面向不同加工對象的繩鋸串珠配方設計

馮躍,駱穎,楊理清

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004)

面向不同加工對象的繩鋸串珠配方設計

馮躍,駱穎,楊理清

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西桂林 541004)

分析了花崗巖、大理石和鑄鋼的化學成分、物理性能及微觀組織,比較了這三種不同加工對象在化學成分、物理性能及微觀組織方面的差異,提出了加工這三種對象的繩鋸串珠配方設計思路。

金剛石工具;加工對象;繩鋸;串珠;配方設計

1 引言

繩鋸串珠由金屬基體、金屬結合劑和金剛石三部分組成。串珠配方設計是指針對不同的加工對象給定金屬結合劑組成的設計和金剛石參數的設計。用于串珠的金屬結合劑要求具有以下特點[1]:(1)良好的壓制性能。壓制性包括壓實性和成型性兩個方面,壓制性反映壓力與胚體密度之間的關系,而成型性反映壓力與胚體強度之間的關系。生產實踐證明,在采用冷壓成型條件下,結合劑的良好成型性比壓實性顯得更為重要;(2)良好的粘結性能。結合劑對金剛石的粘接越牢固越好,可以充分利用和發揮金剛石的磨削作用;(3)燒結性能。結合劑的燒結性能對金剛石強度的變化和結合劑把持金剛石的牢固程度有重要影響。(4)與加工對象相適應。加工對象的硬度、微觀組織特點決定了結合劑的硬度、強度、韌性等指標。串珠胎體中的金剛石參數包含下列幾種:(1)金剛石的品級;(2)金剛石在胎體中的濃度;(3)金剛石的粒度分布。

繩鋸在實際應用中所面向的加工對象千差萬別,目前有代表性的加工對象主要有以下三大類:(1)花崗巖;(2)大理石;(3)鋼鑄件。在開發繩鋸的過程中發現,針對花崗巖的串珠配方設計思路用于大理石和鋼鑄件的切割串珠配方設計完全行不通。這三類加工對象有什么區別,針對這些區別采用什么樣的串珠配方設計思路,搞清楚這些問題對繩鋸開發具有重要指導意義。

2 三類加工對象的對比分析

繩鋸串珠的配方設計思路一定要針對具體的加工對象來確定,主要考察加工對象的化學成分、物理性能和組織分布特征。

2.1 化學組成

花崗巖是巖漿在地下深處經冷凝而形成的深成酸性火成巖,部分花崗巖為巖漿和沉積巖經變質而形成的片麻巖類或混合巖化的巖石。花崗巖主要由石英、長石、角閃石、輝石、橄欖石和黑云母組成,屬于硅酸鹽類石材,其成分以二氧化硅為主,約占65%～75%。大理石是地殼中原有的巖石經過地殼內高溫高壓作用形成的變質巖,是地殼的內力作用促使原來的各類巖石發生質的變化過程的產物。大理石主要由方解石、石灰石、蛇紋石和白云石組成,其主要成分以碳酸鈣為主,約占50%以上,其他還有碳酸鎂、氧化鈣、氧化錳及二氧化硅等。鑄鋼中除含硅和錳作為合金元素或脫氧元素外,還含有其他合金元素,有的還含有某些非金屬元素。鑄鋼的分類方法很多,常用化學成分和使用范圍分類,按化學成分可分為碳鋼、中低合金鋼和高合金鋼。

表1給出了部分花崗巖和大理石的化學成分。從表1中給出的數據可知,(1)花崗巖主要由SiO2和Al2O3組成,其它氧化物的含量很少,巖石的燒失量很小;(2)大理石經過煅燒后主要由CaO組成,其它氧化物的含量很少,巖石的燒失量很大;(3)花崗巖中的CaO含量和大理石中的SiO2和Al2O3含量在不同地區會有較大變化;(4)通過測量巖石的燒失量和CaO、SiO2以及Al2O3含量可以對花崗巖和大理石進行區別;(5)花崗巖和大理石均由化合物組成。表2給出了部分鑄鋼的化學成分[2]。從表2中給出的數據可知,(1)鑄鋼的主要成分是Fe;(2)高合金鑄鋼中的合金單質含量很高;(3)鑄鋼主要是由單質組成的。通過比較花崗巖、大理石和鑄鋼的化學成分,可知花崗巖和大理石在化學組成上更為接近,二者與鑄鋼在化學組成上有著截然不同的區別。

表1 部分花崗巖和大理石的化學成分Table 1 Chemical components of some granites and marbles

表2 部分鑄鋼的化學成分Table 2 Chemical components of some cast steels

2.2 微觀組織及物理性能

圖1給出了花崗巖的顯微組織。從圖1中可以看出,花崗巖由多相組成,各相之間有清晰的界面,并且各相所占體積均不相同。花崗巖是深成巖,常能形成發育良好、肉眼可辨的礦物顆粒。圖2給出了大理石的顯微組織。從圖2中可以看出,大理石由細小晶粒組成,晶粒尺寸很小大約幾個微米。大理石中的方解石、石灰石、蛇紋石和白云石等晶粒尺寸一般很細小肉眼難辨。圖3中給出了鑄鋼的顯微組織。從圖3中可以看出,鑄鋼的組織均勻,晶界清晰,晶粒尺寸約十幾微米。花崗巖、大理石和鑄鋼三種材料中大理石與鑄鋼的顯微組織特征比較相近,均為細晶組織,而花崗巖由肉眼可見的粗晶組成。

圖1 花崗巖的顯微組織Fig.1 Microstructure of granite

圖2 大理石的顯微組織Fig.2 Microstructure of marble

圖3 鑄鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of cast steel

表3給出了花崗巖和大理石的物理性能。從表中可以看出:(1)花崗巖的硬度比大理石大得多。花崗巖的莫氏硬度一般為6～7級,大理石的莫氏硬度一般為3～5級,這是由于花崗巖中含有大量的石英,而大理石中含有大量的碳酸鹽;(2)石材的抗壓強度和抗彎強度與硬度沒有直接的關系;(3)花崗巖和大理石在其他物理性能上很難進行區別。表4給出了鑄鋼的機械性能[2]。鑄鋼與花崗巖以及大理石相比,最大的區別是鑄鋼具有一定的延伸率,而花崗巖和大理石是脆性材料。

表3 部分花崗巖和大理石的物理性能Table 3 Physical Properties of some granites and marbles

表4 部分鑄鋼的機械性能Table 4 Mechanical properties of some cast steels

3 不同加工對象的串珠配方設計原則

繩鋸在工作過程中需要保持良好的工作狀態,即具有較高的切削效率和較長的壽命。要滿足這一性能要求,首先金剛石要穩定地發揮作用,其次金屬胎體的磨損速度要與金剛石的磨損速度匹配即保證金剛石的及時出刃,最后金剛石的品質、濃度以及粒度分布也需要優化。具體到不同的加工對象,繩鋸串珠的配方設計應具有針對性。

3.1 花崗巖繩鋸串珠配方設計

花崗巖具有很高的硬度,并且組成巖石的各相粒度很大且硬度不一。繩鋸在工作過程中轉速很高,金剛石在對巖石進行磨削時受到脈沖載荷的作用,當金剛石磨削到石英時受到的載荷大,磨削到軟質相時受到的載荷小。同時巖石粉末對金屬胎體進行磨削,由于粉末中含有石英,因此金屬胎體磨損得很快。根據上述分析,在設計花崗巖繩鋸串珠配方時,金剛石的品級和濃度都要偏高,金剛石的粒度按粗、中、細的比例要合理搭配。較高品級和濃度的金剛石對串珠的壽命和效率都有貢獻,金剛石的粒度按粗、中、細的比例合理搭配有利于金剛石的出刃。金剛石的品質、濃度以及粒度分布的設計還有賴于金屬胎體的設計。金屬胎體的硬度要與花崗巖的硬度相匹配,保證金剛石的出刃速度。金屬胎體的抗彎強度要高,避免金剛石的過早脫落,影響到串珠的壽命。

3.2 大理石繩鋸串珠配方設計

大理石的硬度要比花崗巖低很多,組成巖石的各相粒度很小且硬度相差不大。金剛石在對大理石進行磨削時受到的載荷與磨削花崗巖相比更加穩定。巖石粉末對金屬胎體進行磨削,金屬胎體磨損得很慢。根據上述分析,在設計大理石繩鋸串珠配方時,金剛石的品級和濃度都要偏低,金剛石的粒度按粗、中、細的比例要合理搭配。大理石的硬度比花崗巖小得多,金剛石切大理石的磨損速度會比切花崗巖小。如果金剛石的品級高,當金剛石的刃角被磨平后很難再出刃,就會導致切割效率下降。金屬胎體的硬度要與大理石的硬度相匹配,因此金屬胎體的硬度要偏低,保證金剛石的出刃速度。金屬胎體的抗彎強度要高,避免金剛石的過早脫落,從而影響串珠的壽命。

3.3 鑄鋼繩鋸串珠配方設計

鑄鋼的硬度比花崗巖低很多,與大理石的硬度和晶粒大小比較接近。同花崗巖繩鋸串珠配方設計思路相比,鑄鋼繩鋸串珠的配方設計思路應與大理石繩鋸串珠的配方設計思路更為相近。由于鑄鋼具有一定的韌性,而花崗巖和大理石均表現為脆性,因此在設計其繩鋸串珠的配方時應充分考慮這一因素。金剛石繩鋸在切割鑄鋼時,金剛石在鐵的作用下容易碳化,金剛石的磨損速度很快。綜合以上分析,在設計鑄鋼繩鋸串珠配方時,金剛石的品級要偏低,而濃度要偏高。在動載荷的作用下,低品級的金剛石容易破碎,破碎后金剛石能夠自銳。在動載荷的作用下,較高品級的金剛石不容易破碎,金剛石鈍化后,出刃變得困難。金屬胎體的硬度要與鑄鋼的硬度相匹配,保證金剛石的出刃速度。

4 結束語

從理論上說,每種加工對象的物理性能是不相同的,因此針對每一種加工對象均應開發與之相匹配的繩鋸串珠配方,以保證繩鋸最優的性能。然而,在實際生產中,顯然無法滿足這一要求,只能依據加工對象的物理性能對其進行較寬區間的分級,開發滿足客戶要求的繩鋸產品。這就要求對串珠配方設計具有更為全面和深刻的認識,要做到這一點還有很長的路要走。

[1] 方嘯虎,鄧福銘,鄭日升.現代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社,2011.4.

[2] 常永坤,張勝來.金屬材料與熱處理[M].濟南:山東科學技術出版社,2006.10.

Wire Saw Beads Design for Different Processing Target

FENG Yue,LUO Ying,YANG Li-qing
(China Nonferrous metal(guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin,Guangxi 541004,China)

Wire saw beads formula design solution for granite,marble and cast steel has been proposed through the analysis and comparison of the chemical component,physical properties and microstructure of these three types of processing targets.

The processing target;wire saw;beads;formula design

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0021-04

2015-05-26

馮躍(1958-),男,高級工程師,主要從事超硬材料研發和管理方面工作。

馮躍,駱穎,楊理清.面向不同加工對象的繩鋸串珠配方設計[J].超硬材料工程,2015,27(4):21-24.