一種高性能燒結(jié)金剛石圓鋸片的開發(fā)①

董小雷，張翠芳，代金莉

（河北省小蜜蜂工具集團技術中心，河北 石家莊 050800）

隨著石材加工業(yè)的發(fā)展，操作者對鋸片的性能提出了更高的要求，特別是國外專業(yè)石材市場，要求鋸片鋒利度高，能夠不加水切割各種硬石材，而且要求使用中鋒利度不能出現(xiàn)大的衰減。金屬基金剛石工具中，鈷基胎體的綜合性能最好，具有良好的自銳性，非常適合切割花崗巖類石材，因此國外高端市場多為鈷基胎體產(chǎn)品，但由于鈷資源稀少，近年來價格居高不下，而金剛石工具市場競爭又日益激烈，價格不斷下滑，成本壓力使得金剛石工具生產(chǎn)企業(yè)都在進行以鐵基預合金粉代鈷的研究。本試驗采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的HF鐵基代鈷預合金粉，通過對鋸片不同使用階段金剛石磨損形態(tài)的統(tǒng)計與分析，不斷對胎體和金剛石進行相應的調(diào)整，達到了胎體和金剛石更好的匹配，減小鋸片鋒利度的衰減，改善了整體切割性能的目的，并通過與歐洲專業(yè)市場樣品的對比試驗進行了驗證。

1 試驗方法

1.1 原材料

鐵粉－300目，銅粉－300目，鎳粉－300目，錫粉－300目，HF預合金粉－300目。

1.2 對比樣品

客戶提供的歐洲專業(yè)市場高檔Φ230干片（分析胎體成分，鈷含量28%～30% 左右，刀頭粉料價格￥250－270元／kg）。

1.3 試驗設備

燒結(jié)設備：鋸片采用CSF500式鐘罩式熱壓燒結(jié)爐，封閉式不銹鋼間隔墊燒結(jié)。

切割設備：目前國外市場此類鋸片多在角向磨光機上使用，考慮到角磨機試驗難以獲得試驗所需的數(shù)據(jù)，因此項目中的試驗采用自制Φ230臺式切割機，二者功率、轉(zhuǎn)速相近，所得試驗數(shù)據(jù)有一定的代表性。

Φ230“良明”角磨機2.4kW 6500r／min

Φ230臺式切割機2.2kW 6720r／min

1.4 切割材料

根據(jù)市場情況，石材選擇中國黑作為切割對象。其結(jié)構(gòu)致密、均勻、質(zhì)地堅硬、抗壓抗折強度高（抗壓強度平均246MPa，抗折強度平均33.5MPa，摩氏硬度6.5）。試驗所用均為中國黑板材，平均厚度1.9～2.2cm。

1.5 試驗方法

為了使獲得的項目試驗數(shù)據(jù)盡量準確，試驗均采用對比試驗的方式，由相同操作者、切割同一塊石材相同長度，累積得到切割總長度；鋸片鋒利度由切割總長度／所用總時間來衡量，鋸片壽命通過切割總長度／單邊刀齒損耗來衡量。

2 配方設計

2.1 配方胎體設計

胎體性能的核心要求是兩點：一是具有良好的粘接性能，能夠牢固地把持住金剛石，使其在使用過程中不致過早脫落；二是使用過程中胎體自身磨損和金剛石的磨損相匹配，保持制品既有較高的切削效率，同時又具有較高的磨損比。此外，作為工具生產(chǎn)廠家，開發(fā)中還需要考慮良好的工藝性（壓制、燒結(jié)性能）以及合理的成本。

根據(jù)前期對HF代鈷預合金粉的試驗獲得的一些經(jīng)驗與數(shù)據(jù)，初步設計了下面的胎體配方：

2.2 金剛石的選擇

金剛石是鋸片組成的關鍵材料之一，金剛石的沖擊韌性、熱穩(wěn)定性、粒度、濃度、破碎方式等，都直接影響鋸片的切削效率和壽命。由于主要是以硬石材的高效干切為開發(fā)目的，根據(jù)設計經(jīng)驗并參考國外類似產(chǎn)品，選擇粗粒度、高強度金剛石為主切粒度，輔以較細粒度金剛石保護胎體?？紤]到制造成本的因素，均選用國產(chǎn)某品牌金剛石。初步設計金剛石組合如表1，濃度15%～20%，開發(fā)試制過程中根據(jù)試驗切割情況并輔助以金剛石磨損形態(tài)統(tǒng)計與分析，再加以逐步調(diào)整。

表1 金剛石組成Table 1 Diamond composition

2.3 配方調(diào)整

基本配方確定后，首先進行了燒結(jié)工藝的摸索和鋸片性能的初步測定。通過對刀頭強度及硬度的檢測，刀頭硬度HRB100±5；刀頭強度平均值14.5N·m（略高于EN標準）；切割試驗初始速度較快，但100米后，速度下降較多，手感偏沉，通過對頂刃金剛石磨損形態(tài)的觀察，金剛石出刃高度比較理想，說明胎體對金剛石的把持力較好，但金剛石棱角磨平、鈍化的偏多，表明在這種使用條件下，所用金剛石的強度或濃度偏高，鋸片的自銳能力不強。根據(jù)以上情況，做了相應的調(diào)整：

（1）對胎體進行了微調(diào)，提高其強度，保證使用安全性，滿足產(chǎn)品出口歐美國家的要求；

（2）調(diào)整金剛石品級及濃度。

調(diào)整后配方命名為F255（刀頭粉料價￥190元／kg），以此配方制作Φ230熱壓干片，與對比樣品進行對比試驗。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 對比切割試驗

共進行400米對比切割試驗，兩張鋸片刀頭損耗占有效刀頭高度的1／2左右，能夠反映出兩張鋸片的真實性能。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)255配方鋒利度優(yōu)于對比樣品，切割平均速度較樣品高25%，計算壽命則較對比樣品短20%。（表2）

圖1為二者速度變化曲線圖，從圖中可以明顯看出，前100米，二者速度相差不大，100米后，平均速度均有下降，但對比樣品速度下降較快，并且隨著切割米數(shù)的延長呈現(xiàn)進一步下降的趨勢，而F255則趨于穩(wěn)定。

表2 F255－ 對比樣品對比切割試驗Table 2 Comparison of cutting test between F255and sample

圖1 干切速度變化曲線圖Fig.1 Curve of speed variation for dry cutting

3.2 刀頭及金剛石微觀分析

切割200米、400米后，分別對兩張鋸片頂刃金剛石磨損狀態(tài)進行了觀察，圖2、圖3為F255配方與對比樣品頂刃金剛石出刃的典型形態(tài)。可以看出F255出刃高度較樣品高，金剛石兩側(cè)有明顯的拉槽，有利于排屑和散熱。

圖2 F255金剛石出刃Fig.2 Diamond exposure of F255

圖3 對比樣品金剛石出刃Fig.3 Diamond exposure of sample

同時分別對兩張鋸片頂刃金剛石磨損狀態(tài)按出刃良好（包括新出刃與棱角拋光形態(tài)；圖4）、破碎（包括微破碎與較大破碎；圖5）、脫落（金剛石完全脫落）三種狀態(tài)進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3、表4。

圖4 對比樣品微破碎形貌Fig.4 Morphology of micro－cracked sample

圖5 對比樣品大塊破碎形貌Fig.5 Morphology of large－cracked sample

表3 切割200米統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistical data with 200mlength of cutting

表4 切割400米統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 4 Statistical data with 400mlength of cutting

鏡下觀察，F(xiàn)255配方胎體對金剛石有很強的把持力，金剛石出刃高度高，能夠有效的提高切割效率；由于細粒度金剛石較少，胎體磨損較快，因此金剛石脫落比例也較高，但脫落凹坑小，表明金剛石脫落時只有很少部分與胎體接觸，這從另一個角度反映出配方胎體對金剛石具有很強的把持力。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，其頂刃金剛石出刃良好、破碎、脫落所占比例接近1∶1∶1，鋸片自銳性很好，鋒利度高，壽命略短。對比樣品胎體對金剛石的把持也較好，金剛石脫落比例少，但細粒度金剛石比例偏多，雖然對胎體有較好的保護作用，但也導致胎體磨損偏慢，金剛石出刃高度不夠，影響切割效率，雖然壽命較F255長，但鋒利度與自銳性均較F255差，其金剛石出刃良好、破碎、脫落比例接近2∶2∶1，在出刃高度并非很高的情況下，金剛石破碎比率卻較高，表明其金剛石強度偏低。

F255配方經(jīng)公司外銷部推出后，用戶均認可其綜合性能，特別是鋒利度，而其成本較采用鈷粉產(chǎn)品降低25%～30%，具有較大的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）通過合理選用鐵基代鈷預合金粉以及金剛石，開發(fā)出的F255產(chǎn)品優(yōu)于國外同檔次產(chǎn)品，具有較高的性價比。

（2）對干切鋸片而言，主切粒度以外的細粒度金剛石比例不宜過高，否則胎體耐磨性高，金剛石出刃高度降低，影響鋒利度；金剛石出刃良好、破碎、脫落比例接近1∶1∶1時，鋸片自銳性較好。

（3）金剛石頂刃磨損狀態(tài)的統(tǒng)計與分析，對于配方的設計與改進可以提供比較明確的方向。

［1］孫毓超，宋月清.金剛石工具制造理論與實踐［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2005.

［2］王秦生.金剛石燒結(jié)制品［M］.北京：中國標準出版社，2000.