S Ca n a l ys i s o f a l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o n 2.2 热压烧结温度对铝热反应结合剂的影响图3是在不同温度条件下热压烧结燃烧反应产物的X R D 图㊂由图可知,930ħ热压烧结生成物有F e ㊁F e 3A l 相以及少许的A l 2O 3及F e A l 2O 4(尖晶石)相㊂但随着反应温度的提高,除了有F e ㊁F e 3A l 相外,F e A l 2O 4(铁铝尖晶石)相含量增加㊂说明随着温度的提高,反应能更加充分地进行㊂图3 不同烧结温度下铝热反应结合剂X R D 图谱F i g.3 X R D p a t t e r n s o f a l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o n b o n du n d e r d i f f e r e n t s i n t e r i n g t e m pe r a t u r e 2.3 热压烧结温度对铝热反应结合剂力学性能的影响热压烧结温度对铝热反应结合剂的硬度㊁致密度和抗弯强度的影响如图4到图6所示㊂从图中可以看出,随着热压烧结温度的增大,结合剂的硬度㊁致密度和抗弯强度都随之升高㊂这与F e 2O 3的高熔点(1565ħ)有关,A l 在930ħ时已呈液相,随着烧结温度的提高,F e 2O 3流动性得到改善,其烧结致密度也因此提高,而烧结致密度对粉末冶金烧结制品的硬度和强度有明显的影响㊂同时反应愈充分就会生成更多的F e 3A l 硬度增强相,相应提高了结合剂的硬度㊂图4 热压烧结温度对铝热反应结合剂硬度的影响F i g .4 E f f e c t o f s i n t e r i n g t e m pe r a t u r e o nh a r d n e s s of a l u m i n o t h e r m a l r e a c t i o nb o n d3第31卷 第5期 李明聪等:基于铝热反应的金属结合剂金刚石工具初探图5 热压烧结后样品的致密度F i g .5 D e n s i t y o f s a m pl e s s i n t e r e d .2.4 铝热反应结合剂金刚石工具微观结构经上述研究优化,我们选择1230ħ作为热压烧结温度并制备了铝热反应结合剂金刚石工具,升温速率为10ħ/m i n ㊂为减少较高烧结温度对金刚石的弱化作用,使用了镀钨金刚石㊂图7a -b 为不同放大倍数下金刚石工具的断口形貌㊂从图中可以看出,金刚图6 热压烧结温度对铝热反应结合剂抗弯强度的影响F i g .6 E f f e c t o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o nb e n d i n g s t r e n gt h o f a l u m i n o t h e r m a l r e a c t i o nb o n d .石工具的断面无明显的裂纹㊁气孔等缺陷㊂结合剂呈细密的网纹结构,断面表现出了明显的脆性断裂特征㊂图8是金刚石工具中结合剂与金刚石结合界面的面扫描能谱图㊂从图中可以发现,A l 元素均匀地分布在金刚石周围㊂图7 1230ħ条件下真空热压制备铝热反应结合剂金刚石工件的S E M 照片F i g .7 S E Mi m a g e s o f d i a m o n d t o o lw i t ha l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o nb o n da t t h e s i n t e r i n g t e m pe r a t u r e of 1230ħ图8 金刚石磨具样品结合界面E D SF i g .8 S E Mi m a g e s o f b o n d i n gi n t e r f a c eb e t w e e nd i a m o n d g r i t a n de l e m e n t 4超硬材料工程 2019年10月2.5 铝热反应结合剂金刚石工具的加工性能经测试,铝热反应结合剂金刚石工具的硬度为106.5H R B ㊂图9为铝热反应结合剂金刚石工具在干式和湿式条件下加工建筑陶瓷砖的磨削力对比图㊂其中F t ㊁F n ㊁F z 分别为切向力,法向力和轴向磨削力㊂由图中可以看出,湿磨的磨削力明显比干磨的低㊂2.6 被加工材料与金刚石工具表面形貌图10为加工前后陶瓷表面微观形貌㊂建筑陶瓷砖在干式磨削中主要以大块崩碎脆性去除为主,加工后表面质量较差,湿磨状态下,陶瓷砖表面质量提高,大块崩碎去除明显减少㊂干式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度R a 为6.95μm ,湿式磨削加工后陶瓷的表面粗糙度R a 为3.14μm ,说明湿式加工有效的冷却和润滑在获得较低的磨削力的同时,也使得被加工材料脆性大块崩碎的现象减少,磨削表面质量更好㊂图9 铝热反应结合剂金刚石工具干式和湿磨加工磨削力F i g .9G r i n d i n g fo r c e o f d i a m o n d t o o l s o f a l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o nb o n dw i t hd r y a n dw e t g r i n d i n g图10 磨削加工前后陶瓷表面S E M 照片F i g .10 S E Mi m a g e s o f c e r a m i c s u r f a c e :(a )r a wc e r a m i c t i l e ,(b )d r yg r i n d i n g ,(c )w e t g r i n d i n g图11为铝热反应结合剂金刚石工具干磨及湿磨后的表面形貌㊂由图可以看出,磨削中金刚石没有出现整颗脱落的现象,干磨状态下,结合剂容易出现裂纹,湿磨下也存在一些微裂纹,说明该类型结合剂的脆性较大,容易由于磨削应力和热应力出现裂纹;此外,工具整体耐磨性还存在不足,金刚石的出刃较低,也没有普通金属结合剂与金刚石之间形成的蝌蚪尾支撑结构,这一方面可能是因为反应热压烧结温度过高,导致即使经过镀钨,也会使金刚石出现明显弱化,从而出现金刚石强度降低,耐磨性差的情况,另一方面,由于结合剂硬度和脆性较大,不能有效地磨损使金刚石形成出露出刃,因此,对铝热反应结合剂金刚石工具的成分和制备工艺还需要进一步深入研究㊂图11 铝热反应结合剂金刚石工具磨损S E M 照片F i g .11 S E Mi m a g e s o f d i a m o n d t o o l sw i t ha l u m i n o t h e r m i c r e a c t i o nb o n d :(a )d r yg r i n d i n g ,(b )w e t g r i n d i n g5第31卷 第5期 李明聪等:基于铝热反应的金属结合剂金刚石工具初探3结论与展望初步探索了基于铝热反应的金刚石工具的制备方法,测试了工具的微观结构㊁力学性能及加工性能㊂主要结论如下:(1)在热压烧结的条件下,F e2O3-A l复合粉体在1028.8ħ开始发生铝热反应㊂在热压烧结过程中,随着温度的提高,F e A l2O4(铁铝尖晶石)含量有所增加,同时结合剂的硬度㊁致密度和抗弯强度随温度升高而增加㊂(2)制备的铝热反应结合剂金刚石工具初步测试可以对建筑陶瓷砖进行干式和湿式加工,但工具的耐磨性还存在不足㊂这种铝热反应结合剂金刚石工具还需要进一步对其成分和制备工艺进行深入研究㊂参考文献:[1] P e n g J,Z h a n g F,H u a n g Y,e t a l.P r e p a r a t i o n a n i c k e l-a l u m i n-i d eb o n d e dd i a m o n dt o o lb y s e l f-p r o p a g a t i n g h i g h-t e m p e r a t u r es y n t h e s i s a n d s t r e n g t h e n i n g b y n i c k e l-c h r o m i u m-p h o s p h o r u s a l-l o y a n dc o p p e r[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fR e f r a c t o r y M e t a l sa n dH a r d M a t e r i a l s,2019,82:100-109.[2] T i a nC,L i X,Z h a n g S,e t a l.S t u d y o nd e s i g na n d p e r f o r m a n c eo fm e t a l-b o n d e dd i a m o n d g r i n d i n g w h e e l s f a b r i c a t e db y s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n g(S L M)[J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2018,156:52-61.[3]李春月,罗亨萍,李炜.超细铁铜锡磷预合金粉在高铁基金刚石工具中的性能研究[J].超硬材料工程,2019(1):6-11. [4]殷声.燃烧合成[M].北京:冶金工业出版社,1999:1-2.[5]刘明耀,夏举学,邵俊永.自蔓延烧结金属结合剂金刚石砂轮及其制备方法.中国,C N101934501A,2010.08.[6]刘明耀,邵俊永,夏举学.自蔓延烧结 一种节能降耗的超硬材料砂轮制备新技术[J].金刚石与磨料磨具工程,2011,31(1): 24-27.[7] Z h o uY M,Z h a n g FL,W a n g CY.E f f e c t o fN i–A l S H S r e-a c t i o no nd i a m o n d g r i t f o r f ab r ic a t i o no fd i a m o n dt o o lm a te r i a l[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R e f r a c t o r y M e t a l s&H a r dM a t e r i-a l s,2010,28(3):416-423.[8]周玉梅,张凤林,王成勇.金刚石对N i-A l自蔓延反应过程的影响[J].金刚石与磨料磨具工程,2010,30(2):44-48. [9] Z h a n g FL,Y u a nH,W a n g CY,e t a l.M i c r o s t r u c t u r e o fN i-A l-D i a m o n dC o m p o s i t eF a b r i c a t e db y S e l f-P r o p a g a t i n g H i g h T e m p e r a t u r eS y n t h e s i s[J].K e y E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s,2005, 291:531-536.[10] Z h a n g FL,Y a n g ZF,Z h o uY M,e t a l.F a b r i c a t i o no f g r i n d-i n g t o o lm a t e r i a l b y t h eS H So fN i–A l/d i a m o n d/d i l u t e[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR e f r a c t o r y M e t a l s&H a r d M a t e r i a l s,2011,29(3):344-350.[11] L aP,W a n g H,B a iY,e t a l.M i c r o s t r u c t u r e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f b u l kn a n o c r y s t a l l i n eF e3A lm a t e r i a l sw i t h5,10a n d15w t.%C r p r e p a r e db y a l u m i n o t h e r m ic r e a c t i o n[J].M a-t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g:A,2011,528(21):6489-6496.[12]汪鑫,徐婷,高立,等.自蔓延快速合成的C u-F e-N i合金微观组织与摩擦磨损性能研究[J].热加工工艺,2017(19): 227-31.[13]任艳艳,张国赏,魏世忠,等.铝热反应中铝含量对铸渗复合层组织与性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2013(5).[14]喇培清,张丹,郭鑫,等.铝热反应制备纳米晶F e3A l过程中过冷度对晶粒尺寸的影响[J].特种铸造及有色合金,2010,30(12):췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍1082-5.中科院广州地化所等揭示天然金刚石形成新机制记者从中国科学院广州地球化学研究所获悉,该所和上海高压先进科研中心㊁美国卡内基研究院地球物理实验室科研人员合作研究发现了天然金刚石形成的新机制,为了解地幔中碳的赋存形式提供了重要依据㊂相关研究发表在‘美国国家科学院院刊“(P N A S)上㊂天然金刚石在高温高压条件下形成,主要途径包括星球撞击和巨大星球内部地质作用㊂目前研究表明,地球上大部分金刚石来源于地表以下150~240k m深度,C-O-H流体或熔体等流动性含碳相与地幔岩石中碳酸盐或硅酸盐反应,碳被还原为金刚石;在上述的深度之下,金刚石生成是碳酸盐熔体与金属铁等还原剂发生化学反应的结果㊂也就是说,地球内部的金刚石形成均涉及了流体相或熔体和另一种还原剂的存在,尚未发现碳酸盐在没有外部还原剂条件下发生亚固态分解形成金刚石的现象㊂陈鸣和毛河光等科研人员通过对我国岫岩陨石撞击坑中岩石和矿物的冲击变质效应分析,发现铁白云石这种铁镁碳酸盐在撞击产生的高温高压下发生亚固态自氧化还原反应会生成金刚石,同时伴随着二价铁氧化为三价铁㊂反应过程中既没有发生碳酸盐熔融,也没有流体和另一种还原剂的参与,这是过去尚未发现的一种金刚石形成机制㊂该机制表明,碳酸盐中二价铁在下地幔压力下起到了还原剂的作用,使得二氧化碳被还原为金刚石㊂据介绍,该项研究指出,铁白云石在化学上等同于铁方镁石与二氧化碳组合,铁方镁石是下地幔中的重要物质组成之一,这个金刚石形成机制对碳在下地幔中的存在形式具有重要启示㊂在下地幔高温高压下从铁镁碳酸盐产生或无铁碳酸盐分解出来的二氧化碳与铁方镁石反应足以形成金刚石,在这个过程中不需要另一种还原剂的参与,也无关物质的固态或熔融状态㊂铁镁碳酸盐通过本身产生金刚石的能力表明,在存在碳酸盐以及压力和温度足够高的下地幔,金刚石是碳的一个主要载体㊂(科学网)6超硬材料工程2019年10月。

烧结型金刚石砂轮的制作工艺和原料分析烧结型金属结合剂砂轮多以青铜等金属作为结合剂，用高温烧结法制造，其结合强度高，成型性好，耐高温，导热性耐磨性好，使用寿命长，可承受较大负荷。

因砂轮烧结过程不可避免地存着收缩及变形，所以使用前必须对砂轮进行整形，但砂轮修整比较困难。

目前生产常用砂轮对滚整形方法不仅修整时，烧结型金刚石砂轮费时费力，而且修整过程金刚石颗粒脱落较多，修整砂轮本身消耗很大，整形精度较低。

近年来各国学者相继开展了应用特种加工方法修整金属结合剂金刚石砂轮研究工作，主要有电解修整法、电火花修整法复合修整法等。

电解修整法速度快，但整形精度不高；电火花修整法整形精度高，既可整形又可修锐，但整形速度较慢；复合修整法有电解电火花复合修整法、机械化学复合修整法等，修整效果较好，但系统较复杂，因此烧结型金刚石砂轮修整问题仍然没有得到很好解决。

此外，由于砂轮制造工艺决定了其表面形貌随机，各磨粒几何形状、分布及切削刃所处高度不一致，因此磨削时只有少数较高切削刃切到工件，限制了磨削质量磨削效率进一步提高。

电镀金刚石砂轮电镀金刚石砂轮优点：①电镀工艺简单，投资少，制造方便；②无需修整，使用方便；③单层结构决定了它可以达到很高工作速度，目前国外已高达250~300m/s;④虽然只有单层金刚石，但仍有足够寿命；⑤对于精度要求较高滚轮砂轮，电镀唯一制造方法。

电镀金刚石砂轮正由于这些优势，电镀砂轮高速、超高速磨削占据着无可争议主导地位。

电镀金刚石砂轮存缺陷：镀层金属与基体及磨料结合面上并不存牢固化学冶金结合，磨料实际上只被机械包埋镶嵌镀层金属，因而把持力小，金刚石颗粒负荷较重高效磨削易脱落（或镀层成片剥落）而导致整体失效；为增加把持力就必须增加镀层厚度，其结果磨粒裸露高度容屑空间减小，砂轮容易发生堵塞，散热效果差，工件表面容易发生烧伤。

目前国内电镀砂轮制造尚未实现按加工条件要求而优化设计出砂轮最佳地貌，单层电镀金刚石砂轮这些固有弊端必然会大大限制它高效磨削应用。

河南工业大学课程设计课程设计名称：超硬材料烧结制品专业班级：学生姓名：学号：指导老师：何方课程设计时间：《超硬材料烧结制品》课程设计任务书目录第一章设计目的及产品说明…………………第二章设计产品的尺寸与形状………………第三章配方设计……………………………§3.1 结合剂的选择…………………………§3.2 结合剂中各成分的选择………………§3.3 结合剂中各成分的用量计算…………第四章工艺流程………………………………§4.1 工艺流程图的绘制……………………§4.2 烧结工艺………………………………第五章原材料的确定…………………………§5.1 基体……………………………………§5.2 金刚石…………………………………§5.3 金属粉末………………………………§5.4 润湿剂和临时粘结剂…………………第六章压制成型模具的设计…………………§6.1 模具结构………………………………§6.2 模具各部分尺寸的设计………………第七章设备的选择……………………………§7.1混料设备选择§7.2压机的选择………………………………§7.3烧结设备选择§7.4其它设备选择……………………………第八章操作流程………………………………§8.1 压制成型操作…………………………§8.2 热压成型操作…………………………§8.3 装炉与冷却出炉………………………第九章产品的后加工……………………第十章质量检测………………………………参考文献作为一种常用的现代工程结构建材料，混凝土在房屋.桥梁、隧道。

机场矿井等方面应用极其广泛。

随着混凝土的广泛应用，混凝土的切割也成为一个庞大的产业，特别是二战以后界各国经济快速发展，在房屋建筑道路桥梁等行业投入巨资建设，混凝土的切割技术也随之快速发展并逐渐成熟起来。

金刚石磨料烧结钎焊电镀工艺金刚石磨料、烧结、钎焊、电镀是现代工业中常用的工艺技术，它们在多个领域发挥着重要作用。

本文将从人类视角出发，以生动的方式描述这些工艺的过程和应用。

一、金刚石磨料金刚石磨料是一种采用金刚石颗粒作为磨料的磨削工艺。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，使其成为理想的磨料材料。

在金刚石磨料的制备过程中，首先需要将金刚石颗粒与粘结剂混合，形成磨料糊状物。

然后，将磨料糊涂抹在合适的基材上，并经过干燥和硬化的处理，最终制成金刚石磨料。

金刚石磨料广泛应用于工业加工中，例如对金属、陶瓷、玻璃等材料的磨削和抛光。

其高硬度和耐磨性使得金刚石磨料能够快速、高效地去除材料表面的不平整和污染物，使其表面变得光滑。

这在制造精密零件和装饰材料时尤为重要。

二、烧结烧结是一种将粉末材料通过高温加热处理使其颗粒结合的工艺。

在烧结工艺中，首先将粉末材料放置在特定的模具中，然后通过加热使其颗粒间发生烧结反应，形成致密的固体材料。

烧结工艺广泛应用于金属和陶瓷的制造中。

通过烧结，可以使粉末材料的颗粒间结合更紧密，提高材料的密度和强度。

同时，烧结还可以使材料的孔隙率降低，提高其耐高温和耐磨性能。

因此，在汽车制造、航空航天、电子器件等领域中，烧结工艺都发挥着重要作用。

三、钎焊钎焊是一种利用金属焊料在工件表面加热至一定温度下，使焊料熔化并与工件表面形成牢固连接的工艺。

在钎焊工艺中，焊料首先被加热并熔化，然后涂抹在工件接合处，通过冷却后形成可靠的焊接连接。

钎焊广泛应用于各个领域的制造中，例如汽车、航空航天、电子器件等。

相比于传统的焊接工艺，钎焊可以在较低的温度下进行，避免了材料的变形和退火。

此外，钎焊还可以实现不同金属材料的连接，提高了产品的多样性和可靠性。

四、电镀电镀是一种利用电化学方法在金属或其他导电材料表面沉积一层金属薄膜的工艺。

在电镀过程中，首先将工件浸入含有所需金属离子的电解液中，并通过外加电流的作用使金属离子还原为金属原子，从而在工件表面形成金属薄膜。