表面改性金刚石微粉在粉末法生产铜基触点中的应用

金刚石与金属铜基体之间具有相对较高的界面能,使金属铜基体与金刚石微粉界面结合不稳、存在少量间隙,导致金刚石微粉与金属基体结合强度降低。直接影响触点材料的力学性能及电气性能的提高。文中针对如何改善金刚石与铜基体的润湿性,研究化学镀Cu层包覆金刚石微粉,对金刚石微粉表面进行改性,提高金刚石与铜基体的润湿性,从而提高粉末法铜基低压电触点性能。研究制定金刚石微粉表面化学镀铜层包覆工艺,经过试验证明金刚石微粉经过净化、粗化、敏化、活化处理后,可以进行化学镀Cu形成金刚石微粉表面包覆Cu层。该工艺具有易操作、成本低、效率高等优点,是提高金刚石微粉与铜基体润湿性的有效方法。     

多晶金刚石微粉的制备及其得率和耐磨性

以土状石墨粉和铜粉为原料,采用粉末冶金法制备了铜/石墨材料,然后采用冲击波合成工艺制备了多晶金刚石微粉;研究了铜含量、石墨粒径、热处理以及复压工艺对其得率和耐磨性的影响。结果表明:多晶金刚石微粉的得率随铜含量的增加而增大,随石墨粒径的增大而先增后降,粒径为70μm时的得率最高;复压前,多晶金刚石微粉的得率随热处理温度的升高先略增加后又急剧降低,复压后,得率随热处理温度的升高而增大;制备工艺对多晶金刚石微粉耐磨性能的影响较小。     

钎焊金刚石研究进展及其工具的应用

现有的钎焊金刚石方法无法避免金刚石石墨化以及高温热损伤,因此基于金刚石/钎焊合金界面润湿性、金刚石钎焊机理、钎焊金刚石方法,综合分析影响钎焊金刚石性能的主要因素,并概括总结国内外单层和多层钎焊金刚石工具的研究成果。详细论述钎料合金成分、钎焊温度、保温时间、钎焊气氛以及表面金属化等因素对钎焊金刚石的影响。各因素不但影响钎料合金/金刚石界面相互作用(包括界面润湿、界面化学反应、界面微观结构、金刚石热损伤等),而且会引起残余热应力的产生,进而影响焊接接头的质量。如钎料合金中的活性元素在界面处相互扩散并形成化合物是金刚石与基体以及钎料合金实现高强度连接的关键;适宜的钎焊温度以及恰当的保温时间不但会使界面结合力增强,降低界面残余应力,还能减少反应界面微观孔洞、疏松等缺陷的形成;采用真空或保护气氛环境,可以降低金刚石的氧化和石墨化程度。通过现阶段钎焊金刚石工具的发展现状,结合社会生产现实需要,对其发展方向和未来要克服的难题进行展望。     

铁基作用下的金刚石石墨化研究

通过构建含催化剂铁的金刚石仿真模型,进行了金刚石石墨化的三维分子动力学仿真,获得了金刚石在铁基催化剂作用下的石墨化机理。并对化学气相沉积金刚石进行了摩擦化学抛光试验,验证了铁基金属对金刚石石墨化的催化作用。分子动力学仿真结果表明铁原子的存在会降低金刚石石墨化的转变温度,进一步的微观结构分析可以得出,在催化剂作用下的石墨化机理是:铁原子价电子层中的未配对电子与金刚石原子的电子相互作用,形成了化学键,对金刚石原子产生吸引作用,使其逐渐变为石墨结构。所以铁基催化剂具有催化作用的原因就是铁原子价电子层结构中含有未配对的电子,而且与金刚石原子结构符合对准原则。试验结果验证了仿真结论的正确性。研究结果表明,金属铁的存在会加速金刚石石墨化的过程,利于对金刚石刀具的超精密加工。     

线锯用金刚石微粉表面化学镀镍工艺及性能研究

金刚石微粉性能是提升金刚石线锯性能的关键因素。用化学镀方法在线锯用金刚石微粉表面镀镍,通过正交试验研究金刚石粒度、次亚磷酸钠浓度、镀液pH值和镀液温度对化学镀镀层沉积速率、镀层密度、镀层耐腐蚀性能、镀层致密度等性能的影响。结果表明：M1/2、M6/12、M20/30三种不同粒度金刚石微粉,在次亚磷酸钠浓度为25～35g/L、化学镀液pH值为3～11、化学镀温度为30℃～90℃时,针对镀层沉积速率、镀层密度和镀层耐腐蚀性的最佳工艺参数不同;不同粒度的金刚石微粉在相同工艺条件下化学镀镍,金刚石微粉粒度越大,镀层越均匀致密;金刚石微粉化学镀镍各工艺参数之间相互作用,共同影响镀层性能。对于不同粒度的金刚石微粉,各因素对镀层性能的影响权重不同,因此针对不同粒度、不同镀层性能需求的金刚石微粉应采取不同的镀覆工艺参数。     

钎焊气氛对金刚石钎焊性能的影响

主要利用Cu-10Sn-5Ti钎料粉末,在空气、Ar气保护和真空气氛下分别对金刚石进行钎焊试验,通过扫描电子显微镜观测金刚石钎焊形貌、X射线衍射仪分析界面生成物成分、激光拉曼光谱仪检测金刚石石墨化程度、磨损试验分析金刚石破损形式等手段,考察研究不同钎焊气氛对金刚石钎焊性能的影响。试验结果表明,在空气中钎焊时,钎料粉末出现了一定的氧化,生成的氧化膜阻碍了界面反应的充分进行,对钎焊性能有一定的影响,金刚石也出现了较严重的热损伤,磨削过程中出现了少数部分颗粒脱落的情况;而在Ar气保护和真空钎焊时,钎料充分润湿和铺展,实现了对金刚石的高强度把持,金刚石石墨化程度很小,金刚石主要经历了完整、小块破碎、大块破损、磨平等正常磨损形式,金刚石利用率高。     

添加石墨对Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石磨粒界面组织的影响

钎焊单层金刚石工具磨粒具有高的出刃和把持力,但在高温钎焊过程中易造成金刚石较大的热损伤,利用在Ni-Cr合金中添加适量的石墨,期望能够阻止金刚石石墨化,降低金刚石焊后热应力和过度反应。采用添加质量分数为0%、1%、2%石墨的Ni-Cr合金作为钎料对金刚石进行保护气氛钎焊试验,钎焊温度1 050℃保温5 min,利用扫描电镜对焊后金刚石的形貌和焊缝组织进行分析,测试钎缝的显微硬度。结果表明,添加1%石墨的钎料对金刚石润湿性较好,添加的C元素能够与Cr元素反应后形成碳化物,其中部分Cr3C2在金刚石表面形核长大,并与金刚石有一定位向关系,Cr7C3的形貌由实心转变为空心,钎缝中形成簇状共晶石墨,显微硬度由630 HV0.2下降到580 HV0.2,有利于金刚石磨粒的后期出露和降低热应力。     

铜-石墨复合电极材料耐电蚀性试验研究

通过复合电铸技术在耐电蚀性强的铜主体中引入抗电蚀性能优异的微粉石墨成功制备了铜-石墨复合电极材料,试验研究了复合电极材料的抗电蚀能力。结果表明：在微粉石墨添加量36-48g／L,阴极电流密度2～3A／dm^2以及适当温度和搅拌强度等条件下制备的复合电极材料表现出优异的耐电蚀性能。     

过渡金属作用下的金刚石石墨化机理研究*

从电子和原子角度解释了过渡金属对金刚石石墨化催化作用的机理,即过渡金属具有空d轨道,并且在某一面上与金刚石(111)面原子符合对准原则。为了验证此结论,基于第一性原理建立铬、铁、钴、钛、铂、铝、铜原子与金刚石原子的作用模型,进行仿真计算,得到不同过渡金属对金刚石石墨化的影响规律。仿真结果表明：Cr、Fe、Co、Ti、Pt作用下的金刚石结构出现不同程度的石墨化现象,而Al、Cu作用下的金刚石无石墨化现象。不同金属作用下金刚石原子结构的平面度由小到大依次为铁、铬、钴、钛、铂、铝、铜;碳原子间方差由小到大依次为铁、铬、钴、铂、钛、铝、铜;系统能量变化由大到小的顺序依次为铁、铬、钴、铂、钛。通过比较,铁、铬、钴原子对金刚石石墨化具有明显的催化作用,铂、钛原子有一定的催化作用,而铝、铜原子则无催化作用。当金属具有空d轨道且与金刚石在一定面上符合对准原则,未配对电子越多,金属对金刚石石墨化的催化作用越强;反之,当金属价电子层无d轨道或d轨道电子是充满状态时,金属对金刚石石墨化无催化作用。该研究为利用金刚石石墨化机理刃磨金刚石刀具提供了理论基础。     

金刚石切削黑色金属时刀具磨损机理的摩擦磨损试验

为了降低黑色金属金刚石切削过程中的刀具磨损,提高表面加工质量和精度,对刀具磨损机理进行了研究.通过黑色金属金刚石摩擦磨损试验,模拟了实际切削过程中的刀具磨损行为;分别采用扫描电镜(SEM) 、X射线能谱仪(EDS)以及拉曼光谱仪(RS)对工件表面形貌、实验前后工件表面化学组分变化以及金刚石磨损表面的晶体结构转变进行了检测,同时提出了用石墨化程度作为试验过程中评价金刚石磨损的指标.试验结果表明:金刚石的磨损主要与机械力和温度有关,摩擦速度和工件材料中的含碳量对其影响相对较小;石墨化磨损、扩散磨损和氧化磨损等磨损机理共存,其中石墨化为导致金刚石磨损的主要原因.结合红外热像仪测温和热传导理论推算,近似获得了摩擦界面的真实温度,且随着温度升高15％,金刚石石墨化程度显著加剧83％.作者提出,应当综合考虑热-力耦合作用下的刀具磨损机理,以便进一步探寻抑制刀具磨损的工艺措施.     

MULTI-SCALE AND MULTI-PHASE NANOCOMPOSITE CERAMIC TOOLS AND CUTTING PERFORMANCE

An advanced ceramic cutting tool material Al2O3/TiC/TiN (LTN) is developed by incorporation and dispersion of micro-scale TiC particle and nano-scale TiN particle in alumina matrix. With the optimal dispersing and fabricating technology, this multi-scale and multi-phase nanocomposite ceramic tool material can get both higher flexural strength and fracture toughness than that of Al2O3/TiC (LT) ceramic tool material without nano-scale TiN particle, especially the fracture toughness can reach to 7.8 MPa·m0.5. The nano-scale TiN can lead to the grain fining effect and promote the sintering process to get a higher density. The coexisting transgranular and intergranular fracture mode induced by micro-scale TiC and nano-scale TiN, and the homogeneous and densified microstructure can result in a remarkable strengthening and toughening effect. The cutting performance and wear mechanisms of the advanced multi-scale and multi-phase nanocomposite ceramic cutting tool are researched.     

微米硬质相对相变增韧陶瓷刀具材料的影响

本文分别研究了微米TiC和微米TiN对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-ZrO2微观结构和力学性能的影响。结果表明,添加微米TiC后,陶瓷刀具材料的断裂韧度略有下降。添加微米TiN的陶瓷刀具材料A5Nm20Z在烧结温度为1650℃、烧结压力为30MPa和保温时间为30min时的力学性能最好,抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为845.14MPa、4.87MPa·m1/2和16.40GPa。     

Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理

在Al2O3/TiC陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂CaF2来改善其摩擦学特性,制备出Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具.以该陶瓷刀具对45钢进行干切削试验,结果表明添加固体润滑剂的Al2O3/TiC/CaF2自润滑刀具的摩擦因数比未添加固体润滑剂的Al2O3/TiC陶瓷刀具显著降低,表现出了良好的减摩效果.在切削过程中,Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具中的固体润滑剂由于受到摩擦和挤压作用而析出,能在刀具前刀面上形成润滑膜,可阻止刀-屑间的粘着,显著降低前刀面与切屑间的平均摩擦因数.对自润滑陶瓷刀具切削后磨损表面显微分析表明,前刀面在切削过程中形成了自润滑膜的生成、破损、脱落和再生的循环过程.因此,Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具在其整个生命周期内始终具有润滑效果.     

稀土强韧化陶瓷刀具材料的研制

研制出一种稀土钇强韧化Al2O3/Ti(C,N)新型陶瓷刀具材料,并对其力学性能和切削性能作了研究,表明稀土钇的适量添加能有效改善Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料的力学性能,其抗变强度和断裂专访性分别达到1010MPa和6.1MPam^1/2。大量的切削实验表明,在切削淬硬45钢时,该刀具材料不仅具有良好的耐磨性能。而且具有较好的抗破损性能,其抗破损性能比相应不含稀土钇的Al2O3/Ti(C,N)陶瓷刀具材料高约20%。     

稀土增韧补强Al2O3/(W，Ti)C复相陶瓷刀具材料的研究

研制出一种稀土补强Al     

纳米碳化钛颗粒对纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的影响

研究了纳米TiC对陶瓷刀具材料Al203 - 3Y - Zr02 - TiCn的微观结构和力学性能的影响.结果表明,A5Tn20Z在烧结温度为1650℃、烧结压力为30MPa和保温时间为30min时的力学性能最好,抗弯强度904.7MPa,断裂韧度4.16MPa· m1/2,维氏硬度17.43GPa.     

添加固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具材料及其减摩机理研究

采用热压工艺制备Al2O3/TiC/CaF2(ATF)自润滑陶瓷刀具材料,考察其室温下的机械性能,并通过切削性能试验分析其切削减摩机理。结果表明:添加固体润滑剂对陶瓷材料的机械性能有一定影响,其中CaF2含量为10%的Al2O3/TiC/CaF2陶瓷材料的力学性能最好,强度和硬度最高,分别达到了589MPa和HV15·4GPa,可以用作刀具材料;ATF自润滑陶瓷刀具在切削过程中,减摩性能优于LT55陶瓷刀具,能够在前刀面形成一层较完整的固体润滑膜,膜的存在使得ATF自润滑刀具材料具有一定的减摩能力,而后刀面具有磨粒磨损的特征,由于磨粒的刻划作用而没有形成较完整的润滑膜。     

Al2O3/TiC梯度功能陶瓷刀具的切削性能及损坏机理

采用粉末叠层填充—轴向热压烧结工艺研制成功性能优良的Al2 O3/TiC梯度功能陶瓷刀具 ,并在柴油机排气阀外圆粗车工序中与普通陶瓷刀具LT55进行了对比切削试验。结果表明 ,Al2 O3/TiC梯度功能陶瓷刀具的寿命比LT55提高 50 %,梯度功能陶瓷刀具的破损主要是机械疲劳作用所致 ,而LT55刀具的破损主要是热疲劳作用的结果。     

烧结助剂含量对氮化硅陶瓷球致密化和力学性能的影响

以α-Si3N4粉为原料,纳米级Y2O3和Al2O3为烧结助剂,采用气压烧结工艺制备氮化硅陶瓷球,研究了烧结助剂含量对氮化硅陶瓷球致密化及力学性能的影响。结果表明:随着烧结助剂含量的增加,氮化硅陶瓷球的相对密度逐渐增大,维氏硬度逐渐降低,断裂韧性不断提高;烧结温度为1750℃时,烧结助剂含量为8%的氮化硅陶瓷球综合力学性能最佳,其相对密度大于98%,维氏硬度、断裂韧性和压碎强度分别为1540 kg/mm²,6.3 MPa·m^1/2和288 MPa。     

陶瓷涂层刀具切削灰铸铁的试验研究

为了探究陶瓷涂层刀具涂层材质、基体材质对切削性能的影响,试验采用四种陶瓷涂层刀具连续干切削灰铸铁,测试了切削力和切削温度的变化情况以及后刀面的磨损量和已加工表面的粗糙度。结果表明,在刀具基体同为Si_3N_4的条件下,涂层材质为Ti N/Al_2O_3/Ti C的刀具比Ti N/Al_2O_3的切削性能好;在涂层材质同为Ti N的条件下,刀具基体Al_2O_3/Ti CN比Al_2O_3/Ti C的切削性能好。研究发现:四种陶瓷涂层刀具前刀面磨损形式均为微崩刃和月牙洼,后刀面磨损形式均为磨粒磨损和粘着磨损,涂层的磨损形式均为剥落和扩散磨损。