董書山,馮海洲,喬翠婭

(1.吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012; 2.秦皇島市雅豪新材料科技有限公司，河北 秦皇島 066200)

1 前言

金剛石繩鋸作為一種柔性切割工具，發(fā)展至今已有40多年的歷史，自20世紀(jì)70年代在意大利大理石礦山開(kāi)采中首次得到成功應(yīng)用后，即顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性與巨大的市場(chǎng)潛力[1-7]。與傳統(tǒng)的圓盤鋸及帶鋼砂鋸相比，繩鋸在石材荒料開(kāi)采、大規(guī)格板材、異型石材及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件的加工等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。其制造技術(shù)也逐漸從電鍍、釬焊向更為高效、環(huán)保的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)方向發(fā)展[8-9]；并且，隨著鋸切設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，石材繩鋸也由最初的單繩向多繩組鋸方向發(fā)展[10-16]。繩鋸串珠的金屬結(jié)合劑也由早期的Co基體系向Fe基體系發(fā)展，尤其是近3年來(lái)，隨著中國(guó)繩鋸市場(chǎng)的快速發(fā)展與日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，F(xiàn)e基體系材料的應(yīng)用發(fā)展速度極快，“以鐵代鈷”在繩鋸串珠的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面取得了顯著成效。我國(guó)是全球最大的石材生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，石材來(lái)源既有國(guó)內(nèi)礦山的開(kāi)采，也有進(jìn)口荒料的來(lái)料加工；而且，石材種類繁雜，全球主要石材產(chǎn)地的產(chǎn)品在中國(guó)都有加工與銷售。因此，國(guó)內(nèi)繩鋸的應(yīng)用能力在很大程度上反映出了全球的繩鋸應(yīng)用與開(kāi)發(fā)水平。

2 國(guó)內(nèi)外金屬結(jié)合劑應(yīng)用現(xiàn)狀

眾所周知，鈷是目前所有金屬結(jié)合劑中綜合性能最優(yōu)的材料，但也是價(jià)格最貴的材料。鈷價(jià)已由2016年之前的220～250元/kg增長(zhǎng)至目前的600～630元/kg，價(jià)格幾乎翻了兩倍，這就大幅度增加了繩鋸串珠的生產(chǎn)成本，而反之繩鋸的價(jià)格卻由500～700元/米降至150～220元/米，且有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)，這就給繩鋸生產(chǎn)商帶來(lái)了極大的成本壓力。正因如此，也使“以鐵代鈷”的緊迫性日益突出，迫使繩鋸廠家下大力氣開(kāi)發(fā)廉價(jià)的Fe基結(jié)合劑。目前，在串珠Fe基材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，國(guó)內(nèi)已走在世界的前沿，尤其是在高比例鐵的結(jié)合劑方面，開(kāi)發(fā)應(yīng)用速度極快。

繩鋸串珠對(duì)燒結(jié)胎體的質(zhì)量要求很高，其性能考察指標(biāo)包括燒結(jié)致密度、潤(rùn)濕性、晶粒度、硬度、強(qiáng)度、沖擊韌性、冷卻收縮率及磨損性等。對(duì)串珠要求除了應(yīng)該對(duì)金剛石具有良好的潤(rùn)濕性、把持力及磨損適配性外，還要與“珠芯”間具有足夠的冶金結(jié)合力。這些因素都要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考量，在材料選擇、配方設(shè)計(jì)及工藝匹配方面予以明晰判定，特別是要根據(jù)材料特性及配方組合的特點(diǎn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，實(shí)施工藝制備過(guò)程的精細(xì)化控制，只有這樣才能有效發(fā)揮材料特性及配方特點(diǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，繩鋸金屬結(jié)合劑已由最初的Co基材料，發(fā)展至Co-Fe并存，以Fe為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)方向、多種元素并用的復(fù)合材料開(kāi)發(fā)階段，并由以單質(zhì)粉末的組配為主向合金粉末與單質(zhì)粉末的組合應(yīng)用為主的發(fā)展方向過(guò)渡。常用金屬涵蓋Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Cr、Mn、W、WC、Zn等，既包括傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬粉末，也包括水霧化及化學(xué)法所制備的各類Fe基預(yù)合金粉末，如Fe-Co-Cu、Fe-Co-Cu-Sn、Fe-Ni-Cu-Sn、CuSn15等系列化合金粉末，而且，對(duì)繩鋸而言，-400目以細(xì)合金粉末的應(yīng)用效果更具優(yōu)勢(shì)。

2.1 國(guó)外金屬結(jié)合劑應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，無(wú)論是水泥繩鋸還是石材繩鋸，國(guó)外產(chǎn)品仍以Co基胎體為主，制備時(shí)以超細(xì)單質(zhì)Co粉(圖1)為主，兼用化學(xué)法所制備的超細(xì)Fe-Co-Cu合金粉末(圖2)。生產(chǎn)工藝既有熱壓燒結(jié)，也有熱等靜壓及自由燒結(jié)。

眾所周知，Co是綜合性能最優(yōu)的一類金屬結(jié)合劑，但無(wú)論采用何種燒結(jié)工藝，繩鋸串珠Co基胎體都有一些不易控制的影響因素，這些因素主要是：

圖1 單質(zhì)Co粉SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the element cobalt powder

圖2 化學(xué)法Fe-Co-Cu合金粉末SEM形貌Fig.2 SEM morphology of the Fe-Co-Cu alloyed powder made by chemical process

①胎體對(duì)金剛石的潤(rùn)濕與把持能力——Co能夠良好潤(rùn)濕金剛石并在金剛石表面形成化學(xué)鍵結(jié)合；

②胎體的冷卻收縮系數(shù)——控制胎體與金剛石間的縫隙度；

③胎體機(jī)械性能的調(diào)控——致密度、強(qiáng)度、硬度及磨損性足夠，但斷口呈韌/脆混合斷裂特征，且以平齊的脆性斷裂特征為主。

Co基胎體的燒結(jié)溫度較高，繩鋸串珠的燒結(jié)溫度通常在850℃～920℃之間。燒結(jié)溫度低，Co基胎體不易致密化，對(duì)金剛石的把持力就不足，其強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能指標(biāo)也就無(wú)法滿足實(shí)際工況需求。提高燒結(jié)溫度，可提高燒結(jié)致密度，增強(qiáng)胎體的綜合機(jī)械性能指標(biāo)，但最為關(guān)鍵的問(wèn)題是，冷卻后，胎體與金剛石間會(huì)產(chǎn)生較大的縫隙，降低對(duì)金剛石的把持力，這一點(diǎn)也是Co基胎體不易掌控的重要影響因素之一。Co的粒度差異也會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)胎體的機(jī)械性能的變化，粒度越細(xì)，胎體的綜合機(jī)械性能越高[17]。

為了增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力，往往采用鍍覆的金剛石(鍍Ti、Cr、Ni等)。典型的胎體組織及其對(duì)金剛石的把持狀態(tài)如圖3、圖4。胎體與金剛石間的縫隙較大，降低其對(duì)金剛石的把持力，但金剛石表面的鍍覆層可在一定程度上彌補(bǔ)由此而導(dǎo)致的把持力下降的缺失。

圖3 鈷基胎體對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)Fig.3 SEM morphology of the sintered diamond embedded in cobalt matrix

圖4 鈷基胎體的燒結(jié)組織狀態(tài)Fig.4 The typical matrix SEM morphology of the element cobalt

在保證胎體綜合機(jī)械性能的同時(shí)，為了減小胎體與金剛石間的縫隙，提高胎體對(duì)金剛石的把持力，并且有效調(diào)控胎體與金剛石間的磨損適配性，而胎體斷面呈平齊的韌/脆而致密“瓷質(zhì)”斷口特征，是Co基胎體能發(fā)揮良好應(yīng)用效能的一個(gè)重要判斷特征，如圖3、圖4。此時(shí)，胎體組織的撕裂窩邊緣韌性帶無(wú)較強(qiáng)的“鋸齒”狀強(qiáng)韌性撕裂特征，而是呈較為平緩的“鈍邊”。若胎體的強(qiáng)度過(guò)高、韌性過(guò)強(qiáng)，斷口撕裂窩呈明顯的“鋸齒”狀韌性狀態(tài)，則鋒利度會(huì)受到明顯影響。Co基胎體的合適燒結(jié)狀態(tài)，除與原材料自身的質(zhì)量有關(guān)外，還與冷壓致密度、模具設(shè)計(jì)、加熱速度、加壓時(shí)機(jī)與大小、高溫保溫時(shí)間、冷卻速度的控制等綜合工藝條件有關(guān)。

為了改善Co基胎體的燒結(jié)性能，成分體系中還引入Fe、Ni、W、WC及Cu-Sn合金等。

在含有低熔點(diǎn)物料的串珠中，特別是水泥串珠，加入適當(dāng)比例的羰基Fe，可有效地調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度、潤(rùn)濕性、致密度及耐磨性，并降低原材料成本。羰基Fe可顯著增加胎體的耐磨性，但也給鋒利度的調(diào)整帶來(lái)一定難度，除配方的成分設(shè)計(jì)外，燒結(jié)工藝參數(shù)的調(diào)控對(duì)產(chǎn)品性能，尤其是鋒利度的調(diào)整是十分重要的。

在含有低熔點(diǎn)物料的配方體系中引入一定比例的羰基Ni粉(石材串珠中通常加入6%～10%，水泥串珠中通常加入8%～15%)，以提高胎體的潤(rùn)濕性、致密度及耐磨性。

超細(xì)W粉(粒徑2～6μm)具有對(duì)金剛石良好的潤(rùn)濕性及與其它金屬粉末間良好的界面結(jié)合力，在花崗巖及水泥繩鋸中加入部分超細(xì)W粉，可增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力，并提高胎體的熱強(qiáng)性、硬度及耐磨性[18]。

WC可顯著增加胎體的耐磨性，尤其是在水泥繩鋸串珠中的應(yīng)用效果更為明顯。具體的是與Co基胎體相配合，采用平均粒徑為5μm左右的超細(xì)WC。

Cu-Sn合金可降低燒結(jié)溫度，提高致密度，同時(shí)也具有一定性的磨損調(diào)節(jié)能力，制備時(shí)通常采用平均粒徑為3～5μm的超細(xì)Cu-Sn10或Cu-Sn15，花崗巖及水泥串珠配方中Sn的總量通常小于2%。

與Co基材料體系相適應(yīng)的燒結(jié)工藝技術(shù)，除了常規(guī)的熱壓燒結(jié)外，還有熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)及自由燒結(jié)技術(shù)。

采用熱等靜壓工藝技術(shù)生產(chǎn)的Co基胎體，具有較高的致密度、潤(rùn)濕性與較小的燒結(jié)收縮率，胎體與金剛石間的縫隙小，對(duì)金剛石的把持力較好；更重要的是，控制好燒結(jié)條件，則可較好地控制燒結(jié)胎體的晶粒度，粉末顆粒間的界面結(jié)合力較強(qiáng)但卻不易出現(xiàn)熱壓燒結(jié)中所常見(jiàn)的晶粒粗化長(zhǎng)大，既能保證胎體對(duì)金剛石的把持力，也可調(diào)控胎體的脆性磨損能力，很好地調(diào)整了胎體與金剛石間的磨損適配性。但此種工藝裝備復(fù)雜，投資大，生產(chǎn)成本較高。

真空燒結(jié)的串珠質(zhì)量穩(wěn)定性高，胎體對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性及把持力較好，但一次性的設(shè)備投入大，生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高。

采用自由燒結(jié)技術(shù)所制備的串珠，其致密度與潤(rùn)濕性不足，對(duì)金剛石的把持力有限；但胎體晶粒度小，磨損速率相對(duì)較高，鋒利度較好，壽命偏低。

總之，國(guó)外串珠制品基本還是以Co基胎體為主，配以超細(xì)單質(zhì)粉末，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本較高，但質(zhì)量穩(wěn)定性好。近年來(lái)，F(xiàn)e基胎體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)力度加大，尤其是采用化學(xué)法制備的超細(xì)Fe-Co-Cu類預(yù)合金粉末的應(yīng)用比例在逐步提高[19-21]，但粉末成本依然偏高。

2.2 國(guó)內(nèi)金屬結(jié)合劑應(yīng)用現(xiàn)狀

近5年來(lái)，國(guó)內(nèi)金剛石繩鋸以超乎尋常的速度迅猛發(fā)展，繩鋸串珠的制備技術(shù)也不斷提高，串珠胎體的材料體系也從發(fā)展之初的高Co體系，向低Co的Fe基體系發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)Fe基胎體的開(kāi)發(fā)應(yīng)用速度已走在全球繩鋸行業(yè)的前列，部分企業(yè)已規(guī)模化采用低Co的Fe基胎體，使串珠的材料成本大幅度下降，但與Co基胎體相比，F(xiàn)e基胎體仍然存在著性能及質(zhì)量穩(wěn)定性的差異。

國(guó)內(nèi)繩鋸廠家在串珠的開(kāi)發(fā)伊始，采用的是與國(guó)外相同的技術(shù)路線——采用Co基材料，雖然材料成本高，但繩鋸價(jià)格較高，生產(chǎn)商依然可以維持較為可觀的利潤(rùn)。2016年年底前，Co的價(jià)格維持在220元/kg左右，這對(duì)于繩鋸生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，材料成本壓力不大，多數(shù)廠家的基調(diào)是維穩(wěn)——采用Co基胎體以保持產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。2017年初始，Co的價(jià)格大幅度上漲至620元/kg左右，但由于繩鋸生產(chǎn)廠家不斷增多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，繩鋸價(jià)格反而不斷下滑，已由500～700元/米，下降至150～230元/米，而且還有繼續(xù)下滑的趨勢(shì)。材料成本的上漲與繩鋸價(jià)格的下滑，給繩鋸廠家?guī)?lái)了雙重壓力，他們迫切需要降低生產(chǎn)成本?！耙澡F代鈷”，又被高度重視，由此加快了Fe基材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

目前，國(guó)內(nèi)繩鋸串珠的Fe基材料亦可分為兩大類，一類是以單質(zhì)粉末為主，采用超細(xì)的羰基Fe，配合使用羰基Ni，減少配方體系中單質(zhì)Co粉的用量。另一類是以超細(xì)合金粉末為主，既有水霧化生產(chǎn)的Fe-Cu-Co、Fe-Cu-Co-Sn、Fe-Cu-Ni-Sn等系列產(chǎn)品，也有化學(xué)共沉淀法所制備的Fe-Cu-Co等產(chǎn)品，其中，以水霧化產(chǎn)品的應(yīng)用居多。

以超細(xì)單質(zhì)粉末為主的材料體系，主要以羰基Fe為主材，大幅度降低了Co粉的應(yīng)用比例，并輔以適當(dāng)比例的Cu、Ni、W、WC、Cu-Sn合金等。

電解Cu粉的應(yīng)用比例通常以能保證冷壓成型性所需的最低比例為主要參考值，其質(zhì)量狀態(tài)對(duì)串珠的性能有較大影響。與常規(guī)-200目的電解Cu粉(圖5)相比，粒度細(xì)、樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、松裝密度小(<1.6g/cm3)的銅粉(圖6)對(duì)串珠性能的提升機(jī)制及質(zhì)量穩(wěn)定性的保障更為有利。

在Fe基胎體中添加一定比例的Ni，可有效提高燒結(jié)致密度、強(qiáng)度、硬度、熱強(qiáng)性、耐磨性及對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性。若使用掌控不當(dāng)，則易導(dǎo)致金剛石出刃高度不足、出刃速度慢的問(wèn)題，影響鋒利度的發(fā)揮。不同種類的Ni粉，對(duì)串珠胎體性能的影響不同。電解Ni粉的粒度粗(圖7)，不易獲取均勻化、精細(xì)化的燒結(jié)組織，但有利于冷壓成型。而羰基Ni粉(圖8)的粒度細(xì)、合金化能力強(qiáng)，易獲取均勻、細(xì)膩、致密的燒結(jié)組織，但冷壓成型性差。

圖5 常規(guī)-200目電解Cu粉SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the commercial electrolytic copper powder

圖6 細(xì)顆粒/低松比電解Cu粉SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fine electrolytic copper powder with low apparent density

超細(xì)單質(zhì)粉末配方體系(以羰基Fe+羰基Ni為主)中，低熔點(diǎn)物料的比例通常不超過(guò)3%，且多數(shù)以細(xì)顆粒的Cu-Sn合金形式引入，胎體的燒結(jié)溫度普遍較高(通常在860℃～920℃)，以保證胎體具有足夠的致密度、強(qiáng)度及硬度。在此高溫下燒結(jié)，金剛石表面將被“刻蝕”或碳化，如圖9-a。金剛石表面的適度“刻蝕”，是此類材料體系燒結(jié)胎體對(duì)金剛石具有較好把持力的重要特征之一，尤其是采用非鍍覆金剛石時(shí)；此時(shí)，金剛石脫落坑內(nèi)壁出現(xiàn)較多的細(xì)小“麻坑”(圖9-b)，這是由于金屬成分在金剛石表面形成部分化學(xué)鍵結(jié)合而導(dǎo)致的金剛石表面“粘料”。但在實(shí)際生產(chǎn)中，要特別注意區(qū)分這種“粘料麻坑”與因燒結(jié)致密度不足而導(dǎo)致的“孔隙麻坑”間的差異，后者會(huì)大幅度降低胎體對(duì)金剛石的把持力，損傷串珠性能，甚至?xí)?dǎo)致繩鋸失效。

圖7 電解鎳粉的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the electrolytic nickel powder

圖8 羰基鎳粉的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the carbonyl nickel powder

圖9 超細(xì)單質(zhì)金屬粉末胎體對(duì)金剛石的包鑲潤(rùn)濕及組織形態(tài)特點(diǎn)Fig.9 The wetting and metallurgical characteristics of the matrix formed by mixture of ultrafine element powders

較高的燒結(jié)溫度易導(dǎo)致胎體燒結(jié)“板結(jié)”，尤其是Fe基胎體更易因晶粒的粗化“板結(jié)”而影響鋒利度。因此，如何在保證胎體對(duì)金剛石具有足夠把持力的條件下，使胎體具有合適的“砂性”磨損特性是關(guān)鍵的調(diào)控技術(shù)，這不僅僅取決于配方設(shè)計(jì)，還取決于燒結(jié)工藝的掌控。圖9-c為羰基Fe粉制備的串珠刀頭的平齊脆性斷口組織形貌，而從圖9-d的高倍組織中可明顯看出：細(xì)顆粒粉末間未發(fā)生明顯的界面融合重結(jié)晶粗化，基本是以顆粒間的界面“粘結(jié)”而聯(lián)結(jié)的。這種組織結(jié)構(gòu)可保證胎體具有良好的快速磨損剝離性能，促進(jìn)金剛石的及時(shí)出刃，串珠具有較好的鋒利度，但由于粉末顆粒間的界面連接強(qiáng)度不夠，胎體對(duì)金剛石的把持力有限，金剛石易過(guò)早脫落，導(dǎo)致壽命不足。對(duì)Fe基胎體而言，需要解決的矛盾是：既要防止胎體燒結(jié)“板結(jié)”而降低鋒利度，又要避免過(guò)于強(qiáng)調(diào)脆性磨損而導(dǎo)致粉末界面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不夠——金剛石把持力下降，影響使用壽命。這就要求既要嚴(yán)格控制粉末質(zhì)量(氧含量、粒度、松比等)，還要精細(xì)化控制燒結(jié)工藝，尤其是溫度-壓力-時(shí)間的配合。

羰基Fe粉的性能(純度、粒度、氧含量、松比、殘余碳含量等)對(duì)串珠胎體質(zhì)量影響較大，當(dāng)粉末的氧含量及殘余碳量較高時(shí)，粉末的燒結(jié)活性受限，界面結(jié)合強(qiáng)度下降，燒結(jié)體的典型組織狀態(tài)如圖9-d。繩鋸串珠中低熔點(diǎn)物料通常以Cu-Sn合金的引入形式居多，原因是單質(zhì)Sn粉的粒度較粗，容易產(chǎn)生燒結(jié)偏析粗化，導(dǎo)致物相組織不均勻，影響胎體性能的發(fā)揮。為了降低燒結(jié)溫度，弱化胎體的耐磨性，國(guó)內(nèi)部分繩鋸胎體中還引入一定比例的Mn粉與Zn粉，但二者均易氧化，特別是在潮濕環(huán)境下，更容易快速氧化，會(huì)大幅度降低胎體對(duì)金剛石的把持力，因此，在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)特別注意采取防潮措施。

近年來(lái)，繩鋸用Fe基預(yù)合金粉末的發(fā)展應(yīng)用速度較快，主要是水霧化法和化學(xué)共沉淀法所制備的細(xì)粒度粉末[22-23]。秦皇島市雅豪新材料科技有限公司在2014年就著手開(kāi)發(fā)了水泥串珠用Fe-Cu-Co-W系粉末(牌號(hào)為YA503)及石材繩鋸用Fe-Cu-Co-Sn系粉末(牌號(hào)YA508)，與Co粉相比，價(jià)格降低60%以上，在業(yè)界得到規(guī)模化推廣應(yīng)用，圖10、圖11分別為YA503及YA508的SEM粉末形貌。

此系列粉末的特點(diǎn)是：對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性好、燒結(jié)體的綜合機(jī)械性能高(致密度、強(qiáng)度、硬度高)、適應(yīng)的燒結(jié)溫度范圍寬(820℃～920℃)、質(zhì)量穩(wěn)定性好；尤為突出的特點(diǎn)是：粉末的界面活性可控，在可適應(yīng)的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，胎體組織中粉末不易產(chǎn)生燒結(jié)重結(jié)晶長(zhǎng)大粗化(這一點(diǎn)是單質(zhì)粉末體系較難掌控與穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的)，胎體組織極為均勻、細(xì)膩，在保持對(duì)金剛石的足夠把持力的情況下，也具備很好的磨損適配性。圖12為YA503在830℃～900℃范圍內(nèi)燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)體的組織形態(tài)及其對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)。胎體對(duì)金剛石的包鑲較為緊密，金剛石表面具有適度“刻蝕”的特征，胎體組織十分均勻、細(xì)膩，平均晶粒度在5μm左右，斷口呈韌/脆混合斷裂——而這也是胎體對(duì)金剛石具有良好把持力與適配磨損性的重要特征。

與YA503相似，YA508在較寬的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，具有對(duì)金剛石良好的潤(rùn)濕能力與高致密度/高強(qiáng)度把持力(圖13-a)，胎體的平均晶粒度在5μm左右(圖13-b)，其力學(xué)性能及組織特點(diǎn)與Co十分相似，滿足高品級(jí)制品對(duì)胎體材料的要求要素——較寬的溫度適應(yīng)范圍、良好的潤(rùn)濕能力以及較高的致密度、強(qiáng)度、硬度，最為關(guān)鍵的是燒結(jié)組織中的晶粒度細(xì)小、可控，既可保證胎體對(duì)金剛石的良好把持力，又可以較為方便地調(diào)控磨損性，可較好地滿足鋒利度與使用壽命間的匹配要求。

圖10 預(yù)合金YA503粉末SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the water-atomized alloyed powder YA503

圖11 預(yù)合金YA508粉末SEM形貌Fig.11 SEM morphology of the water-atomized alloyed powder YA508

此外，化學(xué)法所制備的超細(xì)預(yù)合金粉末，如國(guó)外的NEXT系列產(chǎn)品、國(guó)產(chǎn)的Fe-Co-Cu粉末及超細(xì)Fe粉等，在繩鋸串珠中也有部分應(yīng)用。

3 國(guó)內(nèi)外繩鋸金屬結(jié)合劑現(xiàn)存問(wèn)題

國(guó)外繩鋸串珠基本上還是以Co基胎體為主，輔以羰基Fe、羰基Ni、超細(xì)Cu-Sn合金等，材料成本居高不下，雖然產(chǎn)品的性能較為穩(wěn)定，但依然面臨較大的成本壓力，尤其是面臨來(lái)自中國(guó)的低價(jià)產(chǎn)品的沖擊壓力。國(guó)外繩鋸制造商也在不斷探索“以鐵代鈷”的技術(shù)途徑。

圖12 YA503燒結(jié)體對(duì)金剛石的包鑲及斷口組織形態(tài)SEM形貌Fig.12 SEM morphology of the sintered diamond and matrix microstructure of YA503

近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)繩鋸在鋸切設(shè)備及串珠制備等技術(shù)工藝方面的發(fā)展日新月異，突飛猛進(jìn)，尤其是在低鈷的Fe基金屬結(jié)合劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，向著以鐵為主、多元組合的方向發(fā)展，大幅度降低了串珠材料成本。但目前的Fe基結(jié)合劑在開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中尚存在諸多問(wèn)題，體現(xiàn)在應(yīng)用效果方面的問(wèn)題是：繩鋸的鋒利度與使用壽命間的失配度較大。而體現(xiàn)在粉末結(jié)合劑方面，尤其是Fe基結(jié)合劑，則存在以下問(wèn)題：

(1)與Co基材料體系相比，F(xiàn)e基結(jié)合劑材料仍未解決“以鐵代鈷”的關(guān)鍵問(wèn)題——對(duì)金剛石的把持力與磨損適配性的協(xié)調(diào)。依然存在著Fe基胎體對(duì)金剛石具有較強(qiáng)的把持力時(shí)，胎體的耐磨性過(guò)強(qiáng)，但熱強(qiáng)性/導(dǎo)熱性差，金剛石出刃困難，鋒利度受限；而耐磨性弱化后，胎體對(duì)金剛石的把持力又下降，也影響鋒利度與工作壽命。

(2)以德國(guó)BASF為代表的高品質(zhì)羰基Fe的產(chǎn)品綜合機(jī)械性能好、質(zhì)量穩(wěn)定性高，但產(chǎn)品價(jià)格高，更主要的是國(guó)內(nèi)繩鋸廠家在應(yīng)用此種材料的過(guò)程中，雖可較好地完成胎體對(duì)金剛石的良好把持，但常易產(chǎn)生胎體過(guò)于耐磨，鋒利度不易調(diào)控的問(wèn)題。圖14為羰基Fe的比例50%～60%時(shí)繩鋸串珠的金剛石出刃及微觀組織SEM狀態(tài)，胎體對(duì)金剛石的把持力較好，但金剛石出刃高度不足，其“蝌蚪狀”尾部的特征是既長(zhǎng)又寬，影響鋒利度。

(3)國(guó)產(chǎn)單質(zhì)Fe系材料雖然價(jià)格便宜，但存在著產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性不足，性能指標(biāo)的描述與控制過(guò)于寬泛、模糊的問(wèn)題，質(zhì)量波動(dòng)范圍大，用戶無(wú)法準(zhǔn)確把握其穩(wěn)定應(yīng)用條件，影響串珠質(zhì)量的穩(wěn)定性。

(4)業(yè)界普遍缺乏對(duì)結(jié)合劑材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，特別是在工藝開(kāi)發(fā)方面，不論配方材料如何變化，都習(xí)慣性地采取Co基胎體的燒結(jié)工藝，而缺乏針對(duì)不同的配方材料體系施以不同的適用工藝方面的研究與設(shè)計(jì)，這既影響配方的設(shè)計(jì)效果，又會(huì)造成大量的重復(fù)無(wú)用功。

圖14 羰基Fe為主的繩鋸串珠金剛石出刃及微觀組織SEM形態(tài)Fig.14 The SEM morphology of diamond exposure and matrix microstructure of the diamond wire saw mainly formed by carbonyl Fe

(5)水霧化Fe基預(yù)合金粉末雖然具有良好的綜合機(jī)械性能，但需要解決冷壓成型性的困擾，才能提高合金粉末的應(yīng)用比例，以提升串珠的綜合性價(jià)比。

國(guó)內(nèi)繩鋸金屬結(jié)合劑的發(fā)展速度較快，隨著國(guó)產(chǎn)繩鋸機(jī)的變化發(fā)展及對(duì)繩鋸加工效率的提升要求越來(lái)越高，與其它種類的金剛石工具一樣，鋒利度的保證是第一位的，同時(shí)還要兼顧足夠的壽命，這就對(duì)結(jié)合劑及工藝技術(shù)提出了更高的要求，需要從材料、工藝及裝備等方面取得協(xié)同發(fā)展，才能適應(yīng)日益變化的市場(chǎng)需求。

4 繩鋸金屬結(jié)合劑發(fā)展趨勢(shì)

Co基材料是目前繩鋸串珠的主要材料體系，高昂的價(jià)格使繩鋸的生產(chǎn)成本居高不下，因而，低鈷/無(wú)鈷的鐵基結(jié)合劑仍然是今后的發(fā)展主旋律，雖然“以鐵代鈷”經(jīng)歷了多年的實(shí)踐探索，但尚未取得實(shí)質(zhì)性突破，依然任重道遠(yuǎn)。從目前的材料及工藝裝備的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，依靠單質(zhì)粉末體系以“中藥配伍”的方式取得“以鐵代鈷”的實(shí)質(zhì)效能，尚存諸多困難，核心要素仍是需要解決胎體對(duì)金剛石的把持力與磨損適配性的難題。根據(jù)串珠組織性能的特點(diǎn)需求，今后金屬結(jié)合劑的材料體系需要在以下方面取得更大進(jìn)展：

(1)粉末粒度精細(xì)化。無(wú)論是單質(zhì)粉末體系還是合金粉末體系，必須滿足繩鋸串珠精細(xì)化組織的需求，這就需要粉末體系朝著細(xì)粒度的方向發(fā)展。在細(xì)化發(fā)展的同時(shí)，除要充分考慮粉末的冶金性能外，還必須要充分重視粉末的工藝性能(幾何形狀、流動(dòng)性、松裝密度等)，以滿足批量生產(chǎn)時(shí)串珠的冷壓密度、冷壓成型強(qiáng)度、單重、尺寸等工藝要素的穩(wěn)定可控。

(2)多組元合金化。以Fe-Cu系為基礎(chǔ)，添加適當(dāng)比例的Co、Ni、Sn、Zn、Cr、Mn、P等元素，調(diào)控粉末燒結(jié)體的機(jī)械性能，使其具有足夠的潤(rùn)濕性及合適的燒結(jié)致密度、硬度、強(qiáng)度、磨損性等。

(3)粉末顆粒的晶內(nèi)-界面性能差異化。通過(guò)技術(shù)調(diào)整手段，使燒結(jié)胎體能夠依靠粉末的晶內(nèi)組織結(jié)構(gòu)來(lái)保障宏觀機(jī)械性能；依靠粉末界面活性的控制，來(lái)調(diào)控粉末的界面燒結(jié)行為——既要產(chǎn)生足夠的界面結(jié)合強(qiáng)度，以維持胎體對(duì)金剛石的把持力，又要控制粉末顆粒間的界面融合而導(dǎo)致的重結(jié)晶粗化，以調(diào)控胎體的磨損適配性。

(4)合金粉末的高彈性模量化。高彈性模量可增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力，但這種彈性模量的獲取，不能僅僅依靠組織內(nèi)部的單一強(qiáng)化相來(lái)完成，需要有韌/脆混合物相的協(xié)同才能完成，以得到適合的磨損性能。

5 思考與建議

無(wú)論何種工具，廉價(jià)的鐵基材料是金屬結(jié)合劑的必然發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于繩鋸串珠而言，其對(duì)鐵基材料的綜合性能要求更高，特別是材料的穩(wěn)定性。因此，在材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，必須緊密結(jié)合串珠應(yīng)用的工況條件、燒結(jié)制備的工藝裝備及質(zhì)量穩(wěn)定性的控制要素來(lái)開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)工作。

(1)繩鋸用粉末材料的開(kāi)發(fā)要與繩鋸制造商間形成緊密聯(lián)合，使材料的開(kāi)發(fā)做到有的放矢。

針對(duì)實(shí)際工況，分析設(shè)定節(jié)點(diǎn)要素，根據(jù)節(jié)點(diǎn)要素的需求，開(kāi)發(fā)調(diào)控材料性能。

(2)加強(qiáng)基礎(chǔ)應(yīng)用研究。

材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，最終需要通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)驗(yàn)證，但這種驗(yàn)證不是試驗(yàn)的“堆砌”，而應(yīng)是建立在扎實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究之上的，要對(duì)元素的作用過(guò)程、燒結(jié)體的微觀物相結(jié)構(gòu)及其與宏觀機(jī)械性能間的關(guān)聯(lián)影響機(jī)制開(kāi)展深入研究。只有從原理機(jī)制上取得突破，才能明晰“以鐵代鈷”的內(nèi)涵中要“代什么”、“怎么代”的問(wèn)題。

(3)重視與材料體系相匹配的工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)。

目前，多數(shù)工具制造商在生產(chǎn)過(guò)程中往往是依據(jù)以往的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，換言之，是采取“固定工藝，調(diào)整配方”的設(shè)計(jì)模式，而不是根據(jù)配方材料體系的特性要求來(lái)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，更是缺乏對(duì)產(chǎn)成品進(jìn)行綜合分析判斷的方法與手段，因此，無(wú)法從內(nèi)在實(shí)質(zhì)上把控產(chǎn)品質(zhì)量，只能依靠大量重復(fù)性的應(yīng)用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證配方及工藝的優(yōu)劣。在很多情況下，易導(dǎo)致因工藝不匹配而掩蓋了配方的優(yōu)越性而最終導(dǎo)致反復(fù)試驗(yàn)，無(wú)果而終的結(jié)局。

(4)加強(qiáng)材料表征體系的完善與實(shí)用化開(kāi)發(fā)。

目前，行業(yè)內(nèi)除了極少數(shù)大廠家建立了比較完善的粉末質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系外，絕大多數(shù)中小廠家沒(méi)有原材料體系的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與手段，因而只能被動(dòng)地接受材料，當(dāng)材料發(fā)生質(zhì)量波動(dòng)而引起產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)甚至造成損失時(shí)，也只能自行承擔(dān)，更嚴(yán)重的是，不知問(wèn)題的原因所在，無(wú)法保證產(chǎn)品質(zhì)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為此，行業(yè)需要材料供應(yīng)商能夠提供更為完善的材料表征指標(biāo)及質(zhì)檢內(nèi)容，以便于用戶可根據(jù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行合適的選材、用材，保證制品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

(5)重視材料穩(wěn)定性的控制技術(shù)。

由于金屬結(jié)合劑超硬制品的燒結(jié)胎體往往是多種金屬元素的集合體，任何一種材料的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)制品的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因而，行業(yè)需要穩(wěn)定的材料供應(yīng)體系。我國(guó)現(xiàn)行的金屬結(jié)合劑材料的質(zhì)量狀態(tài)——無(wú)論是單質(zhì)粉末還是合金粉末，較5年前已有明顯改善，對(duì)促進(jìn)制品行業(yè)的發(fā)展具有明顯的推動(dòng)作用。但在許多基礎(chǔ)原材料方面，行業(yè)內(nèi)依然采用以往的國(guó)標(biāo)質(zhì)量體系，對(duì)材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如純度、關(guān)鍵雜質(zhì)含量的限定、粒度、氧含量、松裝密度等，國(guó)標(biāo)所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、指標(biāo)浮動(dòng)范圍偏大，對(duì)金剛石制品的質(zhì)量影響較大。因此，基礎(chǔ)原材料的實(shí)際供貨標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)超硬制品行業(yè)的實(shí)際需求而確定，在可行的范圍內(nèi)采用超越國(guó)標(biāo)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供貨，可更好地滿足超硬制品行業(yè)的發(fā)展需求。繩鋸串珠胎體的機(jī)械性能指標(biāo)要求較高，對(duì)粉末原材料的性能指標(biāo)要求范圍及穩(wěn)定性要求更高。

近年來(lái)我國(guó)超硬制品行業(yè)隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策及市場(chǎng)需求的變化，正經(jīng)歷著起伏波動(dòng)，面臨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)的迫切需要，高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保是今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律，整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈都面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，穩(wěn)定的原材料供應(yīng)體系與新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是超硬制品行業(yè)深入前行的基礎(chǔ)，全產(chǎn)業(yè)鏈的緊密配合與互利共贏也必將促進(jìn)行業(yè)的快速升級(jí)發(fā)展，“優(yōu)勝劣汰”的競(jìng)爭(zhēng)法則將會(huì)促進(jìn)行業(yè)更加健康、穩(wěn)步前行。