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技术讲堂!不同烧结工艺制备的 Fe 基孕镶金刚石磨头结构和摩擦磨损性能(一)
发布时间:2016-12-14 点击数:2805

本文采用真空热压法,以 Fe 基元素混合粉末和MBD8 人造金刚石为原材料,制备Fe基孕镶金刚石磨头试样。通过调整烧结温度和压力,改变磨头显微结构、力学性能和界面结合状况,研究制备工艺对磨头摩擦磨损行为的影响机理,从而优化胎体与金刚石的耐磨匹配性和界面结合特性,有效提高磨头的摩擦磨损性能。


1实验


1.1 试样制备


Fe 基孕镶金刚石磨头成分如表 1 所列。Fe 粉为气雾化粉,平均颗粒尺寸 53 um ;Cu,Ni,Sn 粉为电解粉,平均颗粒尺寸 48 μm;金刚石磨粒选用平均颗粒尺寸 400 μm 的 M BD 8型人造金刚石。


 


     按表 1 成分称取粉末,用三维涡流混料机(TD .21混合 1.5h。混合粉末装模后在真空热压烧结机(RYJ.2000Z)q~烧结,并随炉冷却,试样尺寸有 40 m m X 8m m ×7 m m 和 24 m ×12 m ×4 film 两种,分别用于力学和摩擦磨损性能测试。烧结工艺分别为:680 ℃ /15 M Pa/4 m in、760 ℃/15 M Pa/4 m in 和 760 ℃/23 M Pa/4。



1.2 性能及结构分析


       用HBRVU-187.5 型布氏硬度计和A G一10TA 型万能力学试验机测量试样硬度和抗弯强度。摩擦磨损试验在 M RH-3 销盘式摩擦试验机上进行,试验装配示意图如图1所示。上试样为Fe基孕镶金刚石磨头,尺寸为24mm ~ 12m m ×4 mm ,摩擦面为 12m m X 4m m表面。对偶件为花岗岩(五莲红)圆盘,直径 49 m m ,厚 13 m lTl。摩擦磨损试验前,用 100#砂纸将磨头开刃,50N 载荷下干摩擦,摩擦时间为60min,转速为200 r/m in 。利用场发射扫描电镜(JSM -6700F)~U附带波谱仪(W D S)的电子探针(EPM A 一1600)对试样断口和摩擦面进行表面形貌观察和微区成分分析,用x 射线衍射仪(R igaku D /Max一2400)分析断口物相。


                     


2  实验结果



2.1  磨头力学性能


表2所列为不同烧结工艺Fe基孕镶金刚石磨头的硬度和抗弯强度测试结果。由表 2 可知,提高烧结温度或烧结压力,磨头的硬度和抗弯强度均增大。


               

       
图2 所示为相同弯曲载荷下3种不同工艺磨头的应力应变曲线。3条曲线均存在弹性变形区(0~900 N ) 和塑性变形区( > 900N ),680 ℃/15MPa/4 min 和 760℃/15 MPa/4min 工艺磨头的应力应变曲线在0~1450N区间基本重合,760 ℃/15MPa/4 m in 工艺磨头断裂前塑性变形量较大,说明其韧性较好。760 ℃/23 MPa/4 ra in 工艺磨头的应力应变曲线在弹性变形区的斜率较小,表明其具有较高的刚度。


                   


       2.2   磨头断口结构



图3所示为不同的烧结工艺Fe基孕镶金刚石磨头的断口形貌,图中 (d) , (e), (f)为(a),(b),(c)方形框区域胎体放大照片,(g),(h),(i)为圆形框区域金刚石放大照片。680 ℃/15 MPa/4 min 工艺磨头断口中金刚石有脱落现象,组成胎体的粉末颗粒大多为机械结合,金刚石和胎体界面有较大缝隙,金刚石完好,如图3(a),(d),(g)所示。760 ℃/15 MPa/4 min工艺磨头断口的金刚石未脱落,胎体断口表现为以韧窝为特征的解理断裂和穿晶断裂的混合形貌,金刚石和胎体结合紧密,金刚石表面出现显微裂纹和刻蚀坑(图3(b),(e),(h))。760 ℃/23 MPa/4 min 工艺磨头胎体也是混合断口,金刚石在胎体中镶嵌很好,金刚石发生解理断裂,表面出现刻蚀坑(图3(c),(f),(i))。





图 4 为试样断口 XRD 图谱。由图可知,胎体以Fe,Cu,(Fe,Ni)固溶体为主相,760 ℃/15 MPa/4 min和760 ℃/23 MPa/4 min 工艺较680 ℃/15 MPa/4 min 工艺增加了Fe的碳化物(Fe2C,FeC)和铜锡化合物。


                   





2.3磨头的摩擦磨损性能


       表3所列为不同烧结工艺Fe基孕镶金刚石磨头的磨削比。磨削比是摩擦磨损过程中金刚石磨头损耗体积量与被加工工件去除体积量的比值,以表征磨头耐磨性能。由表3可知,760 ℃/15 MPa/4 min工艺磨头的耐磨性能最好,680 ℃/15 MPa/4 min 和760 ℃/23 MPa/4 min工艺磨削比相差不大。



图 5 所示为不同烧结工艺磨头的摩擦因数随时间的变化曲线。在680 ℃/15 MPa/4 min 工艺条件下,0~14 min内摩擦因数不断减小,14 min 后摩擦因数基本不变,可知摩擦开始阶段有效参与磨削金刚石数目随摩擦时间的增加不断减少,之后保持一个较稳定水平,如图5(a)所示。在760 ℃/15 MPa/4 min工艺下,随时间增加,磨头摩擦因数总体呈下降趋势,在0~15 min 和 26~42 min 内波动较大,而在 15~26 min 和42~60 min 内趋于稳定,证明有效参与磨削的金刚石总数不断减少且存在波动、稳定交替的变化规律(如图5(b)所示)。760 ℃/23 MPa/4 min 工艺下,磨头摩擦因数在0~10 min 内保持稳定,而后逐渐下降,说明磨头经历稳定磨削到耐磨性能下降的过程(如图 5(c)所示)。