【摘 要】
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金属结合剂金刚石工具广泛应用于石材、陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。金属结合剂经常使用Cu、Co、Sn、Zn、Pb等金属粉末或合金作为结合剂的主要成分,这些重金属价格昂贵,此外也有可能随着粉尘、冷却液、沉淀物等进入生态系统,造成一定的环境污染。为了获得环境友好型的金属结合剂金刚石工具,本文提出了一种基于铝热反应的新型金属结合剂金刚石工具的制备方法。主要研究铝热反应制备结合剂过程的的反应合成机理,探索相
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金属结合剂金刚石工具广泛应用于石材、陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。金属结合剂经常使用Cu、Co、Sn、Zn、Pb等金属粉末或合金作为结合剂的主要成分,这些重金属价格昂贵,此外也有可能随着粉尘、冷却液、沉淀物等进入生态系统,造成一定的环境污染。为了获得环境友好型的金属结合剂金刚石工具,本文提出了一种基于铝热反应的新型金属结合剂金刚石工具的制备方法。主要研究铝热反应制备结合剂过程的的反应合成机理,探索相关工艺参数对铝热反应结合剂的相组成、微观结构、力学性能的影响。同时也研究了Si、B、Ti等合金元素的添加对铝热反应结合剂的微观组织与力学性能的影响。通过优化的成分和工艺参数制备了一种金刚石工具,初步测试了工具的磨削性能,分析了工具的磨损机理以及材料的去除方式。得到的主要结论如下:对于无压和250MPa冷压的铝热反应粉末,铝热反应分别在656℃和660.5℃出现吸热现象,在1010.4℃和1028.8℃出现铝热反应,并且冷压状态下释放出更多热量。1130℃反应条件下,铝热反应结合剂随着冷压力的升高,反应产物中除了Fe、Al2O3、Fe3Al,还有FeAl2O4（尖晶石）的产生。在热压烧结过程中,样品的抗弯强度随温度升高而增加。硬度整体大于70HRB,1230℃时致密度达到83.3%。通过添加Si、B、Ti合金元素的铝热反应结合剂的力学性能都有不同程度的提高;其中以添加1wt.%Si、0.1wt.%B、1wt.%Ti的铝热反应结合剂样品综合力学性能最优,抗弯强度达到259.9MPa。添加合金元素后的样品中主要物相为Fe、Al2O3、Fe3Al或Fe30Al7Si3,FeAl2O4（尖晶石）相消失。随着Si含量的添加,产物中的Fe3Al转化成Fe30Al7Si3。使用优化的结合剂成分制备了镀W和未镀覆的两种金刚石磨具。磨具表面无明显气孔、空洞缺陷,结合剂对金刚石包裹紧密,合金元素的添加对其形貌无明显影响。铝热反应结合剂金刚石磨具中的主要物相除了金刚石外,以Fe、Al2O3、Fe3Al、Fe30Al7Si3为主。镀W金刚石磨具的硬度为106.5HRB,未镀覆金刚石磨具的硬度为99.1HRB。磨削测试表明,铝热反应结合剂金刚石磨具可以实现对建筑陶瓷砖的加工,磨削力的测试显示,干磨过程中切向力和轴向力波动较大,显示磨削中脆性去除形式明显,湿磨过程中磨削力变化不大且比较平稳,湿磨的磨削力较低。在干式磨削中,未镀覆金刚石和镀W金刚石工具加工的陶瓷表面均出现更多更深的微裂纹域,磨削过程以脆性去除为主。在湿式磨削中,陶瓷表面微裂纹明显减少,由于磨粒较粗和切深较大,铝热反应结合剂金刚石磨具加工建筑陶瓷的磨削过程以脆性去除为主。
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