粉末烧结Cu-Fe基金刚石复合材料力学性能及界面结合特性研究

论文摘要

金属基金刚石复合材料工磨具由于其切割锋利、效率高、寿命长以及良好的刃口形貌保持能力，被广泛应用于加工陶瓷、磁性材料（铁氧体及各种磁头材料）及水晶、石材、石英等。要充分发掘金刚石工磨具切削性能必须解决以下问题：合适的烧结方法和工艺，改善界面结合，考虑各种特殊因素的影响。针对以上存在的问题，本文采用真空热压烧结工艺，通过正交试验在不同烧结温度、烧结压力、保温时间条件下制备Cu-Fe基金刚石复合材料；应用热力学理论计算界面反应及金刚石石墨化吉布斯自由能变化，预测界面反应发生的可能性和石墨化几率；并且通过实验研究了烧结工艺参数对Cu-Fe基金刚石复合材料组织结构、力学性能、界面结合特性的影响，并评价了其摩擦磨损性能。得到了如下结论：1.应用标准反应热效应理论，计算了本实验条件下碳化物形成元素Cr与C反应生成碳化物吉布斯自由能变化小于零；应用经典热力学理论计算本实验金刚石石墨化的吉布斯自由能变化亦小于零，在热力学上这些反应均可自发进行。2.随着烧结温度升高，烧结体系产生大量Cu，Sn液相活化了烧结，增大了颗粒间润滑，减少了Fe颗粒之间摩擦力，使得颗粒重排变的容易，进而促进孔隙收缩，提高了材料的致密度和力学性能。3.随着烧结压力增大，Cu/Fe粉末颗粒产生塑性变形而导致颗粒间接触面积增大，颗粒间压应力增加了烧结颈中空穴扩散驱动力，促进了扩散进而活化烧结，使得材料力学性能得以提高。4.随着保温时间延长，界面处金刚石表面碳原子和Cr原子反应生成Cr23C6和Cr7C3物相，界面由机械结合变成冶金结合，提高了界面结合强度而使得材料的横向断裂强度得以提高；致密度提高和（Fe，Ni）固溶体产生则提高了材料硬度。但是过分延长保温时间，虽然界面反应和界面扩散更加充分，且生成更多界面碳化物物相，但碳化物物相多为脆性物相，导致界面结合强度减弱，从而使材料横向断裂强度下降；然而致密度进一步提高和更多固溶体产生对于硬度提高是起促进作用的。这说明适度界面反应使得金刚石和胎体发生冶金结合，这对于提高材料横向断裂强度是有益的，但是过度界面反应是有害的。5.界面处元素浓度分布梯度和界面放热反应，提供了胎体中Cr原子向界面处扩散的驱动力和界面反应初始激活能，并且被EDX和XRD表征所验证。6.烧结过程中，金刚石在热力学上处于不稳定状态，容易发生石墨化转变，但是被真空、快速、低温烧结以及界面反应所抑制，在动力学上石墨化为小概率事件，故可忽略不计，这与理论计算结果相一致，证明了计算结果的正确性。7. Cu-Fe基金刚石复合材料耐磨性能不仅由硬度决定，而且受复合材料界面结合性能影响。界面结合状况好，横向断裂强度高，磨削比大而切削性能好。通过以上研究，我们明确了不同烧结工艺参数对Cu-Fe基金刚石复合材料力学性能的影响规律，以及从热力学和动力学上明确了界面反应和金刚石石墨化机理。为开发高切削性能金刚石复合材料工磨具提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 粉末冶金技术
• 1.1.1 粉末冶金的定义
• 1.1.2 粉末冶金技术的发展
• 1.1.3 粉末冶金技术及其优缺点
• 1.2 金刚石工磨具复合材料研究现状
• 1.2.1 胎体金属粉末
• 1.2.2 界面结合特性
• 1.2.2.1 国外研究现状
• 1.2.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 添加活性元素
• 1.3 界面研究方法
• 1.4 选题意义和研究内容
• 1.4.1 选题的意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 Cu-Fe 基金刚石复合材料制备及理论计算
• 2.1 试样制备
• 2.1.1 金属粉末选取和试样制备
• 2.1.2 实验工艺过程
• 2.2 界面反应热力学计算
• 2.2.1. 标准反应热效应理论
• 2.2.2 界面反应热力学计算
• 2.2.3. 计算结果
• 2.3 金刚石石墨化热力学计算
• 2.3.1 经典热力学理论
• 2.3.2 金刚石石墨化热力学计算
• 2.3.3 计算结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 Cu-Fe 基金刚石复合材料力学性能
• 3.1 力学性能试验及分析方法
• 3.1.1 致密度的测量
• 3.1.2 硬度测试
• 3.1.3 横向断裂强度测试
• 3.1.4 显微组织及成分测试
• 3.2 力学性能测试结果
• 3.3 烧结温度对 Cu-Fe 基金刚石复合材料力学性能的影响
• 3.3.1 致密度
• 3.3.2 横向断裂强度
• 3.3.3 硬度
• 3.4 烧结压力对 Cu-Fe 基金刚石复合材料力学性能的影响
• 3.4.1 致密度
• 3.4.2 横向断裂强度
• 3.4.3 硬度
• 3.5 保温时间对 Cu-Fe 基金刚石复合材料力学性能的影响
• 3.5.1 致密度
• 3.5.2 横向断裂强度
• 3.5.3 硬度
• 3.6 显微组织及物相分析
• 3.6.1 显微组织分析
• 3.6.2 物相分析
• 3.6.3 拉曼光谱分析
• 3.6.4 显微组织结构对力学性能的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 界面结合特性研究
• 4.1 界面显微结构研究
• 4.2 界面成份研究
• 4.2.1 界面物相
• 4.2.2 界面元素分布
• 4.3 界面反应分析
• 4.4 金刚石石墨化分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 Cu-Fe 基金刚石复合材料摩擦性能分析
• 5.1 摩擦试验方法
• 5.1.1. 磨削比及摩擦系数测量
• 5.1.2 磨损表面、断裂面形貌及微区成分分析
• 5.2 磨削比
• 5.3 摩擦系数
• 5.4 Cu-Fe 基金刚石复合材料的磨痕形貌和磨痕面分析
• 5.4.1 Cu-Fe 基金刚石复合材料的磨痕形貌
• 5.4.2 Cu-Fe 基金刚石复合材料的磨痕面分析
• 5.4.3 Cu-Fe 基金刚石复合材料中金刚石的磨损形式
• 5.5 Cu-Fe 基金刚石复合材料的摩擦磨损机理
• 5.6 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士期间所发表的论文