弱化胎體添加劑在金剛石鋸片中的應用

楊 棟，陳治強，王曉東，武璽旺

(1.湖南大學 材料科學與工程學院,長沙 410082;2.河南黃河旋風股份有限公司，河南 長葛 461500)

花崗石板材典雅華貴，色澤美觀，堅固耐用，廣泛應用于建筑、機械行業中。但花崗石結構致密，材質堅硬耐磨，難于加工，其加工成本占其總成本的絕大部分[1,2]。在其加工過程中，提高金剛石鋸片的鋸切效率即鋒利度，是降低加工成本最為關鍵的方法。

為提高鋸片的鋒利度，需要適度弱化胎體，即適當降低胎體的耐磨性，確保切割過程中下層金剛石可以借助胎體的磨損而及時出刃，代替上層已經破損、磨光、脫落的金剛石及時參與切割，從而保證切割效率與穩定性。胎體弱化并非一味地降低胎體的強度，否則會導致其對金剛石的把持力大幅降低，造成金剛石過早脫落。目前，弱化胎體的方法主要有：工藝控制法、添加劑法及粗化晶粒法。最有效的做法是加入適量添加劑，適當降低胎體耐磨性的同時確保胎體耐磨性能夠與金剛石的使用壽命相匹配，實現二者同步磨損，保證下層金剛石及時出刃，提高金剛石工具的鋒利度[3]。

實驗所用添加劑資源豐富，制備簡單，價格適中，冷壓成形性好，燒結容易。因此，本實驗探討了該添加劑對金剛石工具性能的影響，確定了較優的添加量，以期為工業生產提供借鑒。

1 實驗方法及過程

本實驗采用Fe基配方，以本公司生產的預合金粉HFY-01為參照，根據添加劑含量的變化，設計如表1的配方，考察該添加劑對Φ112mm鋸片性能的影響。

表1 配方組成(wt)

將上述各配方粉末先行混勻，再加入體積濃度12%的金剛石與石蠟繼續混勻后，在自動熱壓燒結機中于830℃燒結制成規格為40mm×8.0mm×3.2mm的標準試驗塊。采用LFSC型萬能材料試驗機測試其抗彎強度，HR-150A洛氏硬度計測試其硬度，采用鋼研納克NI300C型金屬擺錘沖擊試驗機測試其沖擊韌性。另一部分于黃河田中科美冷壓機下100T成形，而后于鐘罩爐中熱壓燒結。利用鄭州大華ModelI型自動切割試驗機檢測該鋸片的鋒利度及耐磨性。切割對象為山東五蓮產花崗石，花崗石板長80cm，厚度為2cm，每塊切割20刀，切割總長為16m。切割方式為干式順切。

2 實驗結果及討論

2.1 添加劑含量對含金剛石胎體抗彎強度及硬度的影響

圖1為6種配方含金剛石燒結樣塊的抗彎強度及硬度值。從圖中可以看出，當添加劑添加量從0增至10%時，胎體的抗彎強度逐漸減小，減小值約為200MPa，減小幅度大于25%，胎體的抗彎強度弱化明顯。胎體的硬度則不斷增大，在6%時達到最大值，此后雖有緩慢下降，但幅度不大。圖2為添加劑含量分別為0，4%、10%時含金剛石胎體的斷面圖，隨著添加劑含量的增多，胎體對金剛石的把持力先增大后減小。添加劑為0時，金剛石和胎體之間有裂縫，而且裂縫較大，把持力不夠高。添加劑為4%時，金剛石和胎體包鑲良好，金剛石周圍沒有裂縫產生，金剛石本身有輕微刻蝕，表明胎體對金剛石的把持力較好，胎體燒結組織致密均勻。這從圖3亦可得到進一步證明。當添加劑為10%時，金剛石周圍有裂縫，而且周邊有1/2處于斷層上，胎體與金剛石結合不牢。

圖1 添加劑含量對含金剛石胎體抗彎強度及硬度的影響Fig.1 Effects of additives content on the bending strength and hardness of matrix

圖2 胎體對金剛石的包接性Fig.2 Inclusion of matrix to diamond(a)添加劑含量為0 (b) 添加劑含量4% (c) 添加劑含量為10%

圖3 添加劑含量為4%時胎體包裹金剛石的斷面圖Fig.3 Cross-section of matrix-encapsulated diamond with 4% additive content

2.2 添加劑含量對含金剛石胎體沖擊韌性的影響

圖4為表1中的不同配方原料與金剛石混勻在自動熱壓燒結機中于830℃燒結制成規格為40mm×8.0mm×3.2mm的標準試驗塊，采用鋼研納克NI300C型金屬擺錘沖擊試驗機測試其沖擊功值。圖中可見，隨著添加量的增加，該材料韌性逐漸降低，脆性逐漸增大。結合圖1，可得該胎體材料硬度與脆性大致相關，即硬度增大，脆性亦即增大。因此，可以得出，該添加劑的加入有利于降低胎體的韌性及耐磨性，一定程度上有利于提高用其制成鋸片的鋒利度。

圖4 添加劑含量對胎體沖擊韌性的影響Fig.4 Effects of additives content on the impact toughness of matrix

2.3 添加劑含量對鋸片性能的影響

將上述6種配方制作成規格為Φ112mm的金剛石圓鋸片。其中金剛石粒度為35/40目，體積濃度為12%，冷壓成型壓力為100t，采用鐘罩爐熱壓燒結方式，燒結溫度為930℃，保溫時間為60min。燒結后測得每種鋸片的刀頭硬度如圖5所示。隨著添加劑含量的增加，刀頭硬度先升高后降低，在4%時達到最大值，之后有所下降，但幅度不是很大。超過8%時，硬度下降的趨勢較為明顯。這與前述圖1中對含金剛石胎體硬度的影響較為類似。

圖5 添加劑對鋸片刀頭硬度的影響Fig.5 Effects of additives content on the hardness of segments

將上述鋸片進行切割花崗石試驗，實驗結果如圖6所示。值得一提的是，當添加劑含量在10%時，在切割至第2刀時，鋸片就產生大的火花，出現燒片現象，切不動，設備停止運行。再次重新啟動設備后鋸片可以使用，但伴有火花產生，最后產生大的火花，鋸片又出現切不動現象，刀頭燒毀嚴重。結合圖1、圖2、圖3及圖4 ，可以認為，伴隨著添加劑的增多，胎體的強度及韌性不斷降低，對金剛石的把持力下降。在鋸片工作時，胎體不足以應對來自外部堅硬花崗石的沖擊載荷及研磨，金剛石脫落嚴重，導致胎體與花崗石直接摩擦，鋸片失去切割能力，金剛石鋸片鋒利度嚴重下降，出現打火燒片現象[4]。因此圖6不再對配方6進行說明。

圖6 每種配方的切割平均電流及重量損耗曲線Fig.6 The average cutting current and weight loss curve of each formulation

由圖6可見，隨著添加劑在配方中含量的增加，其重量損耗有所上升，但總體增加幅度并不甚大，當含量超過8%，其重量損耗明顯上升，是不加添加劑的6.8倍，鋸片耐磨性明顯下降。從電流曲線來看，含量超過8%時，其鋒利度并沒有明顯的提升。當添加劑含量為2%時，鋸片的鋒利度與沒有添加劑時基本一致，但其耐磨性有下降明顯，當含量在4%左右時，鋸片的鋒利度有明顯的提升，之后又開始緩慢下降，下降的原因可能是因為隨著添加劑的增多，胎體對金剛石的把持力下降，金剛石出刃高度逐漸下降所致。由圖1、圖6可見，抗彎強度過高、過低時，鋸片的鋒利度并不是很好。硬度與鋸片耐磨性或壽命沒有必然聯系，胎體硬度高低不是其耐磨性強弱的表征，這和文獻[5，6]的實驗結果是一致的。當添加劑含量為4%左右時，鋸片的鋒利度及耐磨性較好。

2.4 添加劑弱化作用機理的探討

當正常工作的金剛石顆粒被磨損或撞擊碎裂之后，其出刃高度將下降,工作面與石材之間的容屑間隙就會隨之變小。這時，如果包鑲金剛石的胎體不能及時磨損掉，工具的切割能力就會逐漸降低直至失效。為了保證工具保持良好的切割性能，就必須保證胎體能夠同時磨損掉相應高度，既保證金剛石的出刃高度基本保持在剛工作磨損時高度，又使得新的金剛石出露，凸出過度的金剛石顆粒正常脫落，可見，金剛石工具胎體性能弱化的機制必須依靠適當降低胎體的耐磨損性能才能獲得。

五蓮紅花崗石石英含量高，金剛石的宏觀破碎率較高，完整晶形少，磨損較快。因此，需要通過添加劑適當弱化胎體，加速金剛石的脫落出刃，才能不斷提高金剛石鋸片的鋒利度，提高花崗石的加工效率。

從上圖6可得，適量添加劑的加入之所以可以提高工具的鋒利度，其主要原因在弱化胎體，降低胎體的抗彎強度、韌性及耐磨性，使得胎體與金剛石磨損相匹配。當添加量少時，金剛石出露不高，且胎體的磨損過慢，導致金剛石過度服役，被宏觀破碎進而磨圓而失去切割能力，下層的金剛石又不能及時出刃，鋸片的鋒利度就不足。當添加適量時，胎體對金剛石把持較好，且胎體韌脆性適中，金剛石出刃、工作、脫落彼此匹配良好，切割效率及連續性優良。但當繼續增加添加量時，胎體的抗彎強度、韌性又會不斷下降，對金剛石的把持力較差，切割石材時，金剛石脫落嚴重，打火、燒片、甚至出現切不動現象，胎體耐磨損性太差，金剛石可能沒有工作就已脫落，工具的鋒利度太差。

3 結論

(1)Fe基結合劑中加入添加劑可以弱化胎體，即降低胎體的抗彎強度、韌性、耐磨性，同時增加了胎體的硬度及鋒利度。該添加劑的添加量在3%～5%之間為宜。

(2) 抗彎強度太高，不利于鋸片鋒利度的提高，太低則對金剛石的把持力不足，底限應能保證鋸片工作時絕對安全。參照加工對象，胎體適宜的抗彎強度、硬度、韌脆性、耐磨性是胎體設計優劣的關鍵。

(3) 硬度與鋸片的鋒利度及耐磨性并無必然聯系。