青铜结合剂金刚石砂轮胎体性能评价与制备工艺研究

论文摘要

青铜结合剂金刚石砂轮具有胎体材料结合力强、耐磨、砂轮型面精度高、寿命长、可以承受大负荷等优点,但也存在效率低、自锐性能差的缺点。因此,青铜砂轮主要用于非金属硬脆性材料的加工,也用于硬质合金的粗磨、半精磨、深磨、成型磨等。用于固结金刚石磨粒的青铜胎体材料性能是砂轮性能好坏的决定性因素,胎体性能主要受胎体配方、混配料工艺、烧结工艺等决定。对胎体性能进行合理的表征和评价,无论是在实验研究还是实际生产中都非常重要,是指导和改进工具性能的关键所在。现阶段仍然普遍采用力学性能,如硬度、抗弯强度、冲击韧性等对工具性能进行评价,该方法存在一定的局限性。本文针对青铜结合剂金刚石砂轮质量稳定性差,胎体性能评价不够合理的现象,提出了用金相分析的手段对胎体进行检测,并结合力学性能测试的结果,对砂轮生产工艺流程进行改进。在某公司青铜结合剂金刚石砂轮配方及制备工艺的基础上,设计制备了一定规格的青铜胎块试样,于四种不同工艺条件下进行压制烧结。利用X射线衍射分析技术、背散射电子图像技术、X射线能谱分析技术和金相分析技术对试样的微观组织结构进行了分析；结合金相组织分析了四种不同工艺条件下制备的胎块试样的微观组织差异,对胎块的烧结机理进行了分析；结合金刚石砂轮对金属结合剂的要求,分析了各工艺条件下制备的胎块试样显微组织结构的优缺点。金相分析结果表明：四种不同工艺条件下制备的胎块均由两种物相构成,Sn溶入Cu的固溶体α相{Cu,Sn｝,和以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体δ相Cu41Sn11；α固溶体为塑性相,在金相显微镜下为白色块状形貌,（α+δ）共析体为硬脆相,在金相显微镜下为青灰色不规则带状,中间分布有相对小的白色块状；烧结温度在710℃到740℃的范围内,α固溶体的含量先增加后减少,且在第四种工艺条件下α固溶体颗粒尺寸明显增大,气孔含量大量增加且集中连贯分布；（α+δ）共析体在第二种和第三种工艺条件下相对较多,气孔含量没有发现明显的规律性。在金相分析结果的基础上,对四种不同工艺条件下的胎块试样进行了力学性能测试,包括试样密度、洛氏硬度、抗弯强度和摩擦磨损性能的测试,并结合金属结合剂金刚石砂轮对结合剂性能的要求以及磨削过程的基本原理,对测试结果进行了分析。胎块试样的密度测试结果显示随着烧结温度的增加,胎块孔隙率逐渐增加,且在7400C有较大幅度的增加；洛氏硬度测试结果显示,胎块试样上端面的硬度大于下端面的硬度,宏观硬度与胎块试样中硬脆相的含量并不存在直接的关联,与胎块试样的孔隙率变化存在相似的趋势；抗弯强度结果显示,随着胎块试样孔隙率的增加,抗弯强度减小；摩擦磨损试验结果显示,胎块试样中硬脆相和孔隙的含量对其耐磨性有决定性的影响,通常用宏观硬度衡量胎体材料耐磨性的方法不够合理。从金相分析结果和力学性能测试结果,得出四种工艺条件下制备的青铜胎块存在性能不稳定的缺点,在实际生产过程中,设备精度差及操作失误均容易导致废品的产生,有必要对烧结过程中炉膛的温度场分布做进一步的分析,预压成型压力、烧结温度和保温时间也可能存在不合理性,需要通过实验进一步验证。因此利用数值模拟软件CFDesign对不同升温速率下炉膛的温度场分布、开启炉门对炉膛温度场分布的影响,以及烧结过程中的制品的温度变化和炉膛的温度场分布进行了研究。同时改变了预压成型压力、烧结温度、烧结时间等工艺参数,制备了一系列的试样,并分别采用金相分析技术和力学性能测试对样品性能进行检测,对工艺流程提出了改进意见。烧结过程温度场模拟结果显示：炉膛中温度场分布存在一定的差异；烧结胎块试样采用的四种烧结工艺,都存在保温时间过短,胎体试样未达到设定的烧结温度的问题；模具及胎块试样温度场分布均存在一定的差异,升温速率越快温度分布差异越大,胚体的导热率对温度差异也有显著的影响；将炉膛加热到一定温度之后,再将试样带模放入炉膛中烧结的工艺存在一定的合理性,但前期升温速率较快容易导致压胚热应力较大,需要考虑设置一定的保温阶段消除这一影响,总的来说该工艺能够有效的提高实际生产中金刚石磨具的生产效率。工艺改进实验结果表明,半热压工艺过程中的预压成型压力,对制品性能也有显著的影响,但在实际生产中却没有引起足够的重视；烧结温度的增加相对于延长烧结时间,对试样的金相组织影响更加明显,通过增加工艺过程中的预压成型压力和降低烧结温度延长烧结时间,能够起到增加制品性能稳定性的作用；在给定的工艺范围内,预压成型压力设置为150MPa,烧结时间为80min,烧结温度在680℃至710℃的范围内变化时,试样的力学性能变化不大,试样中硬脆相的含量随温度的增加先增加后减少；在720℃条件下烧结,金相颗粒尺寸明显增大,样品中出现了过烧现象。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 金刚石磨具金属结合剂的研究现状
• 1.1.1 金属胎体体系的研究
• 1.1.2 原料粉末制备方法的研究
• 1.1.3 金刚石磨粒与胎体结合机理的研究
• 1.1.4 胎体性能评价体系的研究
• §1.2 课题的提出、目的及意义
• §1.3 论文的研究思路、研究内容及研究方法
• 1.3.1 论文的研究思路
• 1.3.2 论文的研究内容及研究方法
• 第二章 胎块制备及金相分析
• §2.1 胎块试样制备
• §2.2 青铜胎块金相分析
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 背散射电子图谱和能谱分析
• 2.2.3 金相分析
• 2.2.4 显微硬度测试
• §2.3 烧结机理分析
• 2.3.1 烧结机理定性
• 2.3.2 工艺参数对烧结机理的影响
• 2.3.3 不同工艺条件下制备的青铜胎块金相分析
• §2.4 本章小结
• 第三章 力学性能测试
• §3.1 胎块密度的测定
• §3.2 胎块硬度的测定
• §3.3 胎块抗弯强度的测定
• §3.4 胎块摩擦磨损性能测试
• §3.5 本章小结
• 第四章 烧结过程热场模拟及工艺改进
• §4.1 烧结过程中的热场模拟
• 4.1.1 CFDesign功能及计算步骤
• 4.1.2 传热原理
• 4.1.3 模型建立
• 4.1.4 电阻炉升温过程模拟
• 4.1.5 开启炉门对炉膛温度场影响的模拟
• 4.1.6 烧结过程温度场模拟
• §4.2 工艺改进
• 4.2.1 工艺参数选择
• 4.2.2 金相分析及力学性能测试
• §4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• §5.1 主要结论
• §5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献