預(yù)合金粉末對金剛石石材鋸片性能的影響

張健瓊，楊志威，劉一波

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.鋼鐵研究總院，北京 100081;3.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京 102200)

0 引言

金剛石工具一般由基體、金剛石以及胎體粉末燒結(jié)而成，而刀頭(金剛石和胎體)是決定金剛石工具質(zhì)量優(yōu)劣的一個關(guān)鍵因素。在金剛石工具中金剛石是切削元件，但金剛石能否充分有效地利用起決定性作用的卻是胎體。胎體主要有“包鑲”金剛石和金剛石“匹配”磨損兩個作用。胎體的性能主要取決于胎體的材料,胎體主要有金屬[1]、樹脂[2-3]和陶瓷[4-6]等，其中金屬胎體以優(yōu)異的綜合性能而得到最廣泛的應(yīng)用[7]。

目前國內(nèi)金剛石工具很多生產(chǎn)廠家還在采用將單質(zhì)粉末機械混合后再燒結(jié)，雖然這對調(diào)整胎體整體成分的比例非常方便，但是仍存在非常多的問題，如顆粒較為粗大、粉末表面氧化；而且由于使用的單質(zhì)粉末的密度和粒度都不相同，致使混料難度加大，一方面為了使成分混合均勻，不斷增加混料時間，這就可能造成粉末表面氧化加劇；但減少混料時間又有可能導(dǎo)致混料不充分，影響鋸片性能。同時由于胎體中的高熔點金屬偏多，為了達(dá)到胎體的致密，導(dǎo)致燒結(jié)溫度高。燒結(jié)過程中金剛石易發(fā)生石墨化現(xiàn)象；低熔點金屬流失，致使胎體成分無法達(dá)到預(yù)期。因此，擁有燒結(jié)溫度較低、成分均勻、合金化程度高等優(yōu)點的預(yù)合金粉末，在金剛石工具中也就得到越來越廣泛的使用。

預(yù)合金粉末是在粉末制備過程前就將各組元制作成合金后再制作成粉，能夠得到化學(xué)成分完全一致的粉末。相比于單質(zhì)元素粉末混合，采用預(yù)合金粉末，提前將各種單質(zhì)合金化，按需調(diào)整成分，使之符合被加工材料的需求。預(yù)合金粉末包含了組成合金的各種金屬元素[8]，避免出現(xiàn)比重偏析、低熔點金屬先熔、富集、流失等問題[9]。同時可以提高胎體的硬度和致密度[10]。

針對切割石材的激光焊接鋸片，我們分別使用單質(zhì)金屬粉末機械混合與使用預(yù)合金粉末作為金剛石鋸片的胎體原料，采用相同的金剛石，采用加壓燒結(jié)的工藝制成刀頭，而后，激光焊接制成鋸片，再切割不同種類的花崗巖，對比其切割性能。

1 實驗方法

1.1 實驗原材料

鋸片胎體成分采用我司常規(guī)石材切割胎體成分，包含F(xiàn)e、Co、Cu、Sn、P。實驗中分別使用單質(zhì)金屬粉末(1#胎體)機械混合，預(yù)合金粉末與部分其它粉末混合(2#胎體)。預(yù)合金粉末使用河南泰和匯金粉體科技有限公司的X6-630預(yù)合金粉末。

上述金屬粉末指標(biāo)見表1。

表1 金屬粉末技術(shù)指標(biāo)

金剛石使用公司石材通用的金剛石配方，為35/40、40/45、45/50等三種粒度混合使用。

1.2 冷壓成型、燒結(jié)和焊接

將上述金屬粉加入一定量甘油酒精溶液(甘油、酒精比例為1∶4)，放入三維混料機中混料1h～2h。而后，加入金剛石，再在三維混料機中，再次混料1h。之后，在混好的混合粉末中加入一定量的液體制粒劑，混合均勻，放入烘箱中烘干，再過篩得到近球形顆粒。

采用四柱液壓機加壓，制得冷壓生坯，放置加壓式燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝見圖1。冷卻取出，制得刀頭半成品，刀頭尺寸為10mm×3.2mm×40mm。將刀頭和基體使用激光焊接機焊接成鋸片，(圖2)。經(jīng)后續(xù)處理后用于切割測試。

圖1 燒結(jié)工藝曲線

圖2 切割測試使用鋸片

1.3 切割性能測試、刀頭金剛石出露程度和微觀組織觀察

使用推臺式切割機，通冷卻水，手動切割紅色花崗巖和黑色花崗巖，對比切割速度的差異，得出胎體鋒利度的差別；測量刀頭損耗，計算出鋸片壽命，得出胎體壽命的差異。綜合鋒利度和壽命的試驗數(shù)據(jù)，從而得出胎體性能的差異。

使用光學(xué)顯微鏡觀察切割后刀頭側(cè)面金剛石出露情況，以此判斷胎體對金剛石的把持力。

使用掃描電子顯微鏡觀察刀頭斷口微觀形貌，觀察試樣微觀組織形貌，對比微觀組織形貌的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 二種胎體刀頭規(guī)格和硬度

二種胎體刀頭燒結(jié)后的規(guī)格和硬度如表2。

表2 二種胎體刀頭燒結(jié)后的規(guī)格和硬度

2.2 切割性能測試

使用公司切割測試專用切割設(shè)備推臺鋸(圖3)，通冷卻水，切割市場上常見的紅色花崗巖(圖4)和黑色花崗巖(圖5)，固定切割材料的規(guī)格尺寸。記錄切割用時，通過對比切割速度，來判斷鋸片的鋒利度；切割一定刀數(shù)后，測量切割前后的鋸片直徑，得出刀頭損耗量，從而計算出鋸片的壽命。通過鋸片的鋒利度和壽命，最終評價胎體的性能優(yōu)劣。

圖3 切割測試專用推臺鋸

圖4 切割測試用紅色花崗巖

圖5 切割測試用黑色花崗巖

圖6和圖7分別是2種胎體的鋸片切割紅色花崗巖和黑色花崗巖的對比數(shù)據(jù)。切割材料規(guī)格為長度600mm，厚度30mm。每種切割材料切割100刀。從切割數(shù)據(jù)來看，切割紅色花崗巖和黑色花崗巖這兩種材料，2#胎體的鋸片鋒利度都要好于1#胎體的鋸片,基本都提高10%以上。通過切割前后鋸片尺寸的測量，計算出的鋸片的壽命對比，也可得出2#胎體鋸片的壽命高于1#胎體鋸片15%以上。由此說明，使用預(yù)合金粉末的胎體性能明顯優(yōu)于單質(zhì)粉末的胎體。表3是切割測試的詳細(xì)對比數(shù)據(jù)。

圖6 紅色花崗巖對比切割測試

圖7 黑色花崗巖對比切割測試

表3 切割對比數(shù)據(jù)

2.3 刀頭金剛石出露程度

圖8、圖9分別是切割后1#、2#胎體鋸片刀頭側(cè)面的照片，可以看出2#胎體金剛石出露充分，而1#胎體的金剛石出露明顯稍差，且有部分金剛石已經(jīng)脫落，這說明1#胎體對金剛石的把持力小于2#胎體。因此，導(dǎo)致1#胎體鋸片的鋒利度和壽命低于2#胎體鋸片。

圖8 1#胎體鋸片切割后刀頭側(cè)面照片

圖9 2#胎體鋸片切割后刀頭側(cè)面照片

2.4 胎體形貌分析

圖10和圖11分別為1#胎體和2#胎體的刀頭斷口掃描電鏡照片，燒結(jié)溫度840℃。

圖10 1#胎體斷口掃描電子顯微鏡照片

圖11 2#胎體斷口掃描電子顯微鏡照片

對比圖10和圖11，雖然胎體的成分配比相同，燒結(jié)溫度也相同，但微觀的組織完全不同。1#胎體的微觀組織比較粗糙，顆粒很大，而且不均勻，同時有較多的孔隙。而2#胎體斷口微觀組織比較均勻，顆粒很小，而且孔隙明顯比單質(zhì)粉末的胎體少。這些都是由于預(yù)合金粉末中各元素已經(jīng)充分混合、合金化，每個顆粒成分均勻。從而在燒結(jié)過程中均勻分布，胎體內(nèi)出現(xiàn)的液相能夠均勻、及時的分布到胎體的孔隙中，以此實現(xiàn)胎體的致密化和減少孔隙的出現(xiàn)。另一方面，由于預(yù)合金粉末的熔點也比單質(zhì)金屬粉末低，在燒結(jié)過程中，更容易形成液相，去填充孔隙，減少孔隙數(shù)量。因此，在這兩方面的作用下，相同的燒結(jié)溫度，預(yù)合金粉末比單質(zhì)粉末更容易獲得均勻一致且致密的胎體，從而獲得更好的性能。

正因為預(yù)合金粉末的2#胎體致密度高，因此，其對金剛石的把持力就相對較高，金剛石出露好，這在切割后刀頭側(cè)面的照片也可以看出，從而鋸片的鋒利度和壽命就好。而單質(zhì)粉末的1#胎體孔隙多，致密度不夠，因此，胎體對金剛石的把持力相對較低，金剛石無法充分出露，或者在金剛石出露不足時就已脫落，從而導(dǎo)致鋸片壽命和鋒利度下降。

3 結(jié)論

(1)使用推臺鋸切割紅色花崗巖和黑色花崗巖這兩種材料，使用預(yù)合金的胎體的鋸片鋒利度和壽命都要好于單質(zhì)粉末胎體的鋸片,基本都提高10%～15%。使用預(yù)合金粉末的胎體性能明顯優(yōu)于單質(zhì)粉末的胎體。

(2)切割后鋸片的金剛石出露情況不同。預(yù)合金粉末胎體金剛石出露充分，單質(zhì)粉末胎體金剛石出露相對較差，且有部分金剛石已經(jīng)脫落，這說明預(yù)合金粉末胎體對金剛石的把持力好于單質(zhì)粉末胎體。

(3)在成分相同的胎體，燒結(jié)溫度相同的條件下，微觀的組織完全不同。使用預(yù)合金的胎體致密度和顆粒明顯好于使用單質(zhì)粉末的胎體。