弱化胎體添加劑在金剛石鋸片中的應(yīng)用

楊 棟，陳治強(qiáng)，王曉東，武璽旺

(1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082;2.河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 長(zhǎng)葛 461500)

花崗石板材典雅華貴，色澤美觀，堅(jiān)固耐用，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械行業(yè)中。但花崗石結(jié)構(gòu)致密，材質(zhì)堅(jiān)硬耐磨，難于加工，其加工成本占其總成本的絕大部分[1,2]。在其加工過程中，提高金剛石鋸片的鋸切效率即鋒利度，是降低加工成本最為關(guān)鍵的方法。

為提高鋸片的鋒利度，需要適度弱化胎體，即適當(dāng)降低胎體的耐磨性，確保切割過程中下層金剛石可以借助胎體的磨損而及時(shí)出刃，代替上層已經(jīng)破損、磨光、脫落的金剛石及時(shí)參與切割，從而保證切割效率與穩(wěn)定性。胎體弱化并非一味地降低胎體的強(qiáng)度，否則會(huì)導(dǎo)致其對(duì)金剛石的把持力大幅降低，造成金剛石過早脫落。目前，弱化胎體的方法主要有：工藝控制法、添加劑法及粗化晶粒法。最有效的做法是加入適量添加劑，適當(dāng)降低胎體耐磨性的同時(shí)確保胎體耐磨性能夠與金剛石的使用壽命相匹配，實(shí)現(xiàn)二者同步磨損，保證下層金剛石及時(shí)出刃，提高金剛石工具的鋒利度[3]。

實(shí)驗(yàn)所用添加劑資源豐富，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格適中，冷壓成形性好，燒結(jié)容易。因此，本實(shí)驗(yàn)探討了該添加劑對(duì)金剛石工具性能的影響，確定了較優(yōu)的添加量，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

本實(shí)驗(yàn)采用Fe基配方，以本公司生產(chǎn)的預(yù)合金粉HFY-01為參照，根據(jù)添加劑含量的變化，設(shè)計(jì)如表1的配方，考察該添加劑對(duì)Φ112mm鋸片性能的影響。

表1 配方組成(wt)

將上述各配方粉末先行混勻，再加入體積濃度12%的金剛石與石蠟繼續(xù)混勻后，在自動(dòng)熱壓燒結(jié)機(jī)中于830℃燒結(jié)制成規(guī)格為40mm×8.0mm×3.2mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)塊。采用LFSC型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗彎強(qiáng)度，HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試其硬度，采用鋼研納克NI300C型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其沖擊韌性。另一部分于黃河田中科美冷壓機(jī)下100T成形，而后于鐘罩爐中熱壓燒結(jié)。利用鄭州大華ModelI型自動(dòng)切割試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)該鋸片的鋒利度及耐磨性。切割對(duì)象為山東五蓮產(chǎn)花崗石，花崗石板長(zhǎng)80cm，厚度為2cm，每塊切割20刀，切割總長(zhǎng)為16m。切割方式為干式順切。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 添加劑含量對(duì)含金剛石胎體抗彎強(qiáng)度及硬度的影響

圖1為6種配方含金剛石燒結(jié)樣塊的抗彎強(qiáng)度及硬度值。從圖中可以看出，當(dāng)添加劑添加量從0增至10%時(shí)，胎體的抗彎強(qiáng)度逐漸減小，減小值約為200MPa，減小幅度大于25%，胎體的抗彎強(qiáng)度弱化明顯。胎體的硬度則不斷增大，在6%時(shí)達(dá)到最大值，此后雖有緩慢下降，但幅度不大。圖2為添加劑含量分別為0，4%、10%時(shí)含金剛石胎體的斷面圖，隨著添加劑含量的增多，胎體對(duì)金剛石的把持力先增大后減小。添加劑為0時(shí)，金剛石和胎體之間有裂縫，而且裂縫較大，把持力不夠高。添加劑為4%時(shí)，金剛石和胎體包鑲良好，金剛石周圍沒有裂縫產(chǎn)生，金剛石本身有輕微刻蝕，表明胎體對(duì)金剛石的把持力較好，胎體燒結(jié)組織致密均勻。這從圖3亦可得到進(jìn)一步證明。當(dāng)添加劑為10%時(shí)，金剛石周圍有裂縫，而且周邊有1/2處于斷層上，胎體與金剛石結(jié)合不牢。

圖1 添加劑含量對(duì)含金剛石胎體抗彎強(qiáng)度及硬度的影響Fig.1 Effects of additives content on the bending strength and hardness of matrix

圖2 胎體對(duì)金剛石的包接性Fig.2 Inclusion of matrix to diamond(a)添加劑含量為0 (b) 添加劑含量4% (c) 添加劑含量為10%

圖3 添加劑含量為4%時(shí)胎體包裹金剛石的斷面圖Fig.3 Cross-section of matrix-encapsulated diamond with 4% additive content

2.2 添加劑含量對(duì)含金剛石胎體沖擊韌性的影響

圖4為表1中的不同配方原料與金剛石混勻在自動(dòng)熱壓燒結(jié)機(jī)中于830℃燒結(jié)制成規(guī)格為40mm×8.0mm×3.2mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)塊，采用鋼研納克NI300C型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其沖擊功值。圖中可見，隨著添加量的增加，該材料韌性逐漸降低，脆性逐漸增大。結(jié)合圖1，可得該胎體材料硬度與脆性大致相關(guān)，即硬度增大，脆性亦即增大。因此，可以得出，該添加劑的加入有利于降低胎體的韌性及耐磨性，一定程度上有利于提高用其制成鋸片的鋒利度。

圖4 添加劑含量對(duì)胎體沖擊韌性的影響Fig.4 Effects of additives content on the impact toughness of matrix

2.3 添加劑含量對(duì)鋸片性能的影響

將上述6種配方制作成規(guī)格為Φ112mm的金剛石圓鋸片。其中金剛石粒度為35/40目，體積濃度為12%，冷壓成型壓力為100t，采用鐘罩爐熱壓燒結(jié)方式，燒結(jié)溫度為930℃，保溫時(shí)間為60min。燒結(jié)后測(cè)得每種鋸片的刀頭硬度如圖5所示。隨著添加劑含量的增加，刀頭硬度先升高后降低，在4%時(shí)達(dá)到最大值，之后有所下降，但幅度不是很大。超過8%時(shí)，硬度下降的趨勢(shì)較為明顯。這與前述圖1中對(duì)含金剛石胎體硬度的影響較為類似。

圖5 添加劑對(duì)鋸片刀頭硬度的影響Fig.5 Effects of additives content on the hardness of segments

將上述鋸片進(jìn)行切割花崗石試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。值得一提的是，當(dāng)添加劑含量在10%時(shí)，在切割至第2刀時(shí)，鋸片就產(chǎn)生大的火花，出現(xiàn)燒片現(xiàn)象，切不動(dòng)，設(shè)備停止運(yùn)行。再次重新啟動(dòng)設(shè)備后鋸片可以使用，但伴有火花產(chǎn)生，最后產(chǎn)生大的火花，鋸片又出現(xiàn)切不動(dòng)現(xiàn)象，刀頭燒毀嚴(yán)重。結(jié)合圖1、圖2、圖3及圖4 ，可以認(rèn)為，伴隨著添加劑的增多，胎體的強(qiáng)度及韌性不斷降低，對(duì)金剛石的把持力下降。在鋸片工作時(shí)，胎體不足以應(yīng)對(duì)來自外部堅(jiān)硬花崗石的沖擊載荷及研磨，金剛石脫落嚴(yán)重，導(dǎo)致胎體與花崗石直接摩擦，鋸片失去切割能力，金剛石鋸片鋒利度嚴(yán)重下降，出現(xiàn)打火燒片現(xiàn)象[4]。因此圖6不再對(duì)配方6進(jìn)行說明。

圖6 每種配方的切割平均電流及重量損耗曲線Fig.6 The average cutting current and weight loss curve of each formulation

由圖6可見，隨著添加劑在配方中含量的增加，其重量損耗有所上升，但總體增加幅度并不甚大，當(dāng)含量超過8%，其重量損耗明顯上升，是不加添加劑的6.8倍，鋸片耐磨性明顯下降。從電流曲線來看，含量超過8%時(shí)，其鋒利度并沒有明顯的提升。當(dāng)添加劑含量為2%時(shí)，鋸片的鋒利度與沒有添加劑時(shí)基本一致，但其耐磨性有下降明顯，當(dāng)含量在4%左右時(shí)，鋸片的鋒利度有明顯的提升，之后又開始緩慢下降，下降的原因可能是因?yàn)殡S著添加劑的增多，胎體對(duì)金剛石的把持力下降，金剛石出刃高度逐漸下降所致。由圖1、圖6可見，抗彎強(qiáng)度過高、過低時(shí)，鋸片的鋒利度并不是很好。硬度與鋸片耐磨性或壽命沒有必然聯(lián)系，胎體硬度高低不是其耐磨性強(qiáng)弱的表征，這和文獻(xiàn)[5，6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。當(dāng)添加劑含量為4%左右時(shí)，鋸片的鋒利度及耐磨性較好。

2.4 添加劑弱化作用機(jī)理的探討

當(dāng)正常工作的金剛石顆粒被磨損或撞擊碎裂之后，其出刃高度將下降,工作面與石材之間的容屑間隙就會(huì)隨之變小。這時(shí)，如果包鑲金剛石的胎體不能及時(shí)磨損掉，工具的切割能力就會(huì)逐漸降低直至失效。為了保證工具保持良好的切割性能，就必須保證胎體能夠同時(shí)磨損掉相應(yīng)高度，既保證金剛石的出刃高度基本保持在剛工作磨損時(shí)高度，又使得新的金剛石出露，凸出過度的金剛石顆粒正常脫落，可見，金剛石工具胎體性能弱化的機(jī)制必須依靠適當(dāng)降低胎體的耐磨損性能才能獲得。

五蓮紅花崗石石英含量高，金剛石的宏觀破碎率較高，完整晶形少，磨損較快。因此，需要通過添加劑適當(dāng)弱化胎體，加速金剛石的脫落出刃，才能不斷提高金剛石鋸片的鋒利度，提高花崗石的加工效率。

從上圖6可得，適量添加劑的加入之所以可以提高工具的鋒利度，其主要原因在弱化胎體，降低胎體的抗彎強(qiáng)度、韌性及耐磨性，使得胎體與金剛石磨損相匹配。當(dāng)添加量少時(shí)，金剛石出露不高，且胎體的磨損過慢，導(dǎo)致金剛石過度服役，被宏觀破碎進(jìn)而磨圓而失去切割能力，下層的金剛石又不能及時(shí)出刃，鋸片的鋒利度就不足。當(dāng)添加適量時(shí)，胎體對(duì)金剛石把持較好，且胎體韌脆性適中，金剛石出刃、工作、脫落彼此匹配良好，切割效率及連續(xù)性優(yōu)良。但當(dāng)繼續(xù)增加添加量時(shí)，胎體的抗彎強(qiáng)度、韌性又會(huì)不斷下降，對(duì)金剛石的把持力較差，切割石材時(shí)，金剛石脫落嚴(yán)重，打火、燒片、甚至出現(xiàn)切不動(dòng)現(xiàn)象，胎體耐磨損性太差，金剛石可能沒有工作就已脫落，工具的鋒利度太差。

3 結(jié)論

(1)Fe基結(jié)合劑中加入添加劑可以弱化胎體，即降低胎體的抗彎強(qiáng)度、韌性、耐磨性，同時(shí)增加了胎體的硬度及鋒利度。該添加劑的添加量在3%～5%之間為宜。

(2) 抗彎強(qiáng)度太高，不利于鋸片鋒利度的提高，太低則對(duì)金剛石的把持力不足，底限應(yīng)能保證鋸片工作時(shí)絕對(duì)安全。參照加工對(duì)象，胎體適宜的抗彎強(qiáng)度、硬度、韌脆性、耐磨性是胎體設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。

(3) 硬度與鋸片的鋒利度及耐磨性并無必然聯(lián)系。