鈷粉包覆的鑄造WC顆粒在金剛石鋸片中的應用

劉英凱，周 洋，劉建剛，郝文龍

（博深股份有限公司,石家莊 050035）

金剛石鋸片被廣泛應用于土木工程、石材加工、交通工程等領域。為了提高金剛石鋸片的壽命，常加入W、WC、鑄造WC 等具有高硬度、高耐磨性的材料為骨架材料[1-2]。但由于這類骨架材料具有高熔點、高硬度的特性，且與胎體金屬浸潤性較差，難以燒結，就導致胎體對其把持力不足，在使用過程中容易脫落，導致鋸片切割壽命降低等。同時，隨著骨架材料加入量增大，刀齒燒結成型的難度增加，其燒結致密性下降，進而導致鋸片刀齒強度降低，在切割過程中容易出現刀齒斷裂等嚴重問題。

Co 是金屬中與碳相容性最好的金屬之一，同時Co 基胎體具有良好的綜合機械性能等，適合用于制造金剛石鋸片[3-4]。但隨著金剛石鋸片使用的普及，加上行業生產廠家增多，其價格一跌再跌，而Co 粉等原材料成本卻居高不下，相關行業面臨巨大的成本壓力。為了克服此問題，行業內對于替Co 材料及其工藝進行了大量的研究[5-10]，發現胎體材料表面包覆Co 粉可大大降低鋸片胎體內Co 粉的用量，進而達到既不降低產品性能，又能大幅降低產品成本的目的。

為此，分別將鑄造WC顆粒、表面Co 粉包覆的鑄造WC顆粒以及Ni 粉包覆的鑄造WC顆粒應用于金剛石鋸片中，對比研究其對鋸片胎體機械性能及切割性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料及設備

制備金剛石鋸片胎體的原材料粉末有電解Cu 粉、Sn 粉，其D50均為28 μm；羰基Fe 粉，其D50為5 μm；Ni 粉、Co 粉，其D50均為16 μm；鑄造WC 基本顆粒尺寸在80～200 μm；人造金剛石類型為HWD60，其粒度代號為40/50，使用的人造金剛石濃度為25%。

試驗中用到的主要設備有DC200 型金剛石涂覆機，DSP475 型真空燒結爐，WDW?100G 型微機控制電子萬能試驗機，KH3200A 型洛氏硬度機，BS124S 型電子分析天平，VEGA3 LMH 型掃描電鏡，牛津X 射線能譜儀等。

1.2 試樣制備與試驗方法

高分子黏結劑溶質、醇溶劑形成的混合溶劑和Co粉（或Ni 粉）粉末配制成一定濃度懸濁液，將懸濁液倒入DC200 金剛石涂覆機的噴霧器中，從上向下噴懸濁液，熱風機從下往上吹起鑄造WC顆粒，下降的懸濁液與上升的鑄造WC顆粒在空中相遇并發生接觸、撞擊、黏連等；同時，隨著混合溶劑在熱風作用下充分揮發，Co 粉（或Ni 粉）最終會緊密均勻地包覆在鑄造WC顆粒上，形成Co 粉包覆鑄造WC顆粒或Ni 粉包覆鑄造WC顆粒。且控制懸濁液中金屬粉的量，使制成的包覆粉顆粒中鑄造WC 與金屬粉末的質量比為3∶1。Co 粉包覆鑄造WC 的顆粒形貌如圖1所示。

圖1 Co 粉包覆鑄造WC 的顆粒形貌Fig.1 Particle morphology of Co powder coated cast WC

分別將鑄造WC（命名為A）、Co 粉包覆鑄造WC（命名為B）、Ni 粉包覆鑄造WC（命名為C）和其他金屬粉末按一定比例混合，制備3 種金剛石鋸片胎體。3 種胎體的配方如表1所示，其中表1 中所有物質的含量都是質量分數。

表1 胎體配方Tab.1 Matrix formula

將表1 中的各原材料稱量、混合均勻后，采用真空燒結爐制備試樣塊，試樣塊尺寸為30 mm × 12 mm ×6 mm，制備工藝為燒結溫度為850 ℃，燒結壓力為30 MPa，保溫時間為30 min。

采用KH3200A 洛氏硬度計測量胎體硬度；采用三點彎曲法在萬能試驗機上進行胎體抗彎強度測試；采用掃描電鏡進行胎體斷口微觀形貌觀察及分析。樣塊抗彎強度計算式為：

式中：σ為抗彎強度，MPa；F為斷裂所需的力，N；L為支點間的距離，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

2 試驗結果及分析

2.1 表面涂覆對胎體機械性能的影響

圖2、圖3 分別為表1 中的1#、2#和3#配方胎體燒結試樣塊的硬度和抗彎強度對比。從圖2 可以看出：3個試樣的硬度基本相當。用金屬粉末包覆鑄造WC顆粒材料后，胎體配方中各組元的配比關系基本沒有變化，因此在相同的燒結工藝下，燒結后的胎體硬度基本相當。從圖3 可以看出：抗彎強度最高的是加入Co 粉包覆鑄造WC顆粒的2#配方，其次是加入Ni 粉包覆鑄造WC顆粒的3#配方，加入純鑄造WC顆粒的1#配方的強度最低。鑄造WC 表面包覆Co 粉或Ni 粉金屬層后，Co 粉或Ni 粉富集于鑄造WC顆粒表面，與Cu、Fe等胎體材料相容性優良，同時與鑄造WC顆粒也有良好的相容性。用Co 粉或Ni 粉作為中間過渡層，可以提高WC 耐磨相與胎體界面的親和力，促進胎體燒結，進而提高其抗彎強度。

圖2 胎體硬度對比Fig.2 Comparison of matrix hardness

圖3 抗彎強度對比Fig.3 Comparison of bending strength

2.2 胎體斷口形貌分析

圖4 為1#試樣胎體斷口形貌。從圖4 中可以看出：鑄造WC顆粒表面未包覆金屬粉末，其與胎體結合界面處存在裂紋等缺陷，造成胎體與鑄造WC顆粒之間結合強度差，影響胎體燒結致密性，進而使其抗彎強度下 降。

圖4 1#胎體斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of 1#

圖5、圖6 分別為2#和3#胎體試樣的斷口顯微形貌。從圖5、圖6 中可以看到：表面包覆有金屬層的鑄造WC 與胎體結合良好，且2#試樣中Co 粉包覆鑄造WC顆粒周圍的顯微組織更致密。

圖5 2#胎體斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of 2#

圖6 3#胎體斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of 3#

2.3 能譜分析

采用牛津X 射線能譜儀對WC 上鍍覆有金屬的胎體進行成分測定，圖5 和圖6 上的掃描點1 和點2 的元素信息由元素特征X 射線峰給出，其結果如圖7 和圖8所示。

由圖7 可知：點1 的主要元素為Cu、Fe、Co、W 等，其中的Co 元素能譜峰強度較高，表明鑄造WC顆粒表面包覆上了一層Co 粉。由于Co 元素與鑄造WC、Cu、Fe 等均有良好的相容性，增強了燒結體中各物相界面的結合強度；同時，試樣在燒結后冷卻過程中，Co 在427 ℃時會發生β→α 的相變[11]。因而其體積收縮，對鑄造WC顆粒的機械包鑲力增大，增強了胎體對鑄造WC 的把持力，使Co 粉包覆的顆粒與胎體結合更致密（圖5）。

圖7 2#胎體中點1 的能譜圖Fig.7 Energy spectrum of point 1 of 2# matrix

從圖8 中可以看出：點2 的胎體主要元素為Ni 和Fe，且兩元素的能譜峰值都很高，表明鑄造WC顆粒表面包覆上了一層Ni 粉和添加的Fe 粉，Ni 粉包覆的鑄造WC顆粒與胎體結合良好，但不如Co 粉包覆的鑄造WC顆粒與胎體結合致密（圖6）。

圖8 3#胎體中點2 的能譜圖Fig.8 Energy spectrum of point 2 of 3# matrix

2.4 鋸片切割性能對比

在表1 的3 種胎體基礎上，加入濃度為25%的同種類金剛石，采用激光焊接工藝制備直徑為350 mm 的金剛石圓鋸片，3 種圓鋸片與胎體同命名。金剛石鋸片基體材質為28CrMo，基體厚度為2.4 mm；金剛石圓鋸片刀頭的長度×高度×厚度為40.0 mm × 12.0 mm × 3.2 mm，鋸片刀頭齒數共24 個。采用13HP 馬路切割機對凝固24 h 的鵝卵石混凝土進行切割試驗對比，切割深度為5 cm，混凝土強度等級為C30、無鋼筋。切割試驗數據如圖9所示，其中切割速度為單位時間內切割混凝土的長度，切割壽命為刀頭高度每消耗1 mm 所切割混凝土的長度。

圖9 切割速度和切割壽命對比Fig.9 Comparison of cutting speed and cutting life

從圖9 中可以看出：3 種配方圓鋸片樣品切割速度相當，但2#樣品的切割速度最高，3#樣品的居中，1#樣品的最低；2#樣品的切割壽命最長，3#樣品的居中，1#樣品切割壽命最短。2#樣品與1#樣品比較，其鋸片的切割壽命提高了40%。與此同時，切割速度和切割壽命相互對應。原因是Co 粉包覆鑄造WC顆粒與胎體結合最為致密，抗彎強度最高，胎體對鑄造WC 的把持力大，耐磨相在使用過程不易脫落，充分發揮了耐磨相提高鋸片壽命的作用。

3 結論

（1）加入鑄造WC顆粒、Co 粉包覆鑄造WC顆粒及Ni 粉包覆鑄造WC顆粒的3 種胎體的硬度基本相當。

（2）加入Co 粉包覆鑄造WC顆粒的胎體抗彎強度最高，其次是加入Ni 粉包覆鑄造WC顆粒的，加入鑄造WC顆粒的最低。

（3）胎體試樣斷面顯示，純鑄造WC顆粒與胎體界面結合處存在裂縫，而表面包覆有金屬層的鑄造WC顆粒與胎體結合良好，但Co 粉包覆鑄造WC顆粒周圍的顯微組織更致密。

（4）用表面包覆金屬層的鑄造WC 制造的鋸片切割速度和效率都高于僅加入純鑄造WC 鋸片的。與僅加入純鑄造WC 的鋸片相比，Co 粉包覆的鑄造WC應用到鋸片中，其鋸片的壽命最長，提高了40%。