基于双体系原位自蔓延反应的环境友好型金属结合剂金刚石工具制备基础研究

Conventional metal bond diamond tool owns high content of different heavy metal elements, which may pollute environment in its application processes. In this project, dual SHS (self propagating high temperature synthesis) systems of Fe-Al/Fe2O3-Al are used to prepare a novel kind of heavy metal free metal bond diamond tool. Thermodynamics and kinetics of Fe-Al/Fe2O3-Al SHS reaction are to be investigated, the constitution of dual SHS systems and the content of Fe diluent will be optimized. The SHS temperature, combustion wave velocity and densification mechanism of Fe-Al bond are studied to optimize the sintering parameters. The microstructure of interface between Fe-Al bond and diamond grits is to be analyzed, the effect of doping of silicon and boron elements on the microstructure and mechanical property of the sintered bond will also be studied. The prepared Fe-Al bond diamond tool will be used to machine typical hard and brittle materials. The grinding performance, wear and failure mechanism of the diamond tool are to be investigated. The composition and processing parameters are to be optimized to obtain a rapid and energy-saving method to prepare an environment-friendly metal bond diamond tool with superior performance, which owns crucial social value, wide application background and academic significance.

传统金属结合剂金刚石工具中重金属元素种类多、含量高，在应用过程中存在污染环境的风险。本项目设计了一种无重金属元素添加的新型Fe-Al结合剂体系，提出了一种基于Fe-Al/Fe2O3-Al双体系原位自蔓延反应的金刚石工具制备新方法。通过Fe-Al/Fe2O3-Al双体系原位自蔓延反应热力学和动力学的研究，优化双体系的配比和稀释剂含量；掌握含稀释剂与金刚石的双体系自蔓延反应燃烧温度、燃烧波速度和热压致密化机制，优化双体系原位自蔓延反应热压烧结金刚石工具的工艺参数；分析Fe-Al结合剂与金刚石的界面结合状态，探索Si、B元素掺杂对Fe-Al结合剂微观结构和力学性能的影响规律，制备Fe-Al结合剂金刚石工具，研究其加工典型硬脆材料的使用性能、磨损与失效机制，进一步优化结合剂成分和制备工艺，获得一种高性能、环境友好型金属结合剂金刚石工具的快速、节能制备方法，有明确的社会意义、应用背景和学术价值。

传统金属结合剂金刚石工具中重金属含量较高，在制造和应用过程中存在重金属污染的风险。本项目设计了一种无重金属元素添加的新型Fe-Al结合剂材料体系，提出了一种基于Fe-Al/Fe2O3-Al双体系原位自蔓延反应的金刚石工具制备新方法。通过Fe-Al/Fe2O3-Al双体系原位自蔓延反应热力学的研究，优化体系配比和Fe稀释剂的含量；掌握自蔓延反应的燃烧温度和热压致密化机制，优化双体系原位自蔓延反应热压烧结金刚石工具的工艺参数；分析Fe-Al结合剂与金刚石的界面结合状态，探索Si、B元素掺杂对Fe-Al结合剂微观结构和力学性能的影响规律，制备Fe-Al结合剂金刚石工具，研究其加工典型硬脆材料的使用性能、磨损与失效机制，进一步优化结合剂成分和制备工艺，获得一种高性能、环境友好型金属结合剂金刚石工具的快速、节能制备方法，有明确的社会意义、应用背景和学术价值。.研究表明，Fe-Al/Fe2O3-Al双体系会在651℃发生自蔓延反应，Fe-Al体系则会在640℃时发生自蔓延反应，而Fe2O3-Al体系在1028℃开始发生铝热自蔓延反应；随着烧结温度的升高，结合剂越致密，力学性能越高；Fe-Al结合剂对金刚石具有良好的包埋效果，结合界面无明显裂纹产生；Si、B元素通过细化晶粒和降低组元熔点可以提高结合剂的力学性能；制备的三种结合剂金刚石工具具有优异的力学性能和加工性能，特别是Fe3Al结合剂金刚石工具磨削Al2O3和Si3N4陶瓷时，表现出了较低的磨削力，磨削比分别为284和154。Al2O3和Si3N4陶瓷的去除机理均为脆性去除，表面粗糙度（Ra）分别为2.15μm和0.31μm。