兩種沖擊韌性檢測儀的檢測范圍研究

劉乾坤，張風嶺，王志濤，劉善躍，趙 鑫，戚燕杰，李明輝，李世超，王忠孝，張玉紅

(豫西集團中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264)

眾所周知，金剛石強度對金剛石工具性能的影響起著至關重要的作用。金剛石強度的檢測是利用沖擊韌性測試儀，將規定量的試樣和一粒特定規格的鋼球裝入規定的試樣管中，按一定的頻率和次數進行沖擊后，用規定的條件進行篩分稱重，以篩上物的質量占試樣原始質量的百分率表示未破碎率，用一定數量未破碎率的算術平均值表征試樣的沖擊韌性值。不同的檢測技術將會造成不同的檢測強度值[1]。

在金剛石的鋸切應用中，沖擊韌性是表征超硬磨料的重要指標之一[2]。當前，在國內的行業范圍內，由于不同金剛石制造廠家的產品品級劃分自成一體，相互之間無法完全一一對應，因此，金剛石性能的相互比對依然需要進行沖擊韌性實驗來驗證。國內外同行業中使用較多的兩種金剛石沖擊韌性檢測設備是搖臂式沖擊韌性檢測儀和活塞式沖擊韌性檢測儀。

為比較金剛石樣品的強度，對樣品沖擊破碎試驗時，大多數廠家采用未破碎率來表征鋼廠的沖擊韌性，該操作減少了操作次數，比較簡單[3-4]。考慮到金剛石顆粒的分布特性，以50%未破碎率進行沖擊韌性檢測儀的表征是較為可信的比較方法。

從原理上看，沖擊韌性檢測設備本質上都是為沖擊管內的金剛石和鋼球相互碰撞提供循環往復的動力源，從而達到模擬金剛石在鋸切過程中的受力狀態的目的。但是，由于不同設備的機械結構和動力參數等因素的不同導致兩種設備在檢測范圍方面存在一定的差異。本文通過以中南鉆石有限公司的系列金剛石產品為樣品，以50%破碎率為目標值，對比普遍使用的搖臂式沖擊韌性檢測儀和活塞式沖擊韌性檢測儀，分析兩種設備的差異性。

1 實驗

1.1 實驗設備

深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式)，德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4沖擊韌性檢測儀(活塞式)，中國航空工業第五四零廠Φ75mm精密電成型檢查篩，新鄉市華興振華振篩機廠BP-2001型拍擊式篩分試驗機，德國梅特勒XS204分析天平，長春泰衡儀器儀表有限公司毛發式溫度濕度檢測儀

1.2 實驗樣品

20/25粒度-325/400粒度中南鉆石有限公司的D10、D15、D20、D30、D40、D60、D80、D90系列金剛石。

表1 兩種沖擊韌性檢測儀主要參數對比Table 1 Comparison of main parameters of two impact toughness testers

1.3 實驗方法

樣品的稱量方法：按照表2的取樣量方法進行取樣。

表2 取樣量Table 2 Sampling weight

樣品的沖擊方法是以沖擊韌性檢測設備的單次最大沖擊次數作為樣品的沖擊次數，其中深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式)的單次最大沖擊次數為9999次，德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4-RE.TEK.沖擊韌性檢測儀(活塞式)的最大沖擊次數為7000次。考慮到多次沖擊涉及沖擊次數分配和沖擊間隔時間多種影響因素,本次試驗中若某一粒度某一品級的金剛石在最大沖擊次數的情況下其未破碎比例大于50%，則不再進行該粒度更高品級的金剛石沖擊韌性檢測實驗。沖擊頻率國內的搖臂式設備按照國家標準的2400次/分鐘；國外的活塞式設備按照設備既定的頻率，選擇”STONE”檔進行沖擊。

樣品的篩分方法：對于粒度為20/25、20/30或25/30的試樣，應將每六份沖擊后的試樣合并篩分；對于粒度為25/35、30/35、30/40或35/40的試樣，應將每四份沖擊后的試樣合并篩分；對于粒度為35/45、40/45、40/50、45/50或45/60的試樣或標準樣品，應將每兩份沖擊后的試樣合并篩分；50/60及以細粒度的試樣和標準樣品，每一份試樣沖擊后單獨篩分[5]。選用較原試樣粒度號細一號的下檢查篩進行篩分，篩分時間為3 min。

2 實驗結果與分析

由于不同粒度相同品級的金剛石試樣，隨著粒度的變細，相應品級的未破碎率值逐漸升高。因此，只需要找出邊界值，即沖擊次數為設備單次最高限定設定次數，未破碎率值在50%附近時所對應的品級，即可判斷出比此粒度偏粗的試樣單次沖擊也能達到50%未破碎率，比此粒度偏細的試樣單次沖擊不能實現50%未破碎率。由此確定沖擊韌性檢測儀在該品級所能夠檢測未破碎率值不超過50%的品級范圍。試驗結果見表3和表4，表中數據“√”表示該品級試樣單次沖擊可實現50%左右的未破碎率，空白區域表示該品級試樣單次沖擊不能實現未破碎率為50%左右。

需要指出的是，正常情況下，隨著試樣粒度變細，相同質量的金剛石顆粒數增多，可實現50%未破碎率的品級數會變少。表4中80/100粒度實現未破碎率為50%左右的品級數比70/80粒度增加的原因是由于根據國家標準GB/T33144-2016《超硬磨料沖擊韌性測定方法》,80/100及以細粒度的取樣量為0.2g，而80/100以粗粒度的金剛石樣品的取樣量為0.4g，由于取樣量的變少導致實現未破碎率為50%的品級數增加；表3中由于搖臂式沖擊韌性檢測儀中鋼球的沖擊破碎能量較高，所以并未出現表4的分界現象。

表3 搖臂式沖擊韌性檢測儀半破碎率數據Table 3 Half-breaking rate data of rocker-type impact toughness tester

表4 活塞式沖擊韌性檢測儀半破碎率數據Table 4 Half-breaking rate data of piston impact toughness tester

通過對比表3和表4中的數據，考慮到樣品及設備的波動性對檢測值結果的影響，以檢測值小于51%作為判定能夠實現50%未破碎率的標準。經統計，搖臂式沖擊韌性檢測儀中能夠實現50%半破碎率的品級數量為136；活塞式沖擊韌性檢測儀能夠實現50%半破碎率的品級數量為75。因此，在表3和表4所示的粒度和品級范圍內，搖臂式沖擊韌性檢測儀能實現50%未破碎率檢測的品級比例為94%，活塞式沖擊韌性檢測儀能實現50%未破碎率檢測的品級比例為52%。

另一方面，從表1中的參數對比中也可以看出，雖然活塞式沖擊韌性檢測儀的振幅是搖臂式的225%，但是，由于活塞式的最高頻率和最大次數分別是搖臂式的47%和70%，導致活塞式的最大沖擊能量低于搖臂式。

3 結語

本文通過以中南鉆石有限公司的產品為試樣，對比國內外兩種常用的不同機械結構的沖擊韌性檢測儀的半破碎率范圍。搖臂式沖擊韌性檢測儀可實現50%未破碎率測試的品級比例為94%，活塞式沖擊韌性檢測儀可實現50%未破碎率測試的品級比例為52%。在半破碎率檢測范圍方面，以搖臂式沖擊韌性檢測儀的檢測范圍更加廣泛。