蔣孝明

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西特種礦物材料技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

0 引言

金剛石繩鋸最初是為了在礦山上更好的開采石材而研發(fā)設(shè)計(jì)的,最早的金剛石繩鋸是用作大理石礦山露天開采,大理石為沉積巖,材質(zhì)細(xì)膩,硬度較軟,金剛石繩鋸切割過程中沖擊強(qiáng)度低,串珠胎體磨損小,對(duì)結(jié)合劑與金剛石的把持力要求不高。之前石材荒料大板的切割主要還是使用傳統(tǒng)的圓盤鋸、砂鋸和框架鋸,而金剛石繩鋸只在加工弧形等異型石材工件時(shí)使用[1],經(jīng)過五六十年的發(fā)展,金剛石繩鋸在異形面加工、管道施工、土建拆遷等方面具有較為良好的鋸切效果[2],在建筑領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用,在進(jìn)行拆遷時(shí),應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)能有效降低對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)性,從而實(shí)現(xiàn)低噪聲、低粉塵拆遷,屬于當(dāng)前建筑拆遷中的一種綠色環(huán)保技術(shù)[3-4],對(duì)提高資源利用率和保護(hù)環(huán)境等起到了良好效果。金剛石繩鋸的切割效率、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益等,金剛石串珠是決定因素,金剛石串珠質(zhì)量的好壞又取決于配方設(shè)計(jì)(結(jié)合劑與金剛石配比)、原材料選擇、工藝匹配等是否合適。目前國內(nèi)金剛石串珠生產(chǎn)主要采用的熱壓法、自由燒結(jié)法,在金剛石繩鋸應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛;在加工材料多樣的形勢(shì)下,結(jié)合劑與金剛石的高效浸潤結(jié)合可以更好地體現(xiàn)繩鋸的切割鋒利度、使用壽命。

1 預(yù)合金粉末的特點(diǎn)

1.1 預(yù)合金粉末的制備方式及使用

多元合金結(jié)合劑是用兩種或者兩種以上金屬粉末以水霧或濕法工藝冶煉熔合在一起得到的產(chǎn)品,通常稱作金屬預(yù)合金粉末。目前國內(nèi)常用的預(yù)合金粉末基本組元有FeCu、CuSn、FeCuTi、FeCoCu、FeCuSn、FeCuNiSn、FeCuSnP等。預(yù)合金粉末的使用比例主要取決于設(shè)計(jì)配方所要達(dá)到的性能要求。大比例應(yīng)用(超過50%質(zhì)量分?jǐn)?shù))為主導(dǎo)型材料,可以有效體現(xiàn)合金粉末與金剛石的浸潤親和力,廉價(jià)二元合金制備的預(yù)合金粉在達(dá)到性能設(shè)計(jì)要求的同時(shí),還能更好地降低設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本;小比例應(yīng)用(低于15%質(zhì)量分?jǐn)?shù))為輔助型添加,主要改善單質(zhì)粉末配方中個(gè)別力學(xué)性能,比如提高或降低單質(zhì)粉配方的脆性、硬度、強(qiáng)度等,填補(bǔ)單質(zhì)粉末與金剛石無法有效結(jié)合或金剛石無法出露的短板,一般為高成本預(yù)合金粉末。

1.2 結(jié)合劑對(duì)金剛石的浸潤性

胎體對(duì)金剛石的浸潤性即胎體的粘接強(qiáng)度。繩鋸使用環(huán)境較惡劣,在75 kW設(shè)備上使用時(shí),電流可達(dá)110～120 A,張緊力200～300 kN,繩鋸線速度可達(dá)27～35 m/s,對(duì)串珠胎體沖擊力度相當(dāng)大,為了滿足切割要求,既要保證金剛石有良好的出刃,又要保持金剛石不過早脫落,因此要求結(jié)合劑對(duì)金剛石有良好粘接性能。Fe與金剛石反應(yīng)形成碳化物,所以Fe基結(jié)合劑對(duì)金剛石具有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度[5],但是由于Fe對(duì)金剛石表面具有強(qiáng)烈的刻蝕作用,這會(huì)導(dǎo)致金剛石本身的強(qiáng)度降低。Co與金剛石的潤濕角為50°～70°,與金剛石的粘著功為2.7 J,比銅高十幾倍,是目前粘接金剛石最好的結(jié)合劑[6],所以在最初的金剛石串珠配方胎體中,Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到80%以上,其良好的紅硬性和燒結(jié)穩(wěn)定性超越了其他單質(zhì)粉末。在Co基結(jié)合劑中加入Ti、Cr可以在熱壓過程中形成一層薄的金屬化層[7],使金剛石具有金屬的特性,可以改善胎體配方對(duì)金剛石的浸潤性。預(yù)合金粉末與金剛石表面也會(huì)形成一種不連續(xù)的碳化物,其相對(duì)Fe、Co燒結(jié)溫度更低,可以有效保護(hù)金剛石不被強(qiáng)烈刻蝕。

2 預(yù)合金結(jié)合劑與Co、Fe結(jié)合劑使用性能對(duì)比

2.1 預(yù)合金粉末配方與單質(zhì)Co、Fe配方力學(xué)性能對(duì)比

2.1.1 結(jié)合劑配方設(shè)計(jì)

以預(yù)合金粉末、單質(zhì)Co、Fe分別為主導(dǎo)材料,搭配其他液相、中間相、添加相設(shè)計(jì)配方,金剛石粒度為40/45,制作試驗(yàn)塊尺寸為30 mm×12 mm×6 mm,配方工藝見表1。

表1 不同主導(dǎo)材料配方工藝

由表1可知,1#、2#、3#三種配方主導(dǎo)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%,粘接液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%。1#、2#、3#配方主導(dǎo)材料不同,工藝參數(shù)略有差別,總體燒結(jié)致密度可達(dá)到99%,1#配方燒結(jié)溫度和壓力都低于2#、3#配方,Co、Fe在升溫過程中很難被還原,合金化較為緩慢,預(yù)合金粉末從顆粒到晶粒聚集更容易獲得。

2.1.2 各結(jié)合劑配方力學(xué)性能對(duì)比

1#、2#、3#三種配方力學(xué)性能見表2。

表2 各配方力學(xué)性能

由表2可知,硬度代表胎體抗磨損能力,硬度越高,胎體的耐磨性越強(qiáng);抗彎強(qiáng)度代表胎體抗擊沖擊的能力,沖擊韌性越高,胎體把持金剛石能力越強(qiáng);磨耗比E值,根據(jù)試驗(yàn)塊磨耗砂輪的坑深值確定,E值越大,表明胎體損耗越小,壽命越高,E值越小,表明鋒利度越高。

2.2 預(yù)合金配方與Co、Fe結(jié)合劑配方對(duì)金剛石侵蝕性對(duì)比

金剛石化學(xué)成分是碳,具有碳的化學(xué)屬性,高溫條件下容易和其他元素形成碳化物,結(jié)合劑中添加Ti、Cr、W等碳化物形成元素可以明顯增加對(duì)金剛石的潤濕性[8],Fe配方中高溫狀態(tài)下金剛石會(huì)以碳元素滲入,對(duì)金剛石表面侵蝕,造成金剛石損失。用1#、2#、3#三個(gè)配方粉末覆蓋金剛石,用845 ℃在真空狀態(tài)下燒結(jié)30 min,金剛石被侵蝕失重程度見表3。

表3 不同結(jié)合劑金剛石在高溫下失重

由表3可以看出,Co基配方在高溫下金剛石侵蝕較輕,金剛石失重小,Fe基配方在高溫下金剛石侵蝕較重,金剛石失重大,預(yù)合金粉末配方Fe的比例較大,但經(jīng)過合金形式高溫下對(duì)金剛石的侵蝕大大降低。金剛石輕微侵蝕失重對(duì)金剛石性能影響很小甚至沒有,但侵蝕嚴(yán)重造成金剛石失重比例較大,會(huì)影響金剛石的晶型棱角,降低金剛石串珠的使用性能。

2.3 預(yù)合金配方與Co、Fe結(jié)合劑配方使用切割情況對(duì)比

將1#、2#、3#配方調(diào)整中間相,采用同一粒度、濃度金剛石做成直徑為Φ11.5 mm橡膠繩鋸切割桂林紅花崗石。圖1、圖2、圖3為切割后的串珠表面金剛石出刃情況。

圖1 1#配方產(chǎn)品切割150m2效果圖

圖2 2#配方產(chǎn)品切割150m2效果圖

圖3 3#配方產(chǎn)品切割150m2效果圖

在200倍顯微鏡下觀察各配方串珠表面情況:1#配方剩余串珠外徑Φ11.2 mm,金剛石出露高度最高,表面坑洞少;2#配方剩余串珠外徑Φ11.3 mm,金剛石出刃高度次于1#配方,表面坑洞少;3#配方剩余串珠外徑Φ10.8 mm,金剛石出刃高度低,部分金剛石被磨平,表面坑洞多,具體使用數(shù)據(jù)見表4。

表4 1#、2#、3#配方切割桂林紅花崗巖數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

預(yù)合金粉末應(yīng)用在金剛石繩鋸串珠胎體配方中,與傳統(tǒng)Co、Fe胎體配方對(duì)比出的結(jié)論:

(1)高Co基配方對(duì)金剛石有很強(qiáng)的結(jié)合力,侵蝕失重小,在金剛石繩鋸上使用壽命長,但切割致密石材金剛石出刃差,價(jià)格昂貴。

(2)預(yù)合金粉末(FeCoCuSn)配方燒結(jié)溫度、壓力降低,工藝更好控制,與金剛石結(jié)合力強(qiáng),相比Fe基對(duì)金剛石造成的侵蝕失重小,切割某些花崗巖鋒利度甚至高于Co基產(chǎn)品,合適的預(yù)合金粉末配方產(chǎn)品性價(jià)比、經(jīng)濟(jì)效益比Co基產(chǎn)品高,但高比例的預(yù)合金粉末冷壓成型效果較差,需要根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整。

(3)Fe基配方燒結(jié)過程中被還原緩慢,燒結(jié)溫度高,對(duì)金剛石侵蝕失重較大,造成金剛石強(qiáng)度下降,雖成本最低,但使用效果不太理想。

(4)金剛石繩鋸應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,純Co基配方時(shí)代已成過去式,單質(zhì)Fe價(jià)格低廉,但高比例應(yīng)用使用性能較差,FeCu系列預(yù)合金粉末無論從燒結(jié)工藝穩(wěn)定性,使用性能還是價(jià)格上都占據(jù)優(yōu)勢(shì),且加工適用面廣,在燒結(jié)制品類金剛石工具胎體中的應(yīng)用日趨成熟。