新型銅基結(jié)合劑金剛石鋸片組織和性能的研究

吳　穎，蒲　飛，張小安，楊　峰（四川文理學(xué)院 .物理與機(jī)電工程學(xué)院；.國(guó)有資產(chǎn)管理處，四川 達(dá)州 635000）

新型銅基結(jié)合劑金剛石鋸片組織和性能的研究

吳穎a，蒲飛a，張小安a，楊峰b
（四川文理學(xué)院 a.物理與機(jī)電工程學(xué)院；b.國(guó)有資產(chǎn)管理處，四川 達(dá)州 635000）

在新型銅基結(jié)合劑CSF中加入不同粉末，采用真空熱壓法和激光焊接法制成金剛石鋸片，通過(guò)切削試驗(yàn)測(cè)定其切削性能，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察其顯微組織。結(jié)果表明，由CSF燒結(jié)的金剛石鋸片可順利進(jìn)行切削，且Fe、P等元素能一定程度提升結(jié)合劑的致密度和硬度；添加鉻粉、鉬粉的CSF結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒固著把持能力相比Fe、P-Fe等提升了40%左右，鋸片的鋒利度更高，切削性能最佳，且磨弧胎體的磨損與金剛石的磨損能保持較好匹配，使用壽命長(zhǎng)，優(yōu)于普通Cu-Sn剛石鋸片。

銅基結(jié)合劑；金剛石鋸片；走刀電流；顯微組織；切削性能

0　引言

金剛石工具中金屬結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合狀態(tài)是決定工具性能和使用壽命的主要因素［1-2］。金屬基結(jié)合劑金剛石工具中加入磷可阻止鐵對(duì)金剛石的浸蝕作用，降低結(jié)合劑對(duì)金剛石的包鑲能力，影響工具性能［3-4］。相反，F(xiàn)e、Mo、Cr等高熔點(diǎn)金屬易與金剛石形成化學(xué)冶金結(jié)合，可強(qiáng)化結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力［5-8］。本文基于以上原理，結(jié)合工廠不同加工需求，在前期新開(kāi)發(fā)的新型銅基結(jié)合劑［9］中，加入Fe、P、Mo、Cr等元素，對(duì)金屬基體進(jìn)行改性研究并燒結(jié)成金剛石鋸片，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)來(lái)研究其組織和性能，以擴(kuò)大新型銅基結(jié)合劑實(shí)用范圍、掌握其變化規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1主要原料

實(shí)驗(yàn)所用JR3品級(jí)的金剛石磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，按50%（50/60）+50%（80/100）配比組成。新型銅基結(jié)合劑CSF［9］成分為：Cu53Sn21Fe20Ni6，將混合粉末攪拌均勻放置于石墨磨具中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制成尺寸為22 mm×10 mm×14 mm的刀頭，其成分和燒結(jié)工藝如表1所示。鋸片由廣東某公司生產(chǎn)，采用激光焊接，其制作工藝流程及實(shí)物如圖1所示。

表1　鋸片刀頭成分和制造工藝

圖1　鋸片的制作工藝流程及實(shí)物圖

1.2實(shí)驗(yàn)條件與參數(shù)

將鋸片通過(guò)自動(dòng)臺(tái)式切割機(jī)（功率為18.5 kW，鋸片轉(zhuǎn)速為2 200 r/min）進(jìn)行試切印度紅花崗巖，鋸切深度為15 mm，切速為3 m/min，花崗巖在切速下各鋸片切割長(zhǎng)度為100 m。鋸片鋒利度通過(guò)鋸片切割時(shí)走刀電流的大小來(lái)體現(xiàn)。切削試驗(yàn)后，利用掃描電鏡對(duì)刀頭表面進(jìn)行觀察分析，研究磨損過(guò)程。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1鋸片刀頭的力學(xué)性能

根據(jù)上述原料和工藝，燒結(jié)出3種成分的刀頭，3種成分的鋸片各隨機(jī)取其5個(gè)刀頭.進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，最終取其平均值，如圖2所示。

圖2　鋸片刀頭力學(xué)性能參數(shù)

圖2（a）是3種鋸片刀頭的顯微硬度及標(biāo)準(zhǔn)差，圖2（b）是抗彎強(qiáng)度及黏結(jié)系數(shù)，從圖中可看出B鋸片純胎體的顯微硬度和抗彎強(qiáng)度最高，這是因?yàn)锽中加入了磷鐵，磷對(duì)鐵、銅及其合金的浸潤(rùn)性優(yōu)良、流散快，尤其是在720℃左右時(shí)可發(fā)生Cu-P共晶反應(yīng)，顯著降低了合金的燒結(jié)溫度，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的燒結(jié)性能，B的顯微硬度也比A提高了約15%。且B鋸片的黏結(jié)系數(shù)最大，即其結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力最弱，分析是由于B成分中的鐵優(yōu)先與磷發(fā)生反應(yīng)從而抑制了金剛石與鐵的反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)合劑基體對(duì)金剛石的結(jié)合強(qiáng)度減弱。

同時(shí)，C鋸片刀頭的黏結(jié)系數(shù)由18.57%降低到11.44%，即結(jié)合劑對(duì)金剛石把持力相比于B鋸片，提高了40%左右。推測(cè)分析是由于在燒結(jié)過(guò)程中，Cr、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素，促進(jìn)與金剛石磨粒形成化學(xué)冶金結(jié)合［6，9］，增強(qiáng)了把持力。

2.2鋸片刀頭的組織

為進(jìn)一步研究CSF銅基結(jié)合劑金剛石鋸片顯微組織和性能的變化規(guī)律，對(duì)燒結(jié)出3種成分的刀頭，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后，測(cè)試刀頭的斷口形貌，找出均有金剛石顆粒的圖片進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3　三種鋸片刀頭的純胎體組織SEM圖

從圖3中首先可以看出，B、C鋸片刀頭的結(jié)合劑組織都較致密、均勻，孔隙較少，相對(duì)而言，A鋸片刀頭的結(jié)合劑組織內(nèi)部孔隙較多，且較大、不均勻，與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果基本吻合。同時(shí)B鋸片和C鋸片中，金剛石顆粒表面均有一定的附著物，尤其是鋸片C中，金剛石顆粒的表面有大量附著物，由此可得刀頭基體即結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒有非常好的黏結(jié)能力。分析是因?yàn)镃鋸片的基體結(jié)合劑中添加有少量的鉻和鉬，在新型銅基結(jié)合劑CSF中添加少量強(qiáng)碳化物形成元素后，與金剛石顆粒燒結(jié)成刀頭時(shí)，這些元素能潤(rùn)濕并黏結(jié)金剛石，與金剛石發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物層富基于金剛石表面，從而提升結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒的黏結(jié)能力。

此外，根據(jù)圖3中，金剛石顆粒與結(jié)合劑的界面狀態(tài)也可看出，A鋸片結(jié)合劑與金剛石界面有縫隙，B鋸片結(jié)合劑與金剛石界面有明顯縫隙，C鋸片結(jié)合劑與金剛石界面無(wú)明顯縫隙，結(jié)合狀態(tài)最好，進(jìn)一步證明鋸片C中結(jié)合劑對(duì)金剛手的固著把持力最強(qiáng)（走刀電流越小鋸片越鋒利）。

2.3鋸片的切削性能

在切削試驗(yàn)中3種鋸片通過(guò)相同工藝燒結(jié)焊接而成，在切削過(guò)程中3種成分的鋸片均可順利完成對(duì)花崗巖的切削，其切削全程的平均走刀電流如圖4（a）。由此可得，A鋸片的鋒利度最差、B鋸片鋒利度最強(qiáng)、C鋸片僅次之，且與B鋸片基本相當(dāng)，因?yàn)锽鋸片刀頭的硬度和強(qiáng)度最高。

圖4　鋸片切削性能關(guān)系曲線

為進(jìn)一步研究鋸片刀頭的切削性能，對(duì)切削實(shí)驗(yàn)中刀頭的磨損量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4（b）所示。在圖4（b）中，隨著花崗巖切削長(zhǎng)度的增加，三種鋸片刀頭的半徑損耗逐漸增大，即鋸片半徑越來(lái)越小。同時(shí)，圖中3條曲線的斜率逐漸減小，代表3種鋸片刀頭的磨耗比越來(lái)越小，切削時(shí)間越長(zhǎng)，磨耗速度減慢。在試驗(yàn)切削100 m花崗巖時(shí)，可得出C鋸片刀頭的切耗最小，最耐磨。通過(guò)計(jì)算，A、B、C三種鋸片刀頭的平均每米切耗分別為0.031、0.039和0.025 mm，由此可得，C鋸片刀頭的平均切耗最小，B鋸片刀頭的平均切耗最大，即C鋸片刀頭的耐磨度最大，加之其鋒利度僅次于B鋸片刀頭，綜合可得，其切削性能最佳。

此外，從某石材加工公司試用三種鋸片的切削現(xiàn)場(chǎng)反饋情況來(lái)看，三種鋸片的噪音均較小，能較好地保證加工石材的垂直度及尺寸要求，未出現(xiàn)崩角現(xiàn)象。在進(jìn)行相同作業(yè)的情況下，最終A、B、C三種鋸片的平均連續(xù)使用壽命分別是10、8、12 h，而外購(gòu)普通青Cu基鋸片平均連續(xù)使用壽命也僅7 h左右，因此C鋸片可延長(zhǎng)使用壽命。

綜上分析，因?yàn)锽鋸片刀頭雖然強(qiáng)度、硬度好，但磷元素對(duì)鐵浸蝕金剛石有明顯抑制作用，結(jié)合劑對(duì)金剛石的包鑲能力受到影響，金剛石磨粒在切削過(guò)程中易脫落失效，而C鋸片刀頭中Cr、Mo可以提高結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的黏結(jié)強(qiáng)度，使金剛石磨粒易出刃不易脫落，刀頭既能有一定的自銳性能，又有一定的耐磨性能。另一方面，C鋸片中結(jié)合劑對(duì)金剛石固著把持較好，可使鋸片刀頭的結(jié)合劑胎體的磨損與金剛石的磨損保持較好的匹配，從而提高鋸片的切削效率。

3　結(jié)論

（1）CSF新型銅基結(jié)合劑燒結(jié)的金剛石鋸片可順利切削花崗巖，但結(jié)合劑中添加不同元素，鋸片刀頭的組織和性能會(huì)有所差異。適當(dāng)加入鐵粉或P-Fe，可提高鋸片刀頭的強(qiáng)度、硬度和鋒利度，但P影響結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持，鋸片切削性能并不理想。

（2）在CSF新型銅基結(jié)合劑中添加一定Cr、Mo等強(qiáng)化物形成元素，可使結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒固著把持能力提高40%左右，鋒利度也有所增加，并延長(zhǎng)磨邊輪的使用壽命，綜合切削性能最佳，優(yōu)于常見(jiàn)普通Cu-Sn基鋸片。

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Study on Microstructure and Properties of New Copper-matrix Bonding Diamond Saw-blade

WU Yinga，PU Feia，ZHANG Xiao-ana，YANG Fengb
（a.College of Physics and Electrical Engineering；b.NationalAsset Management Office，Sichuan University of Arts and Science，Dazhou，Sichuan 635000，China）

Mixed with different powders in a new copper-matrix bonding CFS，diamond saw blade is prepared by vacuum hot pressing and laser beam welding，measuring its cutting performance by cutting test and observing its microstructure by scanning electron microscope.The results show that the new diamond saw-blade sintered by CSF can be smoothly cut，and to some extent Fe，P and some other elements can improve the density and hardness of the matrix；comparing with CSF added with Fe，P-Fe，CFS with chromium powder，molybdenum powder will increase the ability of diamond for graining，fixing and gripping by about 40%，making the sharpness of the saw blade greater and its cutting performance better.And the wear of its grinding arc block and diamond can maintain a good matching，so its service life is longer than ordinary Cu-Sn diamond saw-blade.

copper-matrix bonding；diamond saw-blade；feed electric current；microstructure；cutting performance

TQ164；TG74

A

1673-1891（2016）02-0033-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.02.010

2015-12-29

四川文理學(xué)院科研項(xiàng)目（2014Z006Y）。

吳穎（1987—）女，四川巴中人，碩士，研究方向：先進(jìn)材料成型工藝及裝備自動(dòng)控制。