TiC晶須增強增韌的金剛石鋸片的研制

曹瑞香 孫嵐

摘 要：介紹了一種用碳化鈦晶須增強、增韌的新型金剛石鋸片。探索了這種鋸片的制備工藝，并測試了其力學性能和切割性能（包括切割花崗巖的速率和每個鋸片能切割的花崗巖最大長度）。通過比較各種TiC晶須含量的鋸片的切割性能找出了最佳的TiC晶須含量。

關鍵詞：TiC晶須;金剛石鋸片;花崗巖;石材切割速率和切割長度

中圖分類號：TG717 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0046-03

Development of TiC Whisker Reinforced and Toughened Diamond Saw Blade

Cao Ruixiang1， Sun Lan2

（1. Jiangxi Technical College of Manufacturing， Nanchang 330095， China;

2. Xiamen University， Xiamen 361005， China ）

Abstract：This paper introduces a new diamond saw blade reinforced and toughened with titanium carbide whiskers. The preparation process of this saw blade was explored and its mechanical properties and cutting properties were tested （including the rate of cutting granite and the maximum length of granite that each saw blade can cut）. The optimum TiC whisker content was found by comparing the cutting performance of various saw blades with TiC whisker content.

Key words：TiC whisker; diamond saw blade; stone cutting; stone cutting rate and cutting length

0 引言

隨著工業的發展和技術的進步，圓形金剛石浸漬鋸片已廣泛應用于鋸切、研磨、修整石材、混凝土、瓦片等多種領域。這些刀具切割速度快、靈活經濟、操作方便、切割面精度好，得到很好地使用。中國在圓形金剛石鋸片的研制和生產等方面進行了大量的工作[1-4]。除了自制金剛石鋸片外，我們還從日本、意大利、韓國等國家進口大量的鋸片。進口的金剛石鋸片其石材切割性能往往遠優于國產鋸片，這是因為進口鋸片中添加了高強度的碳化硅晶須 （SiCw） [5-6]。 但具體的晶須含量以及含晶須的金剛石鋸片的制備工藝卻至今未見報道。為了趕超世界先進水平，我們也考慮在現有的金剛石鋸片中添加一定量的晶須。考慮到碳化鈦晶須（TiCw）的強度比碳化硅晶須高得多，而且作者有多年制備碳化鈦晶須的經驗[7-8]，我們決定研制用碳化鈦晶須（TiCw）增強、增韌的金剛石鋸片。

1 試驗材料

1.1 金剛石鋸片的胎體材料

金剛石鋸片胎體材料由Cu、Fe、Ni、Sn等金屬粉末，平均直徑為200目。金剛石為人工合成的40～50目的金剛石。

1.2 碳化鈦晶須（TiCw）

實驗中的碳化鈦晶須是作者用化學氣相沉積（CVD）法制備的。其反應式為：

TiCl4（g）+CH4（g）→TiCW（s）

反應溫度為1200～1300℃，所得TiC晶須的直徑（d）約為5μm，晶須長度（?）約為100～500μm，長徑比（?/d）約為20～100μm。晶須的形貌如圖1所示。

1.3 試驗用Ф105mm金剛石鋸片鋼芯

實驗中使用的圓形鋸片直徑為105mm，寬度8mm，鑲在有標準窄徑向槽的圓形鋼芯上，鑲嵌有金剛石鋸片（尺寸為37mm×8mm×2mm），刀片芯的厚度為1.8mm。如圖2所示。鋼芯用65Mn冷軋鋼板沖壓形成。

2 實驗

2.1 制備含TiC晶須的新型金剛石鋸片

制備含TiC晶須的新型金剛石鋸片的步驟如下： 先將金剛石鋸片胎體成分按Fe-33Cu-8Ni-6Sn比例配好，再加入金剛石粉，加入混合油后在球磨機上混48h，然后將超聲振動處理后的TiC晶須按預定的含量（體積百分數）添加到混合均勻的金屬粉末和金剛石粉中。最后將最終混合好的粉末在高壓下冷壓成形，放在860℃的爐子里通氫氣燒結，保溫1h。這樣便制得了含TiC晶須的新型金剛石鋸片。

上述工藝是否適當的判據就是鋸片中各組分，特別是碳化鈦晶須，分布的均勻性。用S-450掃描電子顯微鏡觀察了鋸片的斷口和表面。如圖3所示。

2.2 測試鋸片的力學性能

我們所測試的鋸片力學性能包括硬度和彎曲強度。這兩項是和鋸片的切割性能密切相關的。

（1）硬度測試。采用布氏硬度計測定了鋸片的硬度，載荷為62.5kg，采用尺寸為5mm×5mm×30mm的基體試樣進行三點彎曲試驗。

布氏硬度HRB的計算公式為：

式中：F為壓痕面積，mm2;d為壓痕直徑，mm; h為壓痕深度，mm。只要測出壓痕直徑d，即可通過 （1）式算出HRB（或從現成的硬度表上查出HRB值），如圖4所示。

（2）強度測試。在萬能材料試驗機上采用標注試樣，尺寸為5mm×5mm×30mm，距離L為25mm，用三點彎曲法測定胎體的抗彎強度，如圖5所示。

抗彎強度σm的計算公式為：

式中：σm為鋸片材料的抗彎強度;L為簡支梁的跨距;h和b分別為矩形試樣的高度和寬度;P為實驗測出的破壞載荷;M為最大彎矩，M=PL/4;S為截面模量，S=J/（h/2）=bh2/6（J為橫截面面積對中性軸的慣性矩，J=bh3/12）。按（2）式算出的σm與碳化鈦晶須含量（vol%）的關系如圖6所示。

3 結論

通過對鋸片的力學性能和切割性能的試驗，得出以下4點結論：

（1）我們研制的TiC晶須增強的金剛石鋸片的制備工藝是好的，因為顯微觀察表明，TiC晶須在金剛石胎體中分布很均勻。

（2）通過添加TiC晶須提高了切割速度、延長切削壽命和較低的切割成本。

（3）存在一個切割性能最好的“最佳碳化鈦晶須含量”。花崗巖切割試驗表明，含量為1.5vol.%的碳化鈦晶須鋸片具有最佳的切割性能。

（4）本研究為研制大尺寸和切割不同的石材的鋸片提供了良好的依據。

參考文獻

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