粉末冶金材料课程-第七章 粉末冶金材料应用与新发展

粉末冶金材料应用与新发展,宋春林chunlinsong,2,3,4CCaratageClarityColorCut,4,5,粉末冶金技术是金刚石工具发展的推动力,6,发展历程,早期被用作加工硬质材料（陶瓷、珠宝）的最佳工具采用机械卡固，铆镶加钎焊等工艺，制造金刚石刀具，如玻璃刀、陶瓷刻刀1862年，铸造铍青铜制造的大颗粒金刚石地质钻头19世纪末，世界工业金刚石的年用量达到20-30万克拉,7,青铜浇铸缺点,高温液态铜合金的注入易使金刚石猝热而破裂或产生裂纹金刚石的密度仅为3.5g/cm，在铜的液体里面浮移，定位困难，所以用小的金刚石做钻头、锯片和砂轮，几乎不可能有色金属基体耐磨性差，不能适应恶劣条件下工作的金刚石工具对胚体性能的要求,8,粉末冶金制造金刚石工具,可以使用从毫米级大颗粒至微米级金刚石粉末金刚石颗粒在工具中的分布和浓度可以通过调节金属粉末的比例和粉末的布装方式实现合金胎体的耐磨性可以在很大范围内变动，适应不同耐磨性的要求，尤其可以配制WC基的高耐磨胎体可以制造形状比较复杂的工具制造工艺简便，成本低，效率高,9,粉末冶金制造金刚石工具,10,高温高压合成金刚石,三个里程：高温高压合成磨料级金刚石单晶体，高温高压成形烧结金刚石聚晶体和气相沉积（CVD）金刚石薄膜20世纪50年代，以高温高压技术（1300，5000Mpa）使石墨片或石墨粉末，在触媒（Ni、Mn、Co等）的促进下转化成磨料级金刚石单体,11,高温高压合成金刚石,12,烧结金刚石聚晶体,20世纪70年代，发展高温高压烧结金刚石聚晶体（PCD）工艺过程为：将数十微米至几微米的金刚石粉末与少量金属结合剂，如Ni-Si，Ti-Si，TiH-Si-B以及Co等混合，在1300，5000-6000Mpa下烧结成不同性状的金刚石聚晶体-金属烧结体。这里加入的强碳化物形成元素Ti，Si等与金刚石颗粒的界面反应而形成相应的碳化物，加强了结合力。金刚石微粒之间也发生了烧结现象,13,人工合成金刚石品种,14,高温高压合成磨料级金刚石,15,高温高压合成磨料级金刚石,16,合成金刚石的热稳定性,高温高压合成金刚石的工艺状况，导致可能夹杂细小触媒，碳素材料或气泡合成金刚石加热到600-700时，强度会明显下降如果想要更好的热稳定性，则选择天然的金刚石较好,17,金刚石聚晶体：自由形体聚晶体,这类聚晶体无衬托物，有三角形、四方形、半圆柱形、锥形评判金刚石聚晶体的质量主要是耐磨性通过改变粘结剂组分，减少粘结剂含量，细化金刚石堆积方式，可获得不同强度与耐磨性的聚晶体目前金刚石聚晶体的磨耗比已达到：1：（200000-300000）,18,金刚石聚晶体：拉丝模金刚石聚晶体,20世纪70年代英国DeBeers首先推出即在硬质合金环中嵌压金刚石聚晶体，经激光打孔，研磨成不同孔径的金刚石拉丝模细化金刚石粒度可使聚晶体耐磨性增大，以便于更细丝的拉拔,19,金刚石聚晶体：金刚石聚晶复合片,英国DeBeers和美国G.E.公司推出的在高温高压腔体中，以硬质合金片为衬底，复压成形厚度为0.5-0.8mm的金刚石聚晶体可制作多种理想的刀头，制作多种多样的切削刀具,20,化学气相沉积金刚石膜,原料：低于2%碳源的气体（甲烷、丙烷、乙炔等）+高于98%的氢通过1700-2000或更高温度热丝理解在800-1050衬底上沉积金刚石膜沉积速率为每小时10-20mm，面积达100cm2,21,化学气相沉积金刚石膜,22,金刚石与金属合金的浸润性及金刚石表面金属化,23,金刚石与低熔点纯金属的浸润性,低熔点合金对金刚石没有浸润性，不能用它们对金刚石施加焊接,24,合金元素对金刚石浸润性的影响,25,合金元素对金刚石浸润性的影响,26,合金元素对金刚石浸润性的影响,为了增加浸润性，需要添加少量强碳化物形成元素，即那些对碳原子有强烈的亲和力而能形成稳定的碳化物的元素，如Ti，Zr，Cr，V，Ta，Hf，Nb，Si一般原子结构中d层或f层未填满电子的过渡元素均能改变金刚石与合金的界面状态，降低金刚石与合金之间的界面能添加少量强碳化物，合金液相和金刚石晶体表面之间会发生液-固相反应，生成碳化物,27,合金与金刚石结合界面的微区分析,28,合金与金刚石结合界面的微区分析,29,金刚石表面金属化,30,金刚石表面金属化：固相反应,在金刚石表面形成一层强碳化物薄膜：100nm,加热,镀膜,真空气相沉积、离子溅射、化学镀膜、冶金包覆,强碳元素与金刚石发生反应,电镀或者化学镀,31,金刚石表面金属化：液相反应,考虑到固相强碳化物形成元素薄膜与金刚石之间的反应温度偏高在有液相存在下，这种界面温度将大大降低使金刚石与低熔点的合金溶液接触，发生界面反应，控制厚度在100nm以下，然后使金刚石颗粒与液相合金分离，形成一层完整的生成碳化物,32,金刚石表面金属化：气相反应,当金刚石颗粒细小，上述两种方法均存在一定困难，即细小颗粒的表面很难实现均匀的界面反应强碳化物元素蒸汽均可以用来与金刚石表面进行界面反应，从而在金刚石表面产生稳定的金属碳化物，如Ti，Cr，W等,33,粉末冶金法制造金刚石工具的工艺,34,基本工艺,35,胎体粉末,金刚石工具用胎体粉末一般为200-300目，对于超细金刚石工具，应相应选用更细的金属粉末粉末颗粒越细就越容易氧化，所以常用的金属粉末Fe、Co、Ni、Cu等均需要氢气还原处理,36,胎体粉末,胎体粉末需要和金刚石粉末进行预混合，为了防止金刚石粉末“上浮”、聚集，需要添加少量的湿润剂，如无水乙醇、汽油、汽油树脂溶液通常采用预合金化粉,37,烧结工艺,将金刚石颗粒与胎体合金材料混合、压制成形，在还原气氛中，于高于部分合金液相线500-100进行烧结此法工艺简单，操作连续而批量大，成本低,38,热压工艺,将金刚石颗粒与胎体合金粉末混合，布装在石墨腔体中，在高于液相熔化温度50-100下，施加5-40Mpa压力热压成形、冷却分为三个阶段热塑性形变，一般温度在1000以下，在压力作用下少量收缩粘滞性流动阶段，当操作合金液相线时，会产生40%左右的液相，促使粉体在压力下迅速流动、收缩，这儿阶段的收缩量可占总收缩量的70%以上致密化阶段：合金之间的相互扩散，粉体孔隙进一步被排除，而最后获得接近理论密度的胚块,39,热压工艺,40,热压工艺,41,松装浸渍,将金刚石-骨架材料混合粉末置于石墨模腔中，仅需振实，使粉体均匀充满型腔，然后将整个石墨模具置于烧结炉中浸渍这种工艺最突出的优点是粉体不必经过压制成形，凡是粉末能填充的部位，都能浸渍成形，可以制作形状十分复杂的金刚石工具,42,松装浸渍,43,松装浸渍工艺：浸润性,44,松装浸渍工艺：粉末颗粒,45,浸渍法的问题,国内目前所有的浸渍材料，均不能很好浸润金刚石（浸润角大于90）,46,金刚石工具胚体材料性能与成分,47,胎体性能的基本要求,胎体合金各成分在高温下不与金刚石起化学作用,48,胎体性能的基本要求,合金胎体的线膨胀系数与金刚石相近,49,胎体性能的基本要求,50,胎体性能的基本要求,51,胎体性能的基本要求,52,胎体合金组元的烧结性与力学性能,（1）添加元素与WC-Cu、WC-Cu-Sn的烧结性WC为首选的耐磨骨架，Cu为高温烧结（大于1000）的液相组元，Cu-Sn合金则是低温烧结（小于1000）的液相组元液相Cu或Cu-Sn在其相应熔点50以上，对WC的浸润角在30左右，故WC-Cu或WC-Cu-Sn不是很好的烧结系，如WC-Cu在1100和1200下热压，其最高相对密度仅90%加入3%Co之后，由于Cu-Co合金与Cu-Sn-Co合金对WC骨架的浸润性改善，热压烧结的相对密度接近100%在有部分液相存在下，合金系的烧结性主要取决于液相对固相的浸润性。二者浸润性越好，合金的烧结性越好。,53,胎体合金组元的烧结性与力学性能,（2）胎体烧结温度的调整金刚石工具胎体的烧结温度主要由组成液相合金的液相出现温度决定通过添加合金元素，可以比较容易地调整烧结温度，例如WC-Co，WC-Ni高耐磨硬质合金，烧结温度在1350以上，对金刚石不利。加入少量的P、Cu、Mn，液相出现温度大为降低，可以实现1050烧结例如Ni-Cu-Sn、Co-Cu-Sn，Fe-Cu-Sn合金的胎体，变化Sn和Cu的比例，可以获得液相温度较低的合金。但是当Sn含量大于6%时，会出现脆性相，超过20%后会非常脆，故一般Sn含量在10-15%之间，Cu-15%Sn液相出现在756，如果要进一步降低烧结温度，可添加Mn、Be、P、Zn等金属,54,胎体合金组元的烧结性与力学性能,（3）影响胎体力学强度的因素残留孔隙率严重过影响胎体强度对于同一胎体合金成分，烧结温度略高将有利于胎体材料合金化及致密化过程，胎体强度将显著提高合金元素的正确选择是获得良好力学性能胎体的基本条件：1、凡是能强化铜合金性能的元素，如Be、Mn、Ni、Cr、Fe、P等2、在骨架材料和液相材料之间增加强韧的元素，如Ni、Co、Fe，可提高WC-Cu、WC-Cu-Sn合金的强度,55,胎体合金对金刚石的可焊性,56,常用胎体材料合金元素作用,57,常用胎体材料合金元素作用,58,常用胎体材料合金元素作用,59,常用胎体材料合金元素作用,60,常用胎体材料合金元素作用,61,常用胎体材料合金元素作用,62,常用胎体材料合金元素作用,63,常用胎体材料合金元素作用,64,常用胎体材料合金元素作用,65,金刚石工具制造工艺,66,金刚石砂轮修正工具：单晶金刚石刀,67,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正笔,68,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正笔,69,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正笔,70,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正笔,71,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正片,72,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正片,73,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正片,74,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正片,75,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正滚轮,76,金刚石砂轮修正工具：金刚石砂轮修正滚轮,77,金刚石石油钻头：磨削型,78,金刚石石油钻头：磨削型,79,金刚石石油钻头：磨削型,80,金刚石石油钻头：切削研磨型,81,金刚石石油钻头：切削研磨型,82,金刚石石油钻头：切削研磨型,83,金刚石石油钻头：切削型,84,金刚石石油钻头：切削型,85,孕镶式金刚石