鍍層、稀土元素對切割性能的影響

創新者：楊紹榮 應鴻烈 黃文勝

鍍層、稀土元素對切割性能的影響

創新者：楊紹榮 應鴻烈 黃文勝

分析了鋼筋混凝土鏈鋸切割機的切割機理和切割效率。金剛石鍍層使金剛石表面金屬化，改善浸潤性，鍍層金剛石和結合劑之間形成極強的化學和機械粘接，能提高胎體對金剛石的把持力。通過在金剛石節塊中添加稀土元素，觀察其力學性能的變化并進行分析，探討稀土元素對金剛石節塊力學性能的影響。實驗結果表明稀土元素對金剛石節塊抗彎強度的影響較為顯著，同時可以加強金剛石與周圍胎體的結合狀況，提高胎體對金剛石的把持力。研究成果將有助于促進稀土、金剛石鍍層在金剛石工具制造領域中的應用。

鋼筋混凝土廣泛應用于建筑、裝潢、道路、橋梁、管道等行業。隨著鋼筋混凝土的廣泛應用，對它的切割也逐漸發展成為一個龐大的產業。二十世紀九十年代中期，美國Stanley公司率先將鏈鋸技術引入到鋼筋混凝土切割，成功研發了鋼筋混凝土鏈鋸切割機，較好地解決了深度切割、尖角切割、不規則形狀切割等問題。隨后美國ICS公司研發了汽油機驅動的便攜式鋼筋混凝土鏈鋸切割機。2000年起我國開始進口鋼筋混凝土鏈鋸切割機。2007年金華職業技術學院與合作單位（浙江三鋒工具制造有限公司、浙江神超鋸業有限公司等）通過產學研合作，在國內率先研發出鋼筋混凝土鏈鋸切割機，2013年對金剛石鋸鏈進行新一輪的研發。

本文以金華職業技術學院與合作單位共同開發的鋼筋混凝土鏈鋸切割機為研究對象，進行鏈鋸切割機的切割機理研究與切割性能分析。

鏈鋸切割機的切磨機理

鏈鋸切割機的組成及工作原理

鋼筋混凝土鏈鋸切割機主要由汽油機、離合器、鏈輪、導板、導板調整裝置和金剛石鋸鏈組成（圖1）。金剛石鋸鏈的每一個鏈節上均焊接一塊金剛石刀頭（金剛石節塊）。作業時金剛石鋸鏈在導板上高速轉動實現切割。

金剛石刀頭切磨機理

如圖2，設金剛石顆粒以速度V轉動并隨著主軸壓向鋼筋混凝土進行切割，那么金剛石顆粒作用于鋼筋混凝土的力可分解為：在金剛石顆粒切削方向的前方，金剛石顆粒對被切材料顆粒產生切向力（即圖2中F切向）并發生剪切作用，材料被破碎，形成主切屑，并被崩出和擠出切削區；在金剛石顆粒下方，由于法向力（即圖2中F壓向）作用以及溫度影響，材料產生塑性變形而形成二次切屑，在一定的薄層內形成光滑表面；在金剛石顆粒后方，由于突然的彈性應力釋放，導致較大切屑的形成。由此可見，在切削力的綜合作用下，首先在混凝土內部形成微裂紋，隨著切削力的增加，裂紋延伸擴展，并相互連同成為宏觀裂紋，隨著裂紋的不斷積累，導致混凝土的脆性斷裂。

圖1　鏈鋸切割機

圖2　金剛石切割受力分析

金剛石磨損

通過顯微鏡觀察金剛石刀頭切割鋼筋混凝土時金剛石顆粒的磨損形貌，可將金剛石顆粒磨損的形態分為“完整顆粒”、“出刃”、“微破碎”、“大塊破碎”、“磨平”、“磨鈍”、“破碎”、“脫落”等形式。在這些形式中，金剛石顆?！懊撀洹?，表明該顆粒已經離開母體，完全失去切割能力；金剛石顆?！澳モg”，表明該顆粒此時已經幾乎完全喪失切割能力（暫時）；金剛石顆?！澳テ健?，該顆粒和胎體處于同一水平線上，不易于進入被切割材料內，切割能力差；金剛石顆?！按髩K破碎”，表明該顆粒損失嚴重；金剛石顆?！巴暾w?！?，表明該顆粒還沒有任何損失，正等待發揮作用；金剛石顆?！俺鋈小被颉拔⑵扑椤弊顬槔硐?。

造成金剛石磨損的原因有兩：一是金剛石顆粒與工件材料的相互沖擊，二是金剛石顆粒切除工件材料時所受的直接機械力。切削過程中，切割工具在高速轉動情況下，金剛石顆粒與工件間的沖擊是磨損的主要原因；隨著轉速的降低，沖擊影響降低，作用在金剛石顆粒上的機械力增加，從而使金剛石顆粒磨損。節塊胎體材料的磨損是由于切割時產生的切屑與胎體材料間的相對運動對胎體材料的研磨而造成的磨粒磨損。

切割效率分析

切削力

在金剛石鋸鏈切割過程中，切削力是一個非常重要的參數，切削力反映了金剛石鋸鏈在切割過程中所受的載荷，影響著金剛石鋸鏈的磨損，還決定了切割效率。單顆粒金剛石切割鋼筋混凝土時切削力隨切深的增加而增大；當切速增加時，切削力減小，總體上切削力變化不大；法向力與切向力之比值隨切削面積的增加而增大，但在切削成分性質相差較大的混凝土時基本上不隨切削面積的變化而變化。

胎體指的是燒結后的結合劑。從上面分析知，金剛石顆粒“出刃”或“微破碎”最為理想，為達到此效果，胎體必須具備的特性是一方面對金剛石顆粒有足夠的把持力，另一方面能和金剛石顆粒發生同步磨損。這就需要金剛石刀頭有很合理的配方和相應的工藝。

節塊配方

通過對國外進口的金剛石刀頭的剖析研究，得到了一個結合劑配方（表1）。

表1　金剛石刀頭結合劑配方

節塊配方對切削力有很大的影響，切割水泥混凝土時，高鈷含量的節塊切削力比低鈷含量節塊要小，而在切割鋼纖維和鋼絲網等帶鋼材料摻和物的混凝土時，降低鈷含量，增加鎳等含量可減小切削力。

切割效率

金剛石鋸鏈由于國內生產廠家少且多為小廠，研發能力不足，產品性能差且不穩定，無法滿足用戶的較高要求，國內金剛石鋸鏈主要缺點表現在（1）金剛石刀頭部分破碎、整體破碎、整體脫落現象嚴重；（2）金剛石刀頭內金剛石顆粒過早脫落現象嚴重（金剛石顆粒不能與胎體保持同步磨損，金剛石顆粒脫落情況比金剛石顆粒正常磨損及金剛石顆粒破碎現象嚴重）；（3）金剛石鋸鏈的切割性能（鋒利性、耐磨性等）不能滿足鋼筋混凝土高效切割之要求等。由于鋼筋混凝土鏈鋸切割機尤其適合在救災救險救難中應用，因此“高效”切割是首要指標。從鋼筋混凝土鏈鋸切割機切割試驗得知，機器的切割效率主要取決于金剛石鋸鏈的質量，亦即主要取決于金剛石刀頭的質量，而金剛石刀頭的質量主要體現在兩方面，一是金剛石顆粒脫落的情況，一是金剛石顆粒的鋒利程度。前者與金剛石顆粒是否有鍍層、鍍層質量、鍍層膜厚等密切相關，后者在相同的金剛石品級、規格、濃度和燒結工藝下與胎體性能息息相關。

鍍層對金剛石力學性能的影響

金剛石刀頭內金剛石顆粒過早脫落主要原因有二：一是胎體性能，主要是胎體磨損過快；一是金剛石顆粒與胎體之間的結合力不足。

金剛石屬于非金屬，與金屬沒有很好的親和力，與一般金屬或合金間有很高的界面能。當金剛石與金屬基體黏合時很難完全黏合在一起，從而導致金剛石顆粒與胎體之間的結合力弱，當金剛石刀頭切割工件材料時，金剛石顆粒由于和工件材料之間發生劇烈沖擊碰撞而容易過早脫落，從而影響金剛石顆粒切割能力的充分發揮。金剛石表面金屬化（鍍層）就是通過物理或化學方法鍍覆某些元素如Ti、W、Cr、V等。這些金屬或合金在高溫下（即在刀頭燒結過程中）與金剛石表面碳原子發生界面反應，生成穩定的碳化物。碳化物一方面與金剛石有較好的化學鍵合，另一方面又具有防護作用，隔絕與氧的直接接觸，防止金剛石高溫時被氧化，從而改善金剛石顆粒的力學性能和工藝性能。鍍層改善浸潤性，使金剛石和結合劑之間形成極強的化學和機械粘接，增加把持力，增加出刃高度，減少脫落。實驗表明，鍍層金剛石、未鍍層金剛石在相同工藝條件下分別燒結成刀頭，將它們的切割情況進行比較可知，鍍層金剛石完好率大大提高，小塊破碎率也有很大提高，脫落率大大減低，而大塊破碎和磨平情況變化不大（圖3）。

稀土元素對胎體性能的影響

圖3　金剛石鍍層的作用

金剛石刀頭整體脫落主要原因有二：一是焊接工藝，這一原因通過采用激光焊接比較容易解決；一是胎體性能。

胎體性能主要的要求有：（1）胎體不能太軟，切割時應具有足夠的強度和抗沖擊性能，否則胎體磨損過快，導致金剛石顆粒過早脫落；（2）胎體不能太硬，否則胎體磨損過緩，導致金剛石顆粒不容易出現“出刃”或“微破碎”，于是切割效率低；（3）各金屬元素要有較好的浸潤性和互容性，胎體把持力要強，否則也會導致金剛石顆粒過早脫落；（4）胎體硬度、耐磨性等要與被切割的鋼筋混凝土的硬度和耐磨性相適應。

在金屬結合劑中添加少量稀土元素可以細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結合劑與金剛石的界面結合狀態，提高胎體性能。

稀土元素對無金剛石胎體性能的影響

表2給出的是在胎體中添加稀土元素（鈰）對不含金剛石的胎體的抗彎強度、硬度和磨損性能產生影響的實測數據。

表2　稀土元素（Ce）對胎體（不含金剛石）性能的影響

從表2可知隨著鈰含量的增加對胎體硬度的影響不明顯，但有一個緩慢上升的趨勢；胎體的抗彎強度在隨著鈰含量的不斷增加過程中卻出現了一個最大值，從圖4可以清楚看出這是一條有極大值的曲線，并且鈰含量為0.9％wt時達到最大；從圖5可知磨損失重隨鈰含量的增加而緩慢增加，這表明隨著鈰含量的增加胎體的耐磨性逐漸降低。

稀土元素對金剛石胎體性能的影響

表3的測試數據給出了不同鈰含量對含金剛石胎體性能的影響。

表3　稀土元素（Ce）對胎體（含金剛石）性能的影響

從表3可知，鈰含量從0到0.9％wt增加時，對抗彎強度和金剛石出刃高度的影響都是單調上升的，但對抗彎強度的影響比較劇烈、對金剛石出刃高度的影響比較平緩；磨損失重隨鈰含量的增加而增加（鈰含量從0.3％wt開始），這表明隨著鈰含量的增加胎體的耐磨性也有降低的趨勢。

結束語

（1）鋼筋混凝土鏈鋸切割機在鋼筋混凝土切割上因有其獨特的優勢而得到廣泛應用。

圖4　鈰對胎體（不含金剛石）抗拉強度的影響

圖5　鈰對胎體（不含金剛石）磨損性能的影響

（2）鍍層金剛石和結合劑之間形成極強的化學和機械粘接，減少了金剛石顆粒的脫落，金剛石完好率大大提高，小塊破碎率也有很大提高，這既提高了切割效率，也確保金剛石鋸鏈的使用壽命，同時降低使用成本。

（3）加入稀土元素可以明顯改善胎體性能，改變胎體的抗彎強度和硬度，提高金剛石顆粒的出刃高度，提高鋼筋混凝土鏈鋸切割機的切割速度、切割指數和切割效率。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.023