复合材料及其技术在工具研制中的应用
- 格式：pdf
- 大小：133.30 KB
- 文档页数：3
第32卷第2期 人 工 晶 体 学 报 Vol.32 No.2 2003年4月 J OURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS April,2003
复合材料及其技术在工具研制中的应用
王 忠
(人工晶体研究院,北京100018)
摘要:本文报道了复合材料技术在工具制备中的应用。
探讨了固态热压法制备金属基金刚石复合材料的成型方法,并研究了工具实际使用过程中金属基胎体与金刚石之间,工具本身与被加工对象以及加工设备和使用者之间的关系。
关键词:复合材料;金属基;金刚石工具
中图分类号:TF124.5 文献标识码:A 文章编号:1000 985X(2003)02 0162 03
Application of Composite and Technique
in Preparation of Diamond Tools
WANG Zhong
(Research Ins ti tute of Synthetic Crys tals,Beijing100018,Chi na)
(Rece ived10October,2002)
Abstract:The application of c omposite technique in the preparation of tools was reported in this paper.The solid hot pressure method in the preparation of metal matrix diamond composite,and the relations between metallic matrix and dia monds,tools and processing objects,equipment and users in the practical use of the composite tools were disc ussed.
Key words:composite;metal matrix;diamond tools
1 引 言
所谓的复合材料,是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料,按适当的形式排列的相所组成的新材料。
它不但具有各种组分材料原有的性能,而且具有原来材料所不具备的性能,还在某特定的范围内连续变化[1]。
在我国古代,很早就出现过这种复合材料的萌芽,如釉面瓷器就是由瓷土(高岭土)作为基层,外涂釉料(主要成分为石英、长石等),经烧结复合而成的。
现代科学技术的发展,仿制作手段、设备的不断提高,促使各种各样性能优异的复合材料大量问世,如聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等等。
而合成技术也不断的创新和发展,如涂层复合技术、自蔓延高温合成技术、梯度复合技术、微波烧结技术、纳米复合技术、等离子放电烧结技术等等,现代的复合材料技术已经成为材料制备的极为重要的手段之一[2]。
有了复合材料技术,才使得人类能创造出许多单一材料所不具备的、性能独特的材料,从而才能制造出各种性能特殊的元器件、部件工具等物品,使得人类研究、探索、改造自然的能力和手段极大的提高,生活变得更加丰富多彩。
节块式金刚石工具就是典型的复合材料应用实例。
其制作工艺过程为:将金属粉末与金刚石颗粒充分混合后,通过冷压成型后,放置在氢气炉里烧结(也可以直接热压烧结),形成金刚石和金属基构成的复合材料节块,然后焊接在金属基体上,就制成了金刚石工具。
金刚石工具主要用于石材、玻璃、耐火材料、收稿日期:2002 10 10
作者简介:王 忠(1960 ),男,四川省人,高级工程师。
晶体材料等非金属硬脆材料的切、磨、抛、铣、钻等加工方面。
在节块式金刚石工具问世以前,加工硬脆的非金属材料,一直是用金属工具,在使用时,工作面需要撒上钢砂或刚玉砂作为工作介质,不但加工效率极低,而且加工面极不规则。
人们渴望有一种既超硬耐磨又易于加工成型的材料,来制成这类的加工工具,使得加工既很容易又能保证加工面的规则和较高精度。
人造金刚石的问世,使得该材料成为一种理想的、经济的工业用磨料。
金刚石具有很高的硬度,极为耐磨,但它是一种韧性较差的脆性材料,同时人造金刚石颗粒通常较小,约在36~200目之间,从而不可能直接制成加工工具。
而金属材料虽然可以用不同的原料粉配比,能达到较高的硬度和耐磨性,并易于成型,但很难满足加工硬脆材料的锋利度和耐磨性要求。
用金刚石颗粒与金属粉热压复合的材料,则可以既体现金刚石的高强耐磨性,又体现金属材料的良好韧性,制成的工具在保证加工锋利度的同时,又保证较好的耐磨性,并使加工面很规则。
2 实验过程
金刚石工具节块是典型的金属基复合材料,成型方法多采用固态热压法。
具体制作的方法及过程为:
(1)预混配料:将铁、铜、镍、锌等金属粉按一定比例,放入球磨机中混合,8~15h 后取出;
(2)混料:将一定组分的金刚石与混合后的金属粉一起放入专用的混料机中,再混合1~2h 后取出;
(3)称量后,按要求放入石墨模具中,上下同时加压(见图1),压力约为300GPa,在加压的同时通电流I ,使其升温,加热温度约为900~1100 ,时间约2~
5min;
图1 固态热压法示意图
Fig.1 Schematic diagram of the solid hot pressure
method
图2 金刚石工具示意图Fig.2 Schematic diagram of diamond tools
(4)停止加热后,压力保持3~5min 后退模。
金刚石复合材料烧结的工作原理为:在烧结工艺温度下,金刚石颗粒由于保护气氛(石墨模具)的保护不碳化而保持不变,高温金属只有局部(尖角)熔化,这两种颗粒形成均匀分布骨架,而低温金属发生熔化后,在外压力作用下,只能向骨架的间隙渗透,从而基本将其
填满,可达理论密度的98%左右。
成型的节块表面经
抛光后,用肉眼观察与普通的合金块无异,但未经抛光
的断面,在显微镜下,可观察到明显的由高温金属和金
刚石形成的颗粒骨架,以及骨架间隙中存在不规则形
状的已熔化过的低温金属,证实了熔化的金属冷却后
将未熔的颗粒骨架牢牢地焊接起来,形成了金属(假)
合金基中间均匀分布金刚石颗粒的复合材料[3]。
将制作好的节块焊接在金属圆片的端面,就制成
金刚石锯片(图2a);焊在圆盘的侧面,就制成金刚石163第2期 王 忠:复合材料及其技术在工具研制中的应用
磨盘(图2c);焊在圆筒的端面,就制成金刚石空心钻(图2b)。
其工作原理为:开始工作时,表面金属基首先接触到被加工件(图3a),很快被磨掉,使内部的金刚石粒暴露,形成尖锐的粗糙面(图3b),具有很强的切削能力,同时由于金刚石的支撑作用,金属基磨损速度减少。
随着金刚石磨损加大,粗糙度下降(图3c),金属基的磨损加剧,失去对金刚石的把持作用,导致金刚石粒脱落。
这时第二层金刚石开始露出少许(图3d),此时的金属基磨损最快。
继续下去,第二层金刚石充分暴露,再次形成尖锐的粗糙面(图3e),再次具备很强的切削能力,这个过程称为自锐过程。
如此循环往复,直到整个复合材料节块消耗完。
当然实际过程远比这复杂得多,金刚石粒是均匀分布,很难严格分出第几层,但总是随上层的逐渐消耗,下层的逐渐暴露,从平滑到粗糙的过程的持续时间总是大大的小于从粗糙到平滑的持续时间,故在实际中几乎观察不到切削能力的明显下降,以致人们总是认为切削能力始终保持不变。
因此,从宏观的角度可以认为这种复合材料基本具备超硬的切削能力、较好的耐磨性和韧性,且便于制作加工,
是一种制作硬脆材料加工工具的理想材料。
图3 石材加工过程中节块状态变化示意图
Fig.3 Schematic diagram of segments in working stones
由于此类工具在使用中,其切削能力和耐磨性都很重要,两者往往不能都很高。
切削能力取决于复合材料节块的自锐性,自锐性太高,金刚石粒未来得及发挥足够的作用就脱落了,这往往是金属基的耐磨性不好造成的,最终使得工具的切割寿命下降,加工成本上升;自锐性太差,金刚石暴露困难,这往往是金属基的耐磨性太好造成的,最终使得工具的切割效率下降,切割质量变差。
上述所谓的金属基的耐磨性的好坏都是相对的,这涉及到被加工对象,金刚石粒的品质及使用者对工具效率与寿命的偏好。
因此,复合材料节块的自锐性涉及到的因素很多,如被加工对象、金属粉的成份及配比、金刚石的强度、粒度及组分,配装的设备参数、使用者的偏好等等。
在工业生产中,还需要考虑所选材料的经济性等。
因此此种复合材料的设计是一个十分复杂的过程。
3 结 论
随着现代科学技术的发展,无论是传统的工业领域,还是在生物、医学、航空航天、电子、通讯等高新技术领域,都对各种各样的材料提出了更新更高的性能要求,而多样化的需求有效地拉动了新型复合材料技术和产品的不断涌现;同时,不断发展的科学技术为复合材料的制备提供了新的手段和工艺,极大的丰富了材料制备的方法,使许许多多前所未有的、性能优异的复合材料得以创造出来,也大大地拓宽了复合材料的应用领域,因此复合材料从结构性应用领域向功能性领域的发展,也就成为一个极为重要的发展趋势,也是必然的趋势。
参
考文献[1]
魏月贞.复合材料[M].科学出版社,1987:58 93.[2]
G.皮亚帝.复合材料进展[M].北京师范大学出版社,1984:133 156.[3]王艳辉,等.镀W 金刚石与金属结合面成分、结构及结合性能[J].人工晶体学报,1993,22(4):68 70.164人工晶体学报 第32卷。
