机加工刀具用金刚石复合体的研究

论文摘要

本文简述了金刚石复合片（简称PDC）国内外发展概况,针对国内刀具用PDC的技术发展现状及存在的不足,在工业生产条件下利用正交试验方法进行了PDC合成工艺的优化及验证,借助扫描电镜、能谱、X衍射、激光拉曼光谱等先进检测手段,分析与研究了本研究产品的主要性能,旨在开发出高性能刀具用金刚石复合片。本研究开展了以下工作:（1）进行了合成腔体内的压力标定、温度标定,使用有限元分析方法模拟分析了合成腔体内的温度分布;研究了叶腊石块的失重率、抗压强度、剪切强度随着焙烧温度的变化规律及叶腊石的焙烧工艺;利用正交试验方法进行了PDC合成工艺的优化及验证。（2）采用混合烧结和渗透烧结相结合的方法合成刀具用PDC,分析了其烧结的热力学、动力学特征,并指出:在金刚石微粉层中添加了合成温度下可熔融并对金刚石颗粒表面侵润的金属的方法应是加速PDC烧结和组织均匀化过程的有效方法。（3）研究了在不同合成条件下所合成的PDC的耐磨性、显微硬度、抗弯强度的变化规律及径向耐磨性的分布特征,指出了合成工艺的控制和调整原则。（4）从原材料选择和层间结合强度方面研究了PDC的耐热性能,优选出可明显提高PDC耐热性能及成品率的工艺方法。（5）使用本研究合成的PDC制作的刀具进行了切削铝合金的试验,研究了切削参量对切削力及被加工工件表面粗糙度的影响规律、性能变化特征,研究了实验刀具切削高硅铝合金的磨损形态、特征,分析、探讨了其磨损机理;同时分析研究了切屑特征和被加工工件材料的切除机理;最后研究对比了本研究合成的PDC与韩国PDC产品的切削使用效果。本研究取得了以下创新成果:（1）利用有限元分析结果优选合成块端片材料,实现合成腔体的温度补偿,有效避免了腔体扩大后温度分布剃度过大的弊端,减少了PDC边缘和中心的温度差,使PDC的烧结更均匀。（2）首次提出以混合烧结和渗透烧结相结合的方法合成PDC,指出在金刚石微粉层中添加在PDC合成温度下可熔融并对金刚石颗粒表面侵润的金属的方法应是加速PDC烧结和组织均匀化过程的有效方法。（3）首次以超硬材料混合料（CBN+Al+Co）作为PDC的过渡层材料,既提高了PDC的耐热性和成品率,同时有效抑制了PDC脱层、碎裂现象的产生。采用镀钛金刚石微粉（平均粒度5微米）合成PDC,其耐热性能约提高了200℃左右。（4）利用测试结果回归分析了合成腔体中的温度与加热电流存在的对应关系:Y=1.15531.799,并指出合成腔体的加热主要是由焦耳效应形成热量。（5）通过切削较高Si含量铝合金的方法,快速查明PDC刀具切削硅铝合金时的磨损特性及规律。（6）在工业生产条件下进行PDC的研究开发,成果不需中试可直接进入产业化阶段。项目所研制的PDC与韩国日进的PDC使用寿命相当,项目产品已达到韩国产品的质量水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金刚石的发展、结构、性质及应用
• 1.1.1 金刚石的发展
• 1.1.2 金刚石的结构
• 1.1.3 金刚石的性质
• 1.1.4 金刚石的应用
• 1.2 刀具用金刚石复合片（PDC）的发展概况和趋势
• 1.2.1 PDC刀具材料的发展概况
• 1.2.2 PDC刀具材料的发展趋势
• 1.3 刀具用金刚石复合片（PDC）的合成方法及分类
• 1.4 刀具用PDC材料性能的研究
• 1.4.1 PDC的耐热性
• 1.4.2 PDC的耐磨性
• 1.4.3 PDC的抗冲击韧性
• 1.5 本论文研究课题背景及拟开展的研究工作
• 第二章 原料与试验方法
• 2.1 原材料的选用和处理
• 2.1.1 主要原材料
• 2.1.2 其它原材料
• 2.2 高压腔体内压力与温度的标定
• 2.2.1 高压腔体内压力的标定
• 2.2.2 高压腔体内温度的测量
• 2.3 PDC的高温高压合成
• 2.4 PDC的性能检测
• 2.4.1 物相形貌检测
• 2.4.2 耐磨性检测
• 2.4.3 耐热性检测
• 2.4.4 显微硬度测试
• 2.4.5 抗弯强度（TRS）测试
• 2.4.6 抗压强度测试
• 2.4.7 导电性测定
• 2.4.8 切削性能检测
• 第三章 刀具用金刚石复合片合成工艺的研究
• 3.1 高压腔体压力与温度的标定
• 3.1.1 常温下压力的标定
• 3.1.2 高温下压力的标定
• 3.1.3 高压腔体内温度的标定
• 3.1.4 有限元温度分析
• 3.2 PDC合成工艺的研究
• 3.2.1 真空净化处理工艺的确定
• 3.2.2 叶腊石的选择及其焙烧工艺的研究
• 3.2.3 合成工艺参数的研究
• 3.3 小结
• 第四章 刀具用金刚石复合片烧结机理的研究
• 4.1 PDC烧结的热力学特征
• 4.2 PDC烧结的动力学特征
• 4.3 粉末颗粒的烧结过程
• 4.4 刀具用PDC在高温超高压条件下的液相烧结
• 4.5 小结
• 第五章 刀具用金刚石复合片力学性能的研究
• 5.1 PDC的耐磨性研究
• 5.1.1 PDC磨耗比检测
• 5.1.2 PDC磨耗比检测结果分析讨论
• 5.2 PDC显微硬度测定
• 5.2.1 显微硬度压头及负荷的选用
• 5.2.2 PDC显维硬度检测
• 5.3 PDC抗弯强度（TRS）分析
• 5.3.1 不同烧结温度PDC抗弯强度试验
• 5.3.2 不同合成时间PDC抗弯强度试验
• 5.3.3 不同粒度PDC抗弯强度试验
• 5.4 小结
• 第六章 刀具用金刚石复合片耐热性能的研究
• 6.1 金刚石粉末的热分析
• 6.2 PDC的热分析
• 6.3 采用过渡层合成PDC的研究
• 6.3.1 试验方法
• 6.3.2 试验结果
• 6.3.3 分析与讨论
• 6.4 小结
• 第七章 PDC刀具的切削特性及评价
• 7.1 切削形成的热电偶热电势与温度的标定及高硅铝合金性能
• 7.1.1 热电偶热电势与温度的标定
• 7.1.2 铝合金的成分和形貌及部分力学性能
• 7.2 PDC刀具车削普通铝合金的性能变化特征
• 7.2.1 被加工工件表面粗糙度在切削参量作用下的变化特征
• 7.2.2 切削力在切削参量作用下的变化特征
• 7.2.3 PDC刀具车削普通铝合金时的性能变化特征分析
• 7.3 PDC刀具切削高硅铝合金切削力和温度在切削参量作用下的变化待征
• 7.3.1 切削力和温度在不同切削参量作用下的变化特征
• 7.3.2 PDC刀具角度变化后的切削力和工件表面粗糙度的变化特征
• 7.4 PDC刀具车削高硅铝合金时的性能变化特征分析
• 7.5 金刚石复合片刀具磨损过程及特征
• 7.5.1 不同粒度的金刚石复合片刀具磨损
• 7.5.2 PDC刀具磨损量随加工过程的变化
• 7.6 PDC刀具磨破损形态与磨损机理探讨
• 7.7 切屑特征和被加工工件材料的切除机理
• 7.7.1 切屑形态
• 7.7.2 刀具粘结
• 7.7.3 切削机理的分析
• 7.8 研制的金刚石复合片的性能水平
• 7.8.1 PDC刀具切削普通铝合金的试验研究
• 7.8.2 与韩国同类产品的对比切削试验研究
• 7.9 小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 结论
• 8.2 本研究的特点
• 8.2.1 立足于解决行业技术难题，开发出市场急需产品
• 8.2.2 主要技术创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果