張健瓊，楊志威，劉一波

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.鋼鐵研究總院，北京 100081;3.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司,北京 102200)

0 引言

金剛石工具一般由基體、金剛石以及胎體粉末燒結而成，而刀頭(金剛石和胎體)是決定金剛石工具質量優(yōu)劣的一個關鍵因素。在金剛石工具中金剛石是切削元件，但金剛石能否充分有效地利用起決定性作用的卻是胎體。胎體主要有“包鑲”金剛石和金剛石“匹配”磨損兩個作用。胎體的性能主要取決于胎體的材料,胎體主要有金屬[1]、樹脂[2-3]和陶瓷[4-6]等，其中金屬胎體以優(yōu)異的綜合性能而得到最廣泛的應用[7]。

目前國內金剛石工具很多生產廠家還在采用將單質粉末機械混合后再燒結，雖然這對調整胎體整體成分的比例非常方便，但是仍存在非常多的問題，如顆粒較為粗大、粉末表面氧化；而且由于使用的單質粉末的密度和粒度都不相同，致使混料難度加大，一方面為了使成分混合均勻，不斷增加混料時間，這就可能造成粉末表面氧化加?。坏珳p少混料時間又有可能導致混料不充分，影響鋸片性能。同時由于胎體中的高熔點金屬偏多，為了達到胎體的致密，導致燒結溫度高。燒結過程中金剛石易發(fā)生石墨化現象；低熔點金屬流失，致使胎體成分無法達到預期。因此，擁有燒結溫度較低、成分均勻、合金化程度高等優(yōu)點的預合金粉末，在金剛石工具中也就得到越來越廣泛的使用。

預合金粉末是在粉末制備過程前就將各組元制作成合金后再制作成粉，能夠得到化學成分完全一致的粉末。相比于單質元素粉末混合，采用預合金粉末，提前將各種單質合金化，按需調整成分，使之符合被加工材料的需求。預合金粉末包含了組成合金的各種金屬元素[8]，避免出現比重偏析、低熔點金屬先熔、富集、流失等問題[9]。同時可以提高胎體的硬度和致密度[10]。

針對切割石材的激光焊接鋸片，我們分別使用單質金屬粉末機械混合與使用預合金粉末作為金剛石鋸片的胎體原料，采用相同的金剛石，采用加壓燒結的工藝制成刀頭，而后，激光焊接制成鋸片，再切割不同種類的花崗巖，對比其切割性能。

1 實驗方法

1.1 實驗原材料

鋸片胎體成分采用我司常規(guī)石材切割胎體成分，包含Fe、Co、Cu、Sn、P。實驗中分別使用單質金屬粉末(1#胎體)機械混合，預合金粉末與部分其它粉末混合(2#胎體)。預合金粉末使用河南泰和匯金粉體科技有限公司的X6-630預合金粉末。

上述金屬粉末指標見表1。

表1 金屬粉末技術指標

金剛石使用公司石材通用的金剛石配方，為35/40、40/45、45/50等三種粒度混合使用。

1.2 冷壓成型、燒結和焊接

將上述金屬粉加入一定量甘油酒精溶液(甘油、酒精比例為1∶4)，放入三維混料機中混料1h～2h。而后，加入金剛石，再在三維混料機中，再次混料1h。之后，在混好的混合粉末中加入一定量的液體制粒劑，混合均勻，放入烘箱中烘干，再過篩得到近球形顆粒。

采用四柱液壓機加壓，制得冷壓生坯，放置加壓式燒結爐中進行燒結，燒結工藝見圖1。冷卻取出，制得刀頭半成品，刀頭尺寸為10mm×3.2mm×40mm。將刀頭和基體使用激光焊接機焊接成鋸片，(圖2)。經后續(xù)處理后用于切割測試。

圖1 燒結工藝曲線

圖2 切割測試使用鋸片

1.3 切割性能測試、刀頭金剛石出露程度和微觀組織觀察

使用推臺式切割機，通冷卻水，手動切割紅色花崗巖和黑色花崗巖，對比切割速度的差異，得出胎體鋒利度的差別；測量刀頭損耗，計算出鋸片壽命，得出胎體壽命的差異。綜合鋒利度和壽命的試驗數據，從而得出胎體性能的差異。

使用光學顯微鏡觀察切割后刀頭側面金剛石出露情況，以此判斷胎體對金剛石的把持力。

使用掃描電子顯微鏡觀察刀頭斷口微觀形貌，觀察試樣微觀組織形貌，對比微觀組織形貌的差異。

2 結果與討論

2.1 二種胎體刀頭規(guī)格和硬度

二種胎體刀頭燒結后的規(guī)格和硬度如表2。

表2 二種胎體刀頭燒結后的規(guī)格和硬度

2.2 切割性能測試

使用公司切割測試專用切割設備推臺鋸(圖3)，通冷卻水，切割市場上常見的紅色花崗巖(圖4)和黑色花崗巖(圖5)，固定切割材料的規(guī)格尺寸。記錄切割用時，通過對比切割速度，來判斷鋸片的鋒利度；切割一定刀數后，測量切割前后的鋸片直徑，得出刀頭損耗量，從而計算出鋸片的壽命。通過鋸片的鋒利度和壽命，最終評價胎體的性能優(yōu)劣。

圖3 切割測試專用推臺鋸

圖4 切割測試用紅色花崗巖

圖5 切割測試用黑色花崗巖

圖6和圖7分別是2種胎體的鋸片切割紅色花崗巖和黑色花崗巖的對比數據。切割材料規(guī)格為長度600mm，厚度30mm。每種切割材料切割100刀。從切割數據來看，切割紅色花崗巖和黑色花崗巖這兩種材料，2#胎體的鋸片鋒利度都要好于1#胎體的鋸片,基本都提高10%以上。通過切割前后鋸片尺寸的測量，計算出的鋸片的壽命對比，也可得出2#胎體鋸片的壽命高于1#胎體鋸片15%以上。由此說明，使用預合金粉末的胎體性能明顯優(yōu)于單質粉末的胎體。表3是切割測試的詳細對比數據。

圖6 紅色花崗巖對比切割測試

圖7 黑色花崗巖對比切割測試

表3 切割對比數據

2.3 刀頭金剛石出露程度

圖8、圖9分別是切割后1#、2#胎體鋸片刀頭側面的照片，可以看出2#胎體金剛石出露充分，而1#胎體的金剛石出露明顯稍差，且有部分金剛石已經脫落，這說明1#胎體對金剛石的把持力小于2#胎體。因此，導致1#胎體鋸片的鋒利度和壽命低于2#胎體鋸片。

圖8 1#胎體鋸片切割后刀頭側面照片

圖9 2#胎體鋸片切割后刀頭側面照片

2.4 胎體形貌分析

圖10和圖11分別為1#胎體和2#胎體的刀頭斷口掃描電鏡照片，燒結溫度840℃。

圖10 1#胎體斷口掃描電子顯微鏡照片

圖11 2#胎體斷口掃描電子顯微鏡照片

對比圖10和圖11，雖然胎體的成分配比相同，燒結溫度也相同，但微觀的組織完全不同。1#胎體的微觀組織比較粗糙，顆粒很大，而且不均勻，同時有較多的孔隙。而2#胎體斷口微觀組織比較均勻，顆粒很小，而且孔隙明顯比單質粉末的胎體少。這些都是由于預合金粉末中各元素已經充分混合、合金化，每個顆粒成分均勻。從而在燒結過程中均勻分布，胎體內出現的液相能夠均勻、及時的分布到胎體的孔隙中，以此實現胎體的致密化和減少孔隙的出現。另一方面，由于預合金粉末的熔點也比單質金屬粉末低，在燒結過程中，更容易形成液相，去填充孔隙，減少孔隙數量。因此，在這兩方面的作用下，相同的燒結溫度，預合金粉末比單質粉末更容易獲得均勻一致且致密的胎體，從而獲得更好的性能。

正因為預合金粉末的2#胎體致密度高，因此，其對金剛石的把持力就相對較高，金剛石出露好，這在切割后刀頭側面的照片也可以看出，從而鋸片的鋒利度和壽命就好。而單質粉末的1#胎體孔隙多，致密度不夠，因此，胎體對金剛石的把持力相對較低，金剛石無法充分出露，或者在金剛石出露不足時就已脫落，從而導致鋸片壽命和鋒利度下降。

3 結論

(1)使用推臺鋸切割紅色花崗巖和黑色花崗巖這兩種材料，使用預合金的胎體的鋸片鋒利度和壽命都要好于單質粉末胎體的鋸片,基本都提高10%～15%。使用預合金粉末的胎體性能明顯優(yōu)于單質粉末的胎體。

(2)切割后鋸片的金剛石出露情況不同。預合金粉末胎體金剛石出露充分，單質粉末胎體金剛石出露相對較差，且有部分金剛石已經脫落，這說明預合金粉末胎體對金剛石的把持力好于單質粉末胎體。

(3)在成分相同的胎體，燒結溫度相同的條件下，微觀的組織完全不同。使用預合金的胎體致密度和顆粒明顯好于使用單質粉末的胎體。