金刚石与磨料磨具工程

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超硬磨具发展情况

栗正新

2021, 41(2): 1-3.

摘要(159)

PDF 790KB(40)

摘要:

微波诱发热爆法制备钛铝碳结合剂金刚石复合材料

代振, 张旺玺, 梁宝岩, 杨黎

2021, 41(2): 4-8. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0001

摘要(297)

PDF 1807KB(15)

摘要:
采用Ti、Al、石墨和金刚石粉体为原料，通过微波诱发热爆法制备钛铝碳结合剂/金刚石复合材料，研究金刚石质量分数和颗粒平均尺寸对复合材料物相组成、显微形貌及磨耗比的影响。结果表明：在N₂气氛下，原料粉末发生热爆反应，可生成Ti₂AlC、Ti₃AlC₂、TiC、TiN、AlN和Al₃Ti相。当采用较低的金刚石质量分数或较大的金刚石颗粒平均尺寸时，产物钛铝碳含量较多，同时基体与金刚石的界面结合较致密；随着金刚石的质量分数或颗粒平均尺寸增加，试样的磨耗比显著增大；当金刚石(170/200)的质量分数为30%时，试样的磨耗比达到53.8。较高的金刚石质量分数或较大的颗粒平均尺寸都可促进复合材料的磨削性能显著改善。

热力耦合下轴向旋转热管砂轮的强度分析

姜华飞, 陈佳佳, 傅玉灿, 徐幼林

2021, 41(2): 9-16. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0002

摘要(315)

PDF 1342KB(15)

摘要:
为研究高效成型磨削加工过程中轴向旋转热管砂轮(heat pipe grinding wheel，HPGW)的基体强度，且考虑到HPGW强化换热的特点，使用ANSYS workbench对热力耦合下的HPGW进行有限元分析。得到30 000 r/min转速下，HPGW的最大等效应力为26.481 MPa，最大变形量为0.014 8 mm，均符合许用要求。分别探讨不同磨削用量、基体材料和工件材料条件下，转速对最大等效应力和变形量的影响。结果表明：同一进给速度和切深下，随着转速提高，HPGW的最大等效应力先降后升，最大变形量则不断降低。基体材料为2Cr13的HPGW采用缓进深切工艺磨削钛合金，可以最大程度地减小砂轮的应力和变形量。本条件下的最佳工艺参数为砂轮转速n=10 000 r/min、工件进给速度v_w=80 mm/min和磨削切深a_p=0.10 mm。

单层CBN砂轮感应钎焊温度的优选方法研究

李奇林, 丁凯, 雷卫宁, 单大平

2021, 41(2): 17-22. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0003

摘要(1558)

PDF 2027KB(50)

摘要:
现有研究中CBN砂轮的钎焊温度优选方法通常是从离散的温度序列中选择出某一温度为最佳温度，存在最佳温度不精确等缺陷。提出一种以钎焊温度为自变量、砂轮锋利度和砂轮寿命2个磨削性能指标为目标的数学评价模型，采用高频感应钎焊工艺制备多组CBN砂轮并用其开展TC4钛合金磨削试验，对试验数据进行三次样条插值，获得单层CBN砂轮钎焊温度评价函数，优选出单层CBN砂轮感应钎焊最佳温度为936.5 ℃。在恒定磨削用量条件下的磨削性能评价函数试验值相对其理论预测值偏高约3.4%，表明了该评价模型与钎焊温度优选方法的可靠性。

金刚石工具用适配型CuSnZnNi预合金粉末的研制

于奇, 马佳, 龙伟民, 钟素娟, 于新泉, 潘建军

2021, 41(2): 23-27. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0004

摘要(349)

PDF 1931KB(43)

摘要:
在CuSn合金中添加Zn、Ni元素研制一种CuSnZnNi适配型预合金粉，克服了CuSn10合金硬度低，对金刚石把持力弱，通用性欠佳等问题。通过添加质量分数为20%的Zn元素研制了CuSnZn合金，相对CuSn10合金固液相温差由170 ℃降为34 ℃，合金的流动性得到显著提升。电子显微镜分析表明：随着Zn元素加入，(α+δ)-CuSn共析组织显著增加，同时烧结体中的α-(Cu，Sn)相逐渐转变为α-(Cu，Zn)相；XRD分析表明合金中生成了Cu₆Sn₅、Cu₄₁Sn₁₁、Cu_5.6Sn的δ相和Cu₅Zn₈的γ相。在合金中继续添加Ni元素可细化合金晶粒，提高烧结体致密度，强化相组织，阻止裂纹扩展，且合金中出现α-(Cu，Ni)固溶体和金属间化合物Ni₃Sn。研制的预合金粉末可提高金刚石工具烧结性能，具有优良的适配性。

静态高压国内外最新进展

王义鹏, 寇自力, 江明全

2021, 41(2): 28-34. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0005

摘要(686)

PDF 1766KB(95)

摘要:
高压分为动态(冲击)高压与静态高压，静态高压又有小压机(金刚石对顶砧，diamond anvil cell，DAC)与大压机(large volume press，LVP)产生的高压之分。材料在高压下表现出与在常温常压下完全不同的性质，通过高压研究可以系统地了解各种材料在高压下的相变和压缩行为，因此高压被广泛地应用于材料科学、地球物理学、行星科学、国防等领域。据调查，目前国外DAC能达到超过500 GPa的压力，LVP能达到125 GPa的压力，国内八面顶大压机能达到35 GPa左右的压力。通过系统总结国内外高压装置的温度、压力范围以及设计原理来揭示静高压科学的发展历程。

金刚石合成过程中放炮现象的分析及预警

刘乾坤, 何文江, 杜欢龙, 申幸卫, 韩长余, 卢洋, 王晨阳

2021, 41(2): 35-38. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0006

摘要(448)

PDF 1053KB(33)

摘要:
在合成人造金刚石过程中，发生“放炮”现象前，外围的加热体会发生变形。通过分析加热体变形导致的电阻及电流变化，可以有效预警“放炮”现象。通过仿真模拟计算分析加热体变形引起的电流变化，并根据生产实际的统计学结果制定预警方案。将预警方案应用于生产中实现了预期效果，可有效避免此类事故，降低生产成本。

低功率MPCVD制备金刚石薄膜

朱海丰, 王艳坤, 丁文明, 梁林达

2021, 41(2): 39-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0007

摘要(560)

PDF 2150KB(36)

摘要:
通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法，以CH₄/H₂为气源，合成高质量金刚石薄膜，在150 W低微波功率下，从衬底预处理方法、沉积气压、流量比等方面对制备高质量金刚石薄膜的工艺参数进行研究。结果表明：高流量比不利于金刚石颗粒的粒径控制，二次形核的存在可以获得近纳米级颗粒尺寸的金刚石薄膜；较大的沉积气压有利于制备致密均匀的金刚石薄膜；衬底预处理对薄膜的有效沉积影响明显，其中利用含金刚石粉末的甲醇悬浊液进行超声处理是最有效的种晶方法。

高导热金刚石/铝复合材料的真空热压制备

徐洋, 沈维霞, 范静哲, 侯领, 张壮飞, 黄国峰, 黎克楠

2021, 41(2): 46-52. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0008

摘要(502)

PDF 1444KB(36)

摘要:
以纯铝粉末和金刚石为基体材料，采用真空热压固相烧结方式制备出热导率为677 W/(m·K)的高导热金刚石/铝复合材料。利用激光导热仪、热膨胀仪对金刚石/铝复合材料性能进行表征，并通过对制备温度、保温时间及金刚石基本颗粒尺寸的调控来优化制备工艺。研究发现:随制备温度升高，金刚石/铝复合材料的密度及致密度均有所提高，其热导率呈先升后降的趋势，当制备温度为650 ℃时，热导率达到526.2 W/(m·K)。随着保温时间由30 min增加至120 min，金刚石/铝复合材料的密度、致密度和热导率均增大，致密度达到99.1%，热导率达到566.7 W/(m·K)。当金刚石基本颗粒尺寸由20 μm增加至500 μm时，金刚石/铝复合材料的密度、致密度先增大后减小；在金刚石基本颗粒尺寸为200 μm时，密度达到最大，分别为3.06 g/cm³和98.4%；热导率随金刚石基本颗粒尺寸逐渐增大，在金刚石基本颗粒尺寸为500 μm时，热导率达到677.5 W/(m·K)，为目前最高增强效率。故通过工艺控制可以有效提高铝基体与金刚石的结合，减少其界面空隙，进而制备出高热导率金刚石/铝复合材料。

金刚石-WC-Co复合材料的高温高压合成

杨亚楠, 王海阔, 侯志强, 吴嘉锟, 王超

2021, 41(2): 53-58. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0009

摘要(445)

PDF 2270KB(34)

摘要:
以质量分数为5%的金刚石微粉(平均晶粒尺寸7 μm)、90%的WC粉(平均晶粒尺寸150 nm)、5%的Co粉(平均晶粒尺寸0.9 μm)为初始材料，采用高温高压法在5.50 GPa、1 100～1 500 ℃保温2 min条件下制备金刚石-WC-Co复合材料。采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电镜、维氏硬度计对样品进行表征。合成的金刚石-WC-Co复合材料相分布均匀，金刚石颗粒紧密地烧结在硬质合金基体中；5.50 GPa、1 250 ℃、保温2 min条件下合成的样品性能最佳，相对密度达96%，维氏硬度达23.60 GPa。

金属/金刚石复合磨料在树脂磨具中的应用

刘恒源, 徐三魁, 韩志静, 韩平, 邹文俊

2021, 41(2): 59-63. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0010

摘要(377)

PDF 1336KB(39)

摘要:
为改善砂轮磨削钢轨的性能，通过热压烧结再固化的方法制备超硬复合磨料树脂磨具试验样条，考察不同种类的复合磨料对样条抗弯强度、抗冲击强度及磨具磨耗比的影响，并用电镜观察磨削后磨具及钢轨对磨件的形貌，表征磨削表面质量。结果显示：超硬磨料与金属结合剂造粒后，抗弯强度、抗冲击强度、磨耗比均得到明显提高，最大分别提高50%、近2倍和约12.6倍。超硬材料以复合磨料的形式添加可提高磨具对磨料的把持力，减少钢轨发蓝、烧伤等现象，提高轨面质量。

电镀金刚石线锯表面磨粒分布密度的多相机视觉检测

赵玉康, 毕文波, 葛培琪

2021, 41(2): 64-68. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0011

摘要(369)

PDF 2086KB(46)

摘要:
电镀金刚石线锯广泛用于单晶硅、蓝宝石、单晶碳化硅、陶瓷等硬脆性材料的切片加工领域，其表面磨粒分布密度直接影响其切片加工性能。用4台CCD相机采集金刚石线锯表面图像，对图像进行高斯滤波预处理，并基于柱面模型将图像展开，以图像中磨粒重心为特征点，通过特征点匹配及筛选、配准模型求解、图像重采样、图像重合区域去除等方法完成图像拼接，得到金刚石线锯全圆柱表面图像，再利用连通域查找提取金刚石线锯全圆柱表面图像内的磨粒数量。结果表明：提出的金刚石线锯全表面图像磨粒分布密度检测方法能提高其磨粒分布密度在线检测精度，与单相机检测的半表面图像结果相比，其磨粒分布密度检测结果的最大相对误差下降29.6%，平均值相对误差下降17.3%。

PCBN刀具高速切削淬硬钢材料的研究

叶智彪, 江文清, 罗涛

2021, 41(2): 69-74. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0012

摘要(413)

PDF 1776KB(28)

摘要:
以PCBN复合片为刀具材料进行相关力学性能分析，并将其制成SNGN120408型刀具后在刀具机床上进行淬硬钢切削试验。分析结果表明：PCBN复合片的结合剂主要为TiN和TiB₂，其内部结构均匀，且有良好的致密性。切削试验表明：在干式切削淬硬钢的试验中，切削进给量以及切削速度对PCBN刀具的磨损有较为明显的影响。相比于切削速度，进给量对淬硬钢工件表面的粗糙度影响更大。PCBN刀具高速干式切削淬硬钢的磨损为黏结磨损、局部剥落和扩散磨损等多重磨损共同作用的结果。

胎体组分对热压孕镶金刚石钻头胎体腐蚀磨损性能的影响

刘志江, 姚远基, 王文正, 潘秉锁

2021, 41(2): 75-81. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0013

摘要(379)

PDF 1639KB(24)

摘要:
为研究WC、Fe、663Cu等3种胎体组分质量分数对热压孕镶金刚石钻头胎体腐蚀磨损性能的影响，在pH为10，NaCl质量分数为20%的盐水环境下进行腐蚀磨损试验、静态腐蚀试验和电化学测试，并观察分析试样表面形貌和腐蚀产物。结果表明：在盐水环境下，机械磨损在腐蚀磨损中占据主导地位，纯腐蚀影响不明显，但二者之间的协同作用引起的胎体质量损失不容忽视。随着胎体耐腐蚀性的减弱，协同作用更加显著。静态腐蚀结果表明：WC和Fe质量分数的增加会使得胎体耐蚀性减弱，而663Cu恰恰相反。腐蚀产物主要是铜铁氧化物和羟基氯化物。腐蚀磨损过程中，由于不同胎体组分之间存在电位差，在盐水介质中形成以Fe等黏结相作阳极，以WC作阴极的微电偶，使得黏结剂材料被优先去除，WC颗粒失去支撑后更易在机械作用下被去除。整个磨损过程新鲜表面的暴露和钝化会达到平衡，在腐蚀磨损停止后试样表面会迅速发生钝化。

钇铝石榴石晶体化学机械抛光液成分优化研究

张自力, 金洙吉, 慕卿, 杨辉鹏, 韩晓龙

2021, 41(2): 82-88. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0014

摘要(389)

PDF 1257KB(24)

摘要:
钇铝石榴石(YAG)晶体由于其优异的物理化学和光学性能，广泛用作激光器的激光增益介质。然而，目前的加工方法很难满足YAG晶体的高效高质量加工。基于传统硅溶胶抛光液的抛光机理，配制一种化学机械抛光液，并通过正交试验优化化学机械抛光液的成分配比。使用优化后的抛光液抛光YAG晶体，其化学机械抛光材料去除率提升至34 nm/min，抛光后YAG晶体表面粗糙度为0.5 nm。相比于传统硅溶胶抛光液，新型抛光液的抛光效率提升240%，抛光工件的表面粗糙度降低17%。同时，通过对比抛光液性能提出化学机械抛光界面的相互作用模式对材料去除率的影响原因。

基于响应曲面法的304不锈钢化学机械抛光工艺参数优化

刘海旭, 武庆东, 曹潇俊, 祁婉婷, 苏建修

2021, 41(2): 89-95. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0015

摘要(559)

PDF 1691KB(19)

摘要:
采用响应曲面法，以材料去除率R_MRR和表面粗糙度R_a为评价指标，研究抛光过程中抛光盘转速、压力、时间等3种参数对R_MRR和R_a的影响。根据抛光试验结果，建立材料去除率和表面粗糙度的回归模型，得出其响应曲面和等高线图，并进行详细分析。结果表明：回归模型较显著，证明了响应曲面法预测及优化304不锈钢化学机械抛光工艺参数的可行性及可靠性；据此得出R_a和R_MRR优化后的最佳工艺参数；R_a和R_MRR的试验值与预测值比较，相对误差在±10%以内，表明响应曲面得到的模型精度高，可用于化学机械抛光工艺参数优化与结果预测。

铸件浇冒口砂轮自适应切割

王维信, 孟广耀, 王哲, 孙英暖

2021, 41(2): 96-101. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.2.0016

摘要(328)

PDF 1345KB(15)

摘要:
针对当前铸造中的铸件浇冒口去除方法自动化程度低、劳动强度大等问题，研究铸件浇冒口砂轮自适应切割方法，通过切割机和夹具的运动配合实现铸件浇冒口的自动化去除。为保证切割质量，切割机通过自动进给方式对砂轮的磨损量进行补偿，以保证砂轮始终在最佳切割点进行切割。同时，在SolidWorks中建立砂轮切割装置模型并导入到Adams软件中，对其切割过程进行运动学仿真。仿真结果表明：切割装置可以在最佳切割点实现对铸件浇冒口的自动去除，验证了自适应切割方法的合理性。