表面粗糙化金剛石在瓷磚切割片中的應(yīng)用

董小雷,楊 林,張翠芳,吳 杰,梁亞青

(1.河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050800 ；2.桂林恒鋒科技發(fā)展有限公司，廣西 桂林 541001)

1 前言

金剛石工具中，金剛石與胎體金屬(或合金)作為一種特殊的復(fù)合材料，二者之間在強(qiáng)度、硬度、彈性模量及結(jié)構(gòu)等方面存在著較大的差異，特別是二者之間的界面能很高，使得絕大多數(shù)金屬(或合金)都難以有效潤(rùn)濕與粘接金剛石，從而導(dǎo)致在使用過(guò)程中金剛石過(guò)早脫落，這不僅影響金剛石工具的使用性能，應(yīng)用成本也會(huì)有較大增加[1]。因此，提高金剛石與胎體金屬(合金)間的結(jié)合強(qiáng)度，充分發(fā)揮金剛石的作用，對(duì)于提高金剛石工具使用性能、降低使用成本具有重要的意義。

金剛石工具做為一種金屬基復(fù)合材料。其界面結(jié)合力主要有三種[2]：

(1)機(jī)械結(jié)合力，即胎體通過(guò)對(duì)金剛石的包鑲和摩擦對(duì)金剛石起支撐作用。

(2)物理結(jié)合力，主要包括范德華力和氫鍵力。

(3)化學(xué)結(jié)合力，即界面上存在金屬胎體與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的化學(xué)鍵。

之前的研究普遍認(rèn)為機(jī)械結(jié)合力、物理結(jié)合力均太弱，不能牢固粘結(jié)金剛石，重點(diǎn)是提高金剛石與胎體金屬(合金)間的化學(xué)結(jié)合力，因此金剛石表面金屬化成為重點(diǎn)方向，通過(guò)各種方法在金剛石表面形成金屬、合金、金屬碳化物或它們的混合層，使金剛石表面具有金屬的性質(zhì)，從而達(dá)到提高界面結(jié)合能的目的[3]，因此，鍍Ti、Cr、Mo、Ni等工藝研究得到較大發(fā)展。但我們?cè)诮饎偸ぞ唛_發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鍍覆金剛石的應(yīng)用效果并不統(tǒng)一，有時(shí)明顯，有時(shí)不明顯，部分情況下還會(huì)降低工具的性能，反而機(jī)械結(jié)合力并不像之前研究認(rèn)為得那樣作用很強(qiáng)。眾所周知，相同配方的金剛石圓鋸片，采用熱壓燒結(jié)后其壽命較冷壓燒結(jié)明顯提高，使用過(guò)程中頂刃金剛石脫落情況有明顯改善，這說(shuō)明胎體機(jī)械性能的提升對(duì)提高金剛石包鑲能力效果十分明顯。近來(lái)有部分研究也認(rèn)為，金剛石表面金屬化提高金剛石與胎體結(jié)合力的原因一部分是因?yàn)榻饎偸砻驽兏驳慕饘贁U(kuò)散到金剛石周邊的胎體中，使得該區(qū)域的硬度和耐磨性得到提高，該部分強(qiáng)化區(qū)域有利于提高胎體對(duì)金剛石的把持力[4]，這實(shí)際也可以看做機(jī)械結(jié)合力提高的表現(xiàn)。因此，我們認(rèn)為在當(dāng)前各工具廠家普遍面臨較大的成本壓力的情況下，提高機(jī)械結(jié)合力是提高金剛石工具性能，降低成本的一個(gè)較為有效的方法，提高金剛石與金屬(合金)胎體機(jī)械結(jié)合力，之前的研究大多都是針對(duì)胎體進(jìn)行改進(jìn)的，而本文中桂林恒鋒科技發(fā)展有限公司的金剛石表面粗糙化技術(shù)卻把方向放在了金剛石上，通過(guò)特殊物理化學(xué)法工藝處理，在金剛石表面做出了很多不光滑的小坑，使金剛石原來(lái)光滑的表面產(chǎn)生微觀不平，這樣可以增加金剛石的比表面積，有利于金屬粉料的包鑲，同時(shí)由于每個(gè)小坑的內(nèi)表面都是粗糙的，進(jìn)一步加強(qiáng)了與胎體的嚙合，在燒結(jié)時(shí)胎體可以更好地包鑲金剛石，從而起到了強(qiáng)化與胎體機(jī)械結(jié)合的目的。

圖1是兩種不同金剛石在電鏡下的微觀形貌，可以看出二者表面之間有很大的差異，圖2為放大1800倍觀察，可以清楚地看到金剛石表面小坑的形態(tài)。圖3為表面粗糙化金剛石的能譜圖，可以看出，經(jīng)粗糙化處理的金剛石表面沒(méi)有其他金屬元素。

圖2 表面粗糙化金剛石微觀形貌Fig.2 Microstructure of surface roughened diamond

圖3 表面粗糙化金剛石能譜圖Fig.3 Energy spectrum of surface roughened diamond

下面通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比表面粗糙化金剛石與普通金剛石在瓷磚切割鋸片中的性能差異，對(duì)其應(yīng)用效果做一探討。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

電解銅粉 -300目 還原鐵粉 -200目 錫粉 -300目 電解鎳粉 -300目 HF(預(yù)合金粉)-300目

2.2 配方設(shè)計(jì)

采用公司現(xiàn)有配方胎體：

Cu20%-30% Fe10%-15% Sn8%-10%Ni8%-10% HF(預(yù)合金粉)40%-50%

金剛石：濃度均為50ct/kg(體積濃度9%左右)。

由于公司D30、2140級(jí)別金剛石目前為不同廠家產(chǎn)品，為保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，排除廠家產(chǎn)品之間的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，故選用了2160級(jí)別金剛石做為對(duì)比，從表1中可以看出，其HF880熱沖擊的強(qiáng)度低于2160、2140，與D30品級(jí)基本相當(dāng)。

第一組：60/70 ①HF880(表面粗糙化)/ ②2160

第二組：70/80 ③HF880(表面粗糙化)/ ④2160

表1 金剛石熱沖擊強(qiáng)度

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

壓制：人工手動(dòng)壓制

燒結(jié)：CFC500立式鐘罩爐，封閉式不銹鋼間隔墊熱壓燒結(jié)

試驗(yàn)鋸片：Φ115W(齒高8mm，齒厚1.2mm)/ Φ250W(齒高8mm，齒厚1.7mm)

試驗(yàn)設(shè)備：Φ115W—云石機(jī)(1.2kW，13000轉(zhuǎn))/Φ250W—臺(tái)式切割機(jī)(2.5kW 2800轉(zhuǎn))

切割對(duì)象：800×800拋光磚，厚度10mm

圖4 瓷磚切割鋸片F(xiàn)ig.4 Ceramic tile saw blade

2.4 切割試驗(yàn)

為了獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量準(zhǔn)確，試驗(yàn)均采用對(duì)比試驗(yàn)的方式，由相同操作者、切割同一塊瓷磚相同長(zhǎng)度，累積得到切割總長(zhǎng)度和總耗時(shí)。

鋸片切割速度=切割總長(zhǎng)度/總耗時(shí)

鋸片壽命=(切割總長(zhǎng)度/單邊齒耗)×(有效齒高)

(由于鋸片干切時(shí)鋸片磨損較小，壽命計(jì)算會(huì)有較大偏差，因此鋸片壽命均以濕切時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋸片速度與壽命

Φ115W規(guī)格共對(duì)比試驗(yàn)三次，Φ250W對(duì)比試驗(yàn)兩次，圖表中所列為平均數(shù)值。

Φ115W鋸片，①號(hào)與②號(hào)相比，干、濕切速度略慢，壽命略低，但差距不到2%；③號(hào)與④相比，干、濕切速度略快，但差距也在2%左右，壽命則有明顯提高，約25%左右。

Φ250W鋸片，①號(hào)與②號(hào)相比，濕切速度略低，差距不到3%，壽命有較大提高，約35%左右；③號(hào)與④相比，濕切速度略快，但差距也不到4%，壽命提升同樣較為明顯，在25%左右。

圖5 Φ115W瓷磚片速度、壽命對(duì)比Fig.5 The Comparison on cutting speed and life of the Φ115W Ceramic tile saw blade

圖6 Φ250W瓷磚片速度、壽命對(duì)比Fig.6 The Comparison on cutting speed and life of the Φ250W Ceramic tile saw blade

3.2 結(jié)果分析

在胎體、金剛石濃度與粒度、切割工況都相同的情況下，鋸片鋒利度與壽命主要取決于金剛石強(qiáng)度與胎體對(duì)金剛石的把持力。由于金剛石圓鋸片在加水切割時(shí)刀頭部分會(huì)反復(fù)受熱—冷卻，而胎體與金剛石熱膨脹系數(shù)不同，在這種反復(fù)冷熱應(yīng)力作用下，會(huì)使金剛石與胎體之間產(chǎn)生縫隙從而導(dǎo)致金剛石脫落。實(shí)際使用中，鋸片濕切時(shí)頂刃金剛石脫落明顯，壽命較干切時(shí)明顯縮短，可見(jiàn)濕切時(shí)胎體對(duì)金剛石的把持力尤為重要。干切時(shí)，由于刀頭冷卻不足，這種冷熱效應(yīng)比較小，金剛石熱沖擊強(qiáng)度的影響則更高。金剛石強(qiáng)度對(duì)鋸片性能的影響是多方面的，不能一概而論，強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響鋸片的切割效率。金剛石強(qiáng)度過(guò)高，棱角易磨光、磨平，影響切割效率；金剛石強(qiáng)度過(guò)低，破碎過(guò)多，不僅影響切割效率，也會(huì)對(duì)壽命造成影響，因此，保持適度的金剛石破碎率對(duì)提高鋸片性能是必要的，此方面涉及較多，本文不再贅述，僅結(jié)合切割后鋸片出刃、斷面圖像和統(tǒng)計(jì)，對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果做一個(gè)分析：

Φ115W鋸片試驗(yàn)時(shí)采用云石機(jī)向前推進(jìn)的切割方式，切割位置在前而加水位置在后，同時(shí)加水量較小，因此冷熱效應(yīng)的影響相對(duì)Φ250W鋸片要小一些。圖7是①、②鋸片頂刃金剛石比較典型的一個(gè)對(duì)比，可以看出，①號(hào)鋸片刀頭金剛石破率較高，且呈現(xiàn)大塊破碎的比例較高，此種破碎對(duì)鋸片壽命、速度均會(huì)造成不利影響；②號(hào)金剛石破碎情況更多表現(xiàn)為圖中的小塊剝離，有利于提高鋸片切割速度；圖8是鋸片刀頭斷面金剛石脫落坑的圖像，①號(hào)與②號(hào)相比，脫落坑表面較為粗糙，表明有部分胎體嵌入到金剛石表面的小坑內(nèi)，從而提高了胎體對(duì)金剛石的把持力，但由于①號(hào)金剛石強(qiáng)度偏低，破碎率偏高，兩種原因疊加，①鋸片在切割速度、切割壽命兩方面較②號(hào)均略有差距。③、④號(hào)鋸片，由于相同濃度下，單位體積內(nèi)70/80粒度金剛石顆粒更多，故頂刃金剛石出刃較多，單個(gè)金剛石受到的沖擊力減小，其破碎情況有所減輕，同時(shí)由于金剛石把持力較高，壽命方面則優(yōu)勢(shì)明顯，而適度的破碎有利于提高切割速度，因此③號(hào)鋸片較④號(hào)在速度上也略有優(yōu)勢(shì)。

圖7 金剛石出露形貌對(duì)比Fig.7 Comparison of diamond exposure

圖8 金剛石脫落坑形態(tài)對(duì)比Fig.8 Comparison of diamond drop pit morphology

Φ250W鋸片采用臺(tái)式機(jī)切割，濕切時(shí)加水量充足，加水位置與切割位置相同，因此冷熱效應(yīng)較大，此時(shí)對(duì)胎體與金剛石的結(jié)合力要求更高。圖9是①、②號(hào)鋸片頂刃金剛石出刃、破碎、脫落的三種典型狀態(tài)，表2是對(duì)切割后Φ250W鋸片頂刃金剛石出露狀態(tài)進(jìn)行的一個(gè)統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出，①、③號(hào)金剛石脫落明顯少于②、④號(hào)，說(shuō)明表面粗糙化金剛石與胎體結(jié)合力較強(qiáng)；金剛石破碎情況則相反，①、③號(hào)破碎率明顯高于②、④號(hào)，這與其沖擊強(qiáng)度較低也是吻合的；破碎較多的另一個(gè)可能原因是由于結(jié)合力的增強(qiáng)使金剛石出刃高度增加，導(dǎo)致金剛石受到的沖擊力增大。由于表面粗糙化金剛石與胎體結(jié)合強(qiáng)度明顯提高，因此①、③號(hào)鋸片壽命與②、④號(hào)相比均有較大提高，而①號(hào)較②號(hào)提高更是達(dá)到35%左右，分析原因是由于60/70金剛石顆粒稍大，相同濃度下其單位體積內(nèi)的顆粒少，出刃較少，加之金剛石脫落較多，脫落后胎體磨損速度進(jìn)一步加快，同時(shí)，①號(hào)金剛石破碎較多，雖然對(duì)其切割速度有一定影響，但由于部分破碎的金剛石殘留在在胎體上，提高了胎體的耐磨性，減緩了胎體的磨損，導(dǎo)致與②號(hào)鋸片壽命差距更加明顯。

脫落破碎完好60/70①(HF880)242923②(2160)36102870/80③(HF880)274039④(2160)442434

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以看出，HF880表面粗糙化金剛石與胎體有較好的結(jié)合強(qiáng)度，金剛石不易脫落，出刃好，在一定程度上彌補(bǔ)了熱沖擊強(qiáng)度偏低對(duì)切割鋒利度的影響，達(dá)到了較為理想的結(jié)果；如果對(duì)比熱沖強(qiáng)度相當(dāng)?shù)耐芳?jí)金剛石，應(yīng)該具有較大的優(yōu)勢(shì)，其熱沖擊強(qiáng)度能夠進(jìn)一步提升的話，應(yīng)會(huì)獲得更佳的性能，實(shí)際應(yīng)用中也可以通過(guò)調(diào)整金剛石的濃度來(lái)進(jìn)行改善。

4 結(jié)論

(1)金剛石經(jīng)表面粗糙化處理后可以有效提高與胎體間的結(jié)合強(qiáng)度，有利于提高切割效率和壽命。

(2)在金剛石濃度相同，品級(jí)接近的情況下，使用表面粗糙化金剛石，鋸片使用壽命有明顯提高，使用成本明顯降低。

(3)在保持鋸片性能不變的情況下，使用表面粗糙化金剛石，濃度可以適當(dāng)降低，從而降低生產(chǎn)成本。