國內(nèi)主要廠家金剛石鋸片的胎體成分和性能研究(上)①

鄧福銘,毛 峰,李 丹,王海梁,鄒 波,張 玲

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083)

1 引言

金剛石鋸片是各類金剛石制品中用量最大的一類產(chǎn)品。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計資料估計,目前世界上工業(yè)金剛石50%左右用來制造石材加工工具,其中主要又是制造石材鋸片[1]。金剛石鋸片是應(yīng)用最廣泛的金剛石工具,為了獲得金剛石鋸片的最大效益,無論是制造廠家還是用戶都十分關(guān)注金剛石鋸片的工作狀況,特別是它的鋸切率、使用壽命和功率消耗[2]。胎體材料的性能是影響金剛石鋸片使用性能的關(guān)鍵因素之一,它的主要作用是牢固把持金剛石,使金剛石在工作過程中,能夠與胎體材料同步磨損,保持良好的出刃速度,提高金剛石工具的使用效率。本文通過對國內(nèi)主要廠家的金剛石鋸片刀頭進(jìn)行形貌和成分測試,分析了胎體材料對金剛石鋸片性能的影響。

2 試驗方法和試驗方案

使用性能,分析胎體元素對使用性能的影響。

本實驗通過市場調(diào)研遴選七種國內(nèi)主要廠家的金剛石鋸片刀頭作分析測試對象,分別在S-3400型掃描電子顯微鏡(SEM)下對其斷裂面進(jìn)行觀察分析,并分別在每一刀頭不同部位的三個不含金剛石的微區(qū)域,采用Link ISIS能譜分析儀(EDS)對刀頭胎體成分進(jìn)行了分析測試,以了解各廠家金剛石鋸片刀頭的燒結(jié)情況和胎體對金剛石的包鑲情況。

金剛石鋸片的切割實驗在工廠進(jìn)行,在相同的切割條件下對七種不同的鋸片做了切割實驗,觀察實際

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 各刀頭的微觀形貌和能譜分析

圖1(a)為金剛石刀頭在掃描電鏡下放大300倍的形貌,黑色部分為金剛石,周圍為金屬胎體,金剛石晶形比較完整,胎體與金剛石的結(jié)合較緊密。(b)為胎體材料放大1000倍的形貌,從圖中可以看出,胎體燒結(jié)比較致密。

圖1 1#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.1 The SEM micrographs of 1#diamond segment

圖2 1#金剛石鋸片刀頭的EDS圖Fig.2 The EDS graphs of 1#diamond segment

由圖2的能譜分析圖和表1的能譜分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知,1#刀頭胎體材料中,主要含有Cu、Fe、W、Zn和Si,其中,Cu的重量百分比約為36.98%,Fe約占6.85%,W約占12.59%,Zn為7.71%,Si為17.34%。從表中可以看出,不同區(qū)域的金屬元素含量差別較大,W在測試的第一個區(qū)域含量為28.08%,而在第三個測試區(qū)域僅為0.50%,Fe在不同區(qū)域分別為10.37%、6.46%、3.73%,可見,金屬粉末在胎體材料中的分布很不均勻,這是由于混料不均勻造成的,這一現(xiàn)象會導(dǎo)致胎體不同位置的耐磨性不同,和對金剛石的把持力有所差別,從而造成金剛石不同程度的脫落,影響鋸片的切割性能。

表1 1#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結(jié)果(wt%)Table 1 The EDS analysis results of 1#diamond segment(wt%)

圖3(a)為放大60倍的刀頭形貌,從圖中可以看出,該刀頭中金剛石濃度較大,結(jié)合(b)放大300倍的刀頭形貌,可以發(fā)現(xiàn),金剛石的晶形比較完整,屬于高品級金剛石,(c)為刀頭中胎體材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎體燒結(jié)得比較致密,且比較均勻。

圖3 2#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.3 The SEM micrographs of 2#diamond segment

圖4 2#金剛石鋸片刀頭的EDS圖Fig.4 The EDS graphs of 2#diamond segment

圖4為2#刀頭胎體的能譜圖,從圖中可以看出,胎體成分主要有Cu、Fe、Co和 Ni,其中,Cu、Fe的含量較高。由表2的能譜分析數(shù)據(jù)可知,2#刀頭的胎體材料中,Cu的重量百分比為45.54%,Fe約占29.08%,Co約占11.92%,Ni約占8.04%。此外胎體中還含有少量的Sn、Al、Si、Mn和O。從表中三個不同區(qū)域的測試數(shù)據(jù)可以看出,2#刀頭胎體材料中各種金屬粉末的分布比較均勻。

表2 2#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結(jié)果(wt%)Table 2 The EDS analysis result of 2#diamond segment(wt%)

圖5(a)為金剛石鋸片刀頭放大300倍時的形貌,從圖中可以看出,金剛石與胎體的結(jié)合比較緊密,可以判斷胎體對金剛石的把持力較大,但金剛石晶形不完整,可能是使用了低品級金剛石,或者是燒結(jié)溫度太高而使金剛石表面被侵蝕。(b)為胎體材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎體燒結(jié)得比較致密。

圖5 3#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.5 The SEM micrographs of 3#diamond segment

由表3的能譜分析結(jié)果可知,3#刀頭的胎體材料中,主要含有Fe、Cu和Co,其中Fe含量最高,重量百分比為49.35%,Cu約占27.12%,Co約占5.15%,此外胎體中還含有少量的Al、Si、Mn,其含量均小于1%。Fe含量較高,可以提高胎體的耐磨性,但Fe的熔點高達(dá)1535℃,使得刀頭的燒結(jié)溫度提高,金剛石表面容易被侵蝕,從而影響鋸片的切割性能。胎體中氧含量高達(dá)16.69%,原因之一是金屬粉末在混合和燒結(jié)過程中被氧化,原因之二是金剛石鋸片刀頭長期露置在空氣中而使表面被氧化。胎體中一定的氧含量有利于提高胎體的硬度和強(qiáng)度,而且在一定范圍內(nèi)有助于燒結(jié),但氧含量過高會加速鋸片切割過程中金剛石的破碎,導(dǎo)致切割效率和切割壽命下降。三個不同區(qū)域的測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明3#刀頭胎體中金屬粉末分布比較均勻。

表3 3#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結(jié)果(wt%)Table 3 The EDS analysis result of 3#diamond segment(wt%)

圖6中,圖(a)為金剛石鋸片刀頭放大300倍時的形貌,從圖中可以看出,金剛石與胎體的結(jié)合較緊密,金剛石只出露了一部分,但可以發(fā)現(xiàn)金剛石的晶形比較完整,(b)為胎體放大1000倍的形貌,可見胎體燒結(jié)比較致密,但較3#的致密情況差一些。

圖6 4#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.6 The SEM micrographs of 4#diamond segment

由表4的能譜分析結(jié)果可知,4#刀頭的胎體材料中,主要含有Cu、Fe和Zn,其中,Cu含量最高,重量百分比為54.7%,Fe約占13.29%,Zn約占3.44%,此外胎體中還含有少量的 Co、Si、Cr、Sn等金屬,其含量均小于3%,4#刀頭中氧含量較低,約占2.41%,不會影響鋸片的切割效率和壽命,但測試發(fā)現(xiàn)胎體中含有大量的C,約占20.15%,可能是由于該配方中,Cu的含量比較高,超過了50%,而且沒有硬質(zhì)相WC的加入,因此為了提高胎體的耐磨性,在刀頭中加入了大量金剛石微粉。

表4 4#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結(jié)果(wt%)Table 4 The EDS analysis result of 4#diamond segment(wt%)

參考文獻(xiàn)：

[1] 王秦生,宋誠,左宏森.金剛石鋸片使用性能影響因素系統(tǒng)分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2001(5)：40-44.

[2] 談耀麟.金剛石粒度對金剛石鋸片性能的影響[J].超硬材料工程,2006(1)：10-13.