金刚石粒度和含量对自蔓延高...合金刚石复合材料性能的影响_彭凯.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0595金刚石粒度和含量对自蔓延高温合成 NiAl 结合金刚石复合材料性能的影响彭 凯1,杨 潘1,2,3,尹育航1,陶洪亮1,马邵伟1,段 锋2,肖国庆2,丁冬海2,张 立1(1.广东奔朗新材料股份有限公司,广东 佛山 528313;2.西安建筑科技大学材料科学与工程学院,陕西 西安 710055;3.西安建筑科技大学华清学院,陕西 西安 710043)摘 要:以 Ni 粉、Al 粉、金刚石为原料,采用自蔓延高温合成法制备了 NiAl 结合金刚石复合材料,研究了金刚石的粒度和含量对Ni-Al 体系燃烧温度和燃烧波蔓延速度的影响以及对复合材料性能的影响。结果表明:金刚石降低了 Ni-Al 体系的燃烧温度和燃烧波蔓延速度,并提高 NiAl 基体的抗压强度和维氏硬度。但随着金刚石含量的增加,复合材料的力学性能有所下降,NiAl 峰升高,Ni3Al 峰下降。随着金刚石的粒度降低,Ni-Al 体系的燃烧温度先降低后升高,燃烧波蔓延速度则是先增大后减小,复合材料的抗压强度先升高后降低,维氏硬度降低,Ni3Al 峰先升高后降低,NiAl 和 Ni 峰则是先降低后升高。当金刚石含量为 10 mass%、粒度为 150180 m 时,复合材料的综合性能最佳,体积密度为 3.28 g/cm3,抗压强度为 92.0 MPa,维氏硬度为 122.06 HV,Ni3Al峰达到最高。关键词:自蔓延高温合成法;燃烧温度;燃烧波蔓延速度;金刚石工具;Ni-Al 体系中图分类号:TB333 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0031-08收稿日期:2022-11-21 修订日期:2023-05-09基金项目:国家自然科学基金(51772236);陕西本科和高等继续教育教学改革研究项目(21BY196);西安建筑科技大学华清学院专项项目(22KY02)作者简介:彭 凯(1984),男,中级工程师,硕士,主要研究方向为金属结合剂金刚石工具,E-mail:pengkai monte-。通信作者:杨 潘(1986),女,副教授,博士,主要研究方向为超硬材料的绿色合成技术及固体废弃物资源化,E-mail:421437483 。引用格式:彭凯,杨潘,尹育航,等.金刚石粒度和含量对自蔓延高温合成 NiAl 结合金刚石复合材料性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):31-38.PENG Kai,YANG Pan,YIN Yu-hang,et al.Effect of diamond particle size and content on properties of NiAl-bonded diamond composites prepared by self-propagating high temperature synthesisJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):31-38.Effect of diamond particle size and content on properties of NiAl-bonded diamond composites prepared by self-propagating high temperature synthesisPENG Kai1,YANG Pan1,2,3,YIN Yu-hang1,TAO Hong-liang1,MA Shao-wei1,DUAN Feng2,XIAO Guo-qing2,DING Dong-hai2,ZHANG Li1(1.Monte-Binaco Diamond Applications Co Ltd,Foshan 528313,China;2.College of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China;3.Huaqing College,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710043,China)Abstract:NiAl-bonded diamond composites were prepared by self-propagating high temperature synthesis method using Ni powder,Al powder and diamond as raw materials.The effects of diamond particle size and content on the combustion temperature and combustion wave propagation velocity of the Ni-Al system,as well as the properties of the composites,were studied.The results show that the diamond reduces the combustion temperature and combustion wave propagation velocity of the Ni-Al system,and increases the compressive strength and Vickers hardness of the NiAl matrix.However,with the increase of diamond content,the mechanical properties of the composites decrease,with the NiAl peak increasing and the Ni3Al peak decreasing.With the particle size of diamond decreases,the combustion temperature of the Ni-Al system first decreases and then increases,the combustion wave propagation velocity first increases and then decreases,the compressive strength of the composites first increases and then decreases,the Vickers hardness decreases,the Ni3Al peak first increases and then decreases,while the NiAl and Ni peaks first decrease and then increase.When the diamond content is 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷10 mass%and the particle size is 150-180 m,the composites have the best comprehensive performance,with the volume density of 3.28 g/cm3,the compressive strength of 92.0 MPa,the Vickers hardness of 122.06 HV,and the Ni3Al peak reaching its highest.Keywords:self-propagating high temperature synthesis method;combustion temperature;combustion wave propagation velocity;diamond tool;Ni-Al system NiAl 金属结合金刚石工具材料因具有优异的高温力学性能和低温延展韧性而广泛用于硬脆材料的切割、磨削及抛光1-3。热压烧结法4-7是制备金属结合金刚石工具材料常用的方法。这种方法虽然生产效率高,但会用到大量的石墨模具,这不仅增加了生产成本,而且石墨模具在制作过程中会产生大量的石墨细粉。这些石墨细粉既造成了环境的污染,又会危害操作人员的健康6-7。自蔓延高温合成法,又称燃烧合成法,这种方法因具有生产效率高、节能且无需使用石墨模具而广泛用于制备陶瓷、表面涂层及多孔合金材料等8-10。由于燃烧体系温度高,使得制备的 NiAl 合金结合金刚石工具材料出现金刚石石墨化的问题,进而影响材料的性能11-16。许多学者对金刚石工具在制备过程中金刚石石墨化问题进行了广泛的研究5,10-22。Li 等5发现在1073 K 以上退火的金刚石复合片将受到诸如石墨化、氧化和应力诱导微裂纹等联合机制的严重影响,从而降低其物理性能和力学性能。而降低退火温度至 923 1023 K,将有助于提高金刚石工具的性能。Zhang 等10研究了添加剂 Ni-Cr-P、Cu 及 B 对 Ni-Al-金刚石体系燃烧合成金刚石工具材料的影响,结果表明,添加剂的加入降低了 Ni-Al-金刚石体系的燃烧温度,但金刚石表面仍有石墨化现象。Deng 等22发现金刚石复合片的摩擦系数随着工作温度的升高而降低,在 973 K 时,由于金刚石表面石墨化,金刚石复合片的摩擦系数达到最低。这说明金刚石石墨化开始温度为973 K,而在超过1173 K 的温度下石墨化速度加快。金刚石一旦石墨化不仅会降低金刚石与金属胎体的结合强度,而且还会降低金刚石的硬度和力学性能。本文主要研究了金刚石的含量和粒度对 Ni-Al-金刚石体系燃烧温度以及燃烧波蔓延速度的影响,以揭示 Ni-Al-金刚石体系燃烧学与 NiAl 金属结合金刚石工具材料力学性能的内在关系。1 实验材料及方法1.1 实验原料 本实验采用的原料包括铝粉、镍粉及不同粒度的金刚石颗粒。铝粉呈球形,粒度为 48 m,纯度 99.7%;镍粉粒度为 48 m,纯度99%;金刚石颗粒,分别有 300 425、150 180 和 106 125 m 3 种粒度;实验所用引燃剂为炭黑(C)和金属钛粉末(Ti),二者按摩尔比 11进行混合。1.2 实验过程 首先将镍粉和铝粉按摩尔比 2 1混合均匀,在此基础上分别加入不同含量和粒度的金刚石,并在研钵中进行手混 1 h。称取原料,将其放入 769YP-15A 型粉末压片机,压制成直径为 20 mm 的圆柱。在圆柱体底部中心处钻一小孔,如图 1 所示,用细刚玉管保护的 W3-Re25 热电偶测量反应的实际燃烧温度。相应的,两对热电偶被放置在圆柱体外部两侧,沿圆柱体轴向方向,二者相距 L。将压实的圆柱体放入自蔓延高温合成反应器中。并在试样上方放置 Ti-C 引燃剂,钨丝点火 Ti-C 引燃剂,诱发试样反应,进而完成自蔓延高温合成过程(如图 2 所示)。通过数据采集系统,又称无纸记录仪,记录和处理热电偶的两个信号,该系统会自动记录温度-时间曲线。因此,燃烧波速率可记为 L/t,其中,t 为两条曲线的时间间隔。图 1 燃烧合成实验中测量燃烧温度示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring combustion temperature during the combustion synthesis experiment1.3 性能表征 采用 SU8200 型超高分辨冷场发射扫描电镜(FESEM)观 察 燃 烧 合 成 试 样