【摘 要】
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金属结合剂金刚石工具因具有高强度、高硬度、耐磨性好、导热性好等特点被广泛用于机械加工、地质勘探、石油开采等领域。然而,金属结合剂金刚石工具在制备和使用过程中主要
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金属结合剂金刚石工具因具有高强度、高硬度、耐磨性好、导热性好等特点被广泛用于机械加工、地质勘探、石油开采等领域。然而,金属结合剂金刚石工具在制备和使用过程中主要存在如下问题:目前该工具主要采用传统烧结方法制备,存在烧结温度高、反应时间长、浪费能源等缺点。另外,该工具在加工新型难加工材料时,需要进一步提高其综合性能。本文以Cu-Fe-Ni-Sn为基础金属结合剂体系,采用万能材料试验机、洛氏硬度计、X射线衍射仪、超景深显微镜等分析检测手段,主要研究烧结方式(传统烧结、微波烧结)、添加剂(纳米WC、纳米VC/CrC、碳纳米管)及结合剂制备方式(机械合金化粉、雾化预合金粉)对金属结合剂及其金刚石制品的微观结构和力学性能影响。结果表明:(1)采用微波烧结可以使金属结合剂及其金刚石制品在较低温度下均具有较高的强度和硬度,在烧结温度700℃-850℃之间,成分分布更加均匀,晶粒更细,强度和硬度均高于传统无压烧结。其中,微波烧结金属结合剂在烧结温度为800℃时强度和硬度最高(强度为1259.71MPa,硬度为HRB96.1),微波烧结金属结合剂金刚石制品在850℃下烧结性能最好。此时,强度和硬度分别达到252.34MPa和HRB116.7。(2)在微波烧结条件下,机械合金化法制备的金属结合剂的抗弯强度和硬度随温度的升高呈先升高后降低的趋势,在700℃时其强度和硬度达到最高,分别为963MPa和HRB102;机械合金化法制备的金属结合剂金刚石制品的抗弯强度随温度的提升先升高后降低,在720℃烧结时其强度和硬度最高,分别为392MPa和HRB83。(3)在微波烧结条件下,添加纳米WC后,金属晶粒明显细化,元素分布更加均匀。当纳米WC添加量为20%、烧结温度为850℃时,金属结合剂的综合性能最佳(抗弯强度为1417MPa,硬度为HRB117.5),抗弯强度和硬度分别提升了 289MPa(25.62%)和HRB18.1(18.21%);金属结合剂金刚石制品的抗弯强度随温度的升高而增大,在纳米WC添加量为10%,烧结温度为900℃时,抗弯强度最高,为381.19MPa。烧结制品的硬度随着纳米WC的添加量增大基本呈现逐渐降低趋势。(4)在微波烧结条件下,添加碳纳米管后:金属结合剂在碳纳米管添加量为0.4%、烧结温度为800℃时性能最好。此时,抗弯强度达到1398.24MPa,硬度为HRB109.8;金属结合剂金刚石制品的抗弯强度和硬度随温度的升高呈上升趋势,随碳纳米管添加量的增大呈下降趋势。(5)在微波烧结条件下,添加纳米CrC/VC后:金属结合剂金刚石制品的抗弯强度和硬度随烧结温度的升高呈上升趋势;在较高温度下,金属结合剂金刚石制品的抗弯强度和硬度随纳米CrC/VC添加量的增大基本呈先升高后降低的趋势。其中,当温度为850℃、纳米CrC/VC添加量为2%时,烧结体具有较高的综合性能(抗弯强度为342MPa,硬度为HRB119.2)。
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