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技術(shù)講堂!不同燒結工藝制備的 Fe 基孕鑲金剛石磨頭結構和摩擦磨損性能(一)
發(fā)布時(shí)間:2017-12-14 點(diǎn)擊數:2753

本文采用真空熱壓法,以 Fe 基元素混合粉末和MBD8 人造金剛石為原材料,制備Fe基孕鑲金剛石磨頭試樣。通過(guò)調整燒結溫度和壓力,改變磨頭顯微結構、力學(xué)性能和界面結合狀況,研究制備工藝對磨頭摩擦磨損行為的影響機理,從而優(yōu)化胎體與金剛石的耐磨匹配性和界面結合特性,有效提高磨頭的摩擦磨損性能。


1實(shí)驗


1.1 試樣制備


Fe 基孕鑲金剛石磨頭成分如表 1 所列。Fe 粉為氣霧化粉,平均顆粒尺寸 53 um ;Cu,Ni,Sn 粉為電解粉,平均顆粒尺寸 48 μm;金剛石磨粒選用平均顆粒尺寸 400 μm 的 M BD 8型人造金剛石。


 


     按表 1 成分稱(chēng)取粉末,用三維渦流混料機(TD .21混合 1.5h?;旌戏勰┭b模后在真空熱壓燒結機(RYJ.2000Z)q~燒結,并隨爐冷卻,試樣尺寸有 40 m m X 8m m ×7 m m 和 24 m ×12 m ×4 film 兩種,分別用于力學(xué)和摩擦磨損性能測試。燒結工藝分別為:680 ℃ /15 M Pa/4 m in、760 ℃/15 M Pa/4 m in 和 760 ℃/23 M Pa/4。



1.2 性能及結構分析


       用HBRVU-187.5 型布氏硬度計和A G一10TA 型萬(wàn)能力學(xué)試驗機測量試樣硬度和抗彎強度。摩擦磨損試驗在 M RH-3 銷(xiāo)盤(pán)式摩擦試驗機上進(jìn)行,試驗裝配示意圖如圖1所示。上試樣為Fe基孕鑲金剛石磨頭,尺寸為24mm ~ 12m m ×4 mm ,摩擦面為 12m m X 4m m表面。對偶件為花崗巖(五蓮紅)圓盤(pán),直徑 49 m m ,厚 13 m lTl。摩擦磨損試驗前,用 100#砂紙將磨頭開(kāi)刃,50N 載荷下干摩擦,摩擦時(shí)間為60min,轉速為200 r/m in 。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(JSM -6700F)~U附帶波譜儀(W D S)的電子探針(EPM A 一1600)對試樣斷口和摩擦面進(jìn)行表面形貌觀(guān)察和微區成分分析,用x 射線(xiàn)衍射儀(R igaku D /Max一2400)分析斷口物相。


                     


2  實(shí)驗結果



2.1  磨頭力學(xué)性能


表2所列為不同燒結工藝Fe基孕鑲金剛石磨頭的硬度和抗彎強度測試結果。由表 2 可知,提高燒結溫度或燒結壓力,磨頭的硬度和抗彎強度均增大。


               

       
圖2 所示為相同彎曲載荷下3種不同工藝磨頭的應力應變曲線(xiàn)。3條曲線(xiàn)均存在彈性變形區(0~900 N ) 和塑性變形區( > 900N ),680 ℃/15MPa/4 min 和 760℃/15 MPa/4min 工藝磨頭的應力應變曲線(xiàn)在0~1450N區間基本重合,760 ℃/15MPa/4 m in 工藝磨頭斷裂前塑性變形量較大,說(shuō)明其韌性較好。760 ℃/23 MPa/4 ra in 工藝磨頭的應力應變曲線(xiàn)在彈性變形區的斜率較小,表明其具有較高的剛度。


                   


       2.2   磨頭斷口結構



圖3所示為不同的燒結工藝Fe基孕鑲金剛石磨頭的斷口形貌,圖中 (d) , (e), (f)為(a),(b),(c)方形框區域胎體放大照片,(g),(h),(i)為圓形框區域金剛石放大照片。680 ℃/15 MPa/4 min 工藝磨頭斷口中金剛石有脫落現象,組成胎體的粉末顆粒大多為機械結合,金剛石和胎體界面有較大縫隙,金剛石完好,如圖3(a),(d),(g)所示。760 ℃/15 MPa/4 min工藝磨頭斷口的金剛石未脫落,胎體斷口表現為以韌窩為特征的解理斷裂和穿晶斷裂的混合形貌,金剛石和胎體結合緊密,金剛石表面出現顯微裂紋和刻蝕坑(圖3(b),(e),(h))。760 ℃/23 MPa/4 min 工藝磨頭胎體也是混合斷口,金剛石在胎體中鑲嵌很好,金剛石發(fā)生解理斷裂,表面出現刻蝕坑(圖3(c),(f),(i))。





圖 4 為試樣斷口 XRD 圖譜。由圖可知,胎體以Fe,Cu,(Fe,Ni)固溶體為主相,760 ℃/15 MPa/4 min和760 ℃/23 MPa/4 min 工藝較680 ℃/15 MPa/4 min 工藝增加了Fe的碳化物(Fe2C,FeC)和銅錫化合物。


                   





2.3磨頭的摩擦磨損性能


       表3所列為不同燒結工藝Fe基孕鑲金剛石磨頭的磨削比。磨削比是摩擦磨損過(guò)程中金剛石磨頭損耗體積量與被加工工件去除體積量的比值,以表征磨頭耐磨性能。由表3可知,760 ℃/15 MPa/4 min工藝磨頭的耐磨性能最好,680 ℃/15 MPa/4 min 和760 ℃/23 MPa/4 min工藝磨削比相差不大。



圖 5 所示為不同燒結工藝磨頭的摩擦因數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。在680 ℃/15 MPa/4 min 工藝條件下,0~14 min內摩擦因數不斷減小,14 min 后摩擦因數基本不變,可知摩擦開(kāi)始階段有效參與磨削金剛石數目隨摩擦時(shí)間的增加不斷減少,之后保持一個(gè)較穩定水平,如圖5(a)所示。在760 ℃/15 MPa/4 min工藝下,隨時(shí)間增加,磨頭摩擦因數總體呈下降趨勢,在0~15 min 和 26~42 min 內波動(dòng)較大,而在 15~26 min 和42~60 min 內趨于穩定,證明有效參與磨削的金剛石總數不斷減少且存在波動(dòng)、穩定交替的變化規律(如圖5(b)所示)。760 ℃/23 MPa/4 min 工藝下,磨頭摩擦因數在0~10 min 內保持穩定,而后逐漸下降,說(shuō)明磨頭經(jīng)歷穩定磨削到耐磨性能下降的過(guò)程(如圖 5(c)所示)。