1、粉末冶金材料應(yīng)用與新發(fā)展 宋春林234CCaratageClarityColorCut45 粉末冶金技術(shù)是金剛石工具發(fā)展的推動力6 發(fā)展歷程早期被用作加工硬質(zhì)材料（陶瓷、珠寶）的最佳工具采用機械卡固，鉚鑲加釬焊等工藝，制造金剛石刀具，如玻璃刀、陶瓷刻刀1862年，鑄造鈹青銅制造的大顆粒金剛石地質(zhì)鉆頭19世紀(jì)末，世界工業(yè)金剛石的年用量達到20-30萬克拉7 青銅澆鑄缺點高溫液態(tài)銅合金的注入易使金剛石猝熱而破裂或產(chǎn)生裂紋金剛石的密度僅為3.5g/cm，在銅的液體里面浮移，定位困難，所以用小的金剛石做鉆頭、鋸片和砂輪，幾乎不可能有色金屬基體耐磨性差，不能適應(yīng)惡劣條件下工作的金剛石工具對胚體性能的要求

2、8粉末冶金制造金剛石工具l可以使用從毫米級大顆粒至微米級金剛石粉末l金剛石顆粒在工具中的分布和濃度可以通過調(diào)節(jié)金屬粉末的比例和粉末的布裝方式實現(xiàn)l合金胎體的耐磨性可以在很大范圍內(nèi)變動，適應(yīng)不同耐磨性的要求，尤其可以配制WC基的高耐磨胎體l可以制造形狀比較復(fù)雜的工具l制造工藝簡便，成本低，效率高9粉末冶金制造金剛石工具10高溫高壓合成金剛石l三個里程：高溫高壓合成磨料級金剛石單晶體，高溫高壓成形燒結(jié)金剛石聚晶體和氣相沉積（CVD）金剛石薄膜l20世紀(jì)50年代，以高溫高壓技術(shù)（1300，5000Mpa）使石墨片或石墨粉末，在觸媒（Ni、Mn、Co等）的促進下轉(zhuǎn)化成磨料級金剛石單體11高溫高壓合成金

3、剛石12燒結(jié)金剛石聚晶體l20世紀(jì)70年代，發(fā)展高溫高壓燒結(jié)金剛石聚晶體（PCD）l工藝過程為：將數(shù)十微米至幾微米的金剛石粉末與少量金屬結(jié)合劑，如Ni-Si，Ti-Si，TiH-Si-B以及Co等混合，在1300，5000-6000Mpa下燒結(jié)成不同性狀的金剛石聚晶體-金屬燒結(jié)體。這里加入的強碳化物形成元素Ti，Si等與金剛石顆粒的界面反應(yīng)而形成相應(yīng)的碳化物，加強了結(jié)合力。金剛石微粒之間也發(fā)生了燒結(jié)現(xiàn)象13 人工合成金剛石品種14高溫高壓合成磨料級金剛石15高溫高壓合成磨料級金剛石16合成金剛石的熱穩(wěn)定性l高溫高壓合成金剛石的工藝狀況，導(dǎo)致可能夾雜細小觸媒，碳素材料或氣泡l合成金剛石加熱到60

4、0-700時，強度會明顯下降l如果想要更好的熱穩(wěn)定性，則選擇天然的金剛石較好17金剛石聚晶體：自由形體聚晶體l這類聚晶體無襯托物，有三角形、四方形、半圓柱形、錐形l評判金剛石聚晶體的質(zhì)量主要是耐磨性l通過改變粘結(jié)劑組分，減少粘結(jié)劑含量，細化金剛石堆積方式，可獲得不同強度與耐磨性的聚晶體l目前金剛石聚晶體的磨耗比已達到：1：（200000-300000）18金剛石聚晶體：拉絲模金剛石聚晶體l20世紀(jì)70年代英國De Beers首先推出l即在硬質(zhì)合金環(huán)中嵌壓金剛石聚晶體，經(jīng)激光打孔，研磨成不同孔徑的金剛石拉絲模l細化金剛石粒度可使聚晶體耐磨性增大，以便于更細絲的拉拔19金剛石聚晶體：金剛石聚晶復(fù)合

5、片l英國De Beers和美國G.E.公司推出的l在高溫高壓腔體中，以硬質(zhì)合金片為襯底，復(fù)壓成形厚度為0.5-0.8mm的金剛石聚晶體l可制作多種理想的刀頭，制作多種多樣的切削刀具20化學(xué)氣相沉積金剛石膜l原料：低于2%碳源的氣體（甲烷、丙烷、乙炔等）+高于98%的氫l通過1700-2000或更高溫度熱絲理解l在800-1050襯底上沉積金剛石膜l沉積速率為每小時10-20mm，面積達100cm221化學(xué)氣相沉積金剛石膜22 金剛石與金屬合金的浸潤性及金剛石表面金屬化23金剛石與低熔點純金屬的浸潤性l低熔點合金對金剛石沒有浸潤性，不能用它們對金剛石施加焊接24合金元素對金剛石浸潤性的影響25合

6、金元素對金剛石浸潤性的影響26合金元素對金剛石浸潤性的影響l為了增加浸潤性，需要添加少量強碳化物形成元素，即那些對碳原子有強烈的親和力而能形成穩(wěn)定的碳化物的元素，如Ti，Zr，Cr，V，Ta，Hf，Nb，Sil一般原子結(jié)構(gòu)中d層或f層未填滿電子的過渡元素均能改變金剛石與合金的界面狀態(tài)，降低金剛石與合金之間的界面能l添加少量強碳化物，合金液相和金剛石晶體表面之間會發(fā)生液-固相反應(yīng)，生成碳化物27合金與金剛石結(jié)合界面的微區(qū)分析28合金與金剛石結(jié)合界面的微區(qū)分析29金剛石表面金屬化30金剛石表面金屬化：固相反應(yīng)在金剛石表面形成一層強在金剛石表面形成一層強碳化物薄膜：碳化物薄膜：100nm加熱加熱鍍膜

7、鍍膜真空氣相沉積、離子濺射、化學(xué)鍍膜、真空氣相沉積、離子濺射、化學(xué)鍍膜、冶金包覆冶金包覆強碳元素與金強碳元素與金剛石發(fā)生反應(yīng)剛石發(fā)生反應(yīng)電鍍或者化學(xué)鍍電鍍或者化學(xué)鍍31金剛石表面金屬化：液相反應(yīng)l考慮到固相強碳化物形成元素薄膜與金剛石之間的反應(yīng)溫度偏高l在有液相存在下，這種界面溫度將大大降低l使金剛石與低熔點的合金溶液接觸，發(fā)生界面反應(yīng)，控制厚度在100nm以下，然后使金剛石顆粒與液相合金分離，形成一層完整的生成碳化物32金剛石表面金屬化：氣相反應(yīng)l當(dāng)金剛石顆粒細小，上述兩種方法均存在一定困難，即細小顆粒的表面很難實現(xiàn)均勻的界面反應(yīng)l強碳化物元素蒸汽均可以用來與金剛石表面進行界面反應(yīng)，從而在金

8、剛石表面產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬碳化物，如Ti，Cr，W等33 粉末冶金法制造金剛石工具的工藝34基本工藝35胎體粉末l金剛石工具用胎體粉末一般為200-300目，對于超細金剛石工具，應(yīng)相應(yīng)選用更細的金屬粉末l粉末顆粒越細就越容易氧化，所以常用的金屬粉末Fe、Co、Ni、Cu等均需要氫氣還原處理36胎體粉末l胎體粉末需要和金剛石粉末進行預(yù)混合，為了防止金剛石粉末“上浮”、聚集，需要添加少量的濕潤劑，如無水乙醇、汽油、汽油樹脂溶液l通常采用預(yù)合金化粉37燒結(jié)工藝l將金剛石顆粒與胎體合金材料混合、壓制成形，在還原氣氛中，于高于部分合金液相線500-100進行燒結(jié)l此法工藝簡單，操作連續(xù)而批量大，成本低38熱

9、壓工藝l將金剛石顆粒與胎體合金粉末混合，布裝在石墨腔體中，在高于液相熔化溫度50-100下，施加5-40Mpa壓力熱壓成形、冷卻l分為三個階段l熱塑性形變，一般溫度在1000以下，在壓力作用下少量收縮l粘滯性流動階段，當(dāng)操作合金液相線時，會產(chǎn)生40%左右的液相，促使粉體在壓力下迅速流動、收縮，這兒階段的收縮量可占總收縮量的70%以上l致密化階段：合金之間的相互擴散，粉體孔隙進一步被排除，而最后獲得接近理論密度的胚塊39熱壓工藝40熱壓工藝41松裝浸漬l將金剛石-骨架材料混合粉末置于石墨模腔中，僅需振實，使粉體均勻充滿型腔，然后將整個石墨模具置于燒結(jié)爐中浸漬l這種工藝最突出的優(yōu)點是粉體不必經(jīng)過壓

10、制成形，凡是粉末能填充的部位，都能浸漬成形，可以制作形狀十分復(fù)雜的金剛石工具42松裝浸漬43松裝浸漬工藝：浸潤性44松裝浸漬工藝：粉末顆粒45浸漬法的問題l國內(nèi)目前所有的浸漬材料，均不能很好浸潤金剛石（浸潤角大于90）46金剛石工具胚體材料性能與成分47胎體性能的基本要求l胎體合金各成分在高溫下不與金剛石起化學(xué)作用48胎體性能的基本要求l合金胎體的線膨脹系數(shù)與金剛石相近49胎體性能的基本要求50胎體性能的基本要求51胎體性能的基本要求52胎體合金組元的燒結(jié)性與力學(xué)性能（1）添加元素與WC-Cu、WC-Cu-Sn的燒結(jié)性lWC為首選的耐磨骨架，Cu為高溫?zé)Y(jié)（大于1000）的液相組元，Cu-Sn

11、合金則是低溫?zé)Y(jié)（小于1000）的液相組元l液相Cu或Cu-Sn在其相應(yīng)熔點50以上，對WC的浸潤角在30左右，故WC-Cu或WC-Cu-Sn不是很好的燒結(jié)系，如WC-Cu在1100和1200下熱壓，其最高相對密度僅90%l加入3%Co之后，由于Cu-Co合金與Cu-Sn-Co合金對WC骨架的浸潤性改善，熱壓燒結(jié)的相對密度接近100%l在有部分液相存在下，合金系的燒結(jié)性主要取決于液相對固相的浸潤性。二者浸潤性越好，合金的燒結(jié)性越好。53胎體合金組元的燒結(jié)性與力學(xué)性能（2）胎體燒結(jié)溫度的調(diào)整l金剛石工具胎體的燒結(jié)溫度主要由組成液相合金的液相出現(xiàn)溫度決定l通過添加合金元素，可以比較容易地調(diào)整燒結(jié)溫

12、度，l例如WC-Co，WC-Ni高耐磨硬質(zhì)合金，燒結(jié)溫度在1350以上，對金剛石不利。加入少量的P、Cu、Mn，液相出現(xiàn)溫度大為降低，可以實現(xiàn)1050燒結(jié)l例如Ni-Cu-Sn、Co-Cu-Sn，F(xiàn)e-Cu-Sn合金的胎體，變化Sn和Cu的比例，可以獲得液相溫度較低的合金。但是當(dāng)Sn含量大于6%時，會出現(xiàn)脆性相，超過20%后會非常脆，故一般Sn含量在10-15%之間，Cu-15%Sn液相出現(xiàn)在756，如果要進一步降低燒結(jié)溫度，可添加Mn、Be、P、Zn等金屬54胎體合金組元的燒結(jié)性與力學(xué)性能（3）影響胎體力學(xué)強度的因素l殘留孔隙率嚴重過影響胎體強度l對于同一胎體合金成分，燒結(jié)溫度略高將有利于胎

13、體材料合金化及致密化過程，胎體強度將顯著提高l合金元素的正確選擇是獲得良好力學(xué)性能胎體的基本條件：1、凡是能強化銅合金性能的元素，如Be、Mn、Ni、Cr、Fe、P等 2 、在骨架材料和液相材料之間增加強韌的元素，如Ni、Co、Fe，可提高WC-Cu、 WC-Cu-Sn合金的強度 55胎體合金對金剛石的可焊性56常用胎體材料合金元素作用57常用胎體材料合金元素作用58常用胎體材料合金元素作用59常用胎體材料合金元素作用60常用胎體材料合金元素作用61常用胎體材料合金元素作用62常用胎體材料合金元素作用63常用胎體材料合金元素作用64常用胎體材料合金元素作用65金剛石工具制造工藝66金剛石砂輪修

14、正工具：單晶金剛石刀67金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正筆68金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正筆69金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正筆70金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正筆71金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正片72金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正片73金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正片74金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正片75金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正滾輪76金剛石砂輪修正工具：金剛石砂輪修正滾輪77金剛石石油鉆頭：磨削型78金剛石石油鉆頭：磨削型79金剛石石油鉆頭：磨削型80金剛石石油鉆頭：切削研磨型81金剛石石油鉆頭：切削研磨型82金剛石石油鉆頭：切削研磨型83金剛石石油鉆頭：