國內主要廠家金剛石鋸片的胎體成分和性能研究(上)①

鄧福銘,毛 峰,李 丹,王海梁,鄒 波,張 玲

(中國礦業大學(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083)

1 引言

金剛石鋸片是各類金剛石制品中用量最大的一類產品。據國內外統計資料估計,目前世界上工業金剛石50%左右用來制造石材加工工具,其中主要又是制造石材鋸片[1]。金剛石鋸片是應用最廣泛的金剛石工具,為了獲得金剛石鋸片的最大效益,無論是制造廠家還是用戶都十分關注金剛石鋸片的工作狀況,特別是它的鋸切率、使用壽命和功率消耗[2]。胎體材料的性能是影響金剛石鋸片使用性能的關鍵因素之一,它的主要作用是牢固把持金剛石,使金剛石在工作過程中,能夠與胎體材料同步磨損,保持良好的出刃速度,提高金剛石工具的使用效率。本文通過對國內主要廠家的金剛石鋸片刀頭進行形貌和成分測試,分析了胎體材料對金剛石鋸片性能的影響。

2 試驗方法和試驗方案

使用性能,分析胎體元素對使用性能的影響。

本實驗通過市場調研遴選七種國內主要廠家的金剛石鋸片刀頭作分析測試對象,分別在S-3400型掃描電子顯微鏡(SEM)下對其斷裂面進行觀察分析,并分別在每一刀頭不同部位的三個不含金剛石的微區域,采用Link ISIS能譜分析儀(EDS)對刀頭胎體成分進行了分析測試,以了解各廠家金剛石鋸片刀頭的燒結情況和胎體對金剛石的包鑲情況。

金剛石鋸片的切割實驗在工廠進行,在相同的切割條件下對七種不同的鋸片做了切割實驗,觀察實際

3 試驗結果與討論

3.1 各刀頭的微觀形貌和能譜分析

圖1(a)為金剛石刀頭在掃描電鏡下放大300倍的形貌,黑色部分為金剛石,周圍為金屬胎體,金剛石晶形比較完整,胎體與金剛石的結合較緊密。(b)為胎體材料放大1000倍的形貌,從圖中可以看出,胎體燒結比較致密。

圖1 1#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.1 The SEM micrographs of 1#diamond segment

圖2 1#金剛石鋸片刀頭的EDS圖Fig.2 The EDS graphs of 1#diamond segment

由圖2的能譜分析圖和表1的能譜分析數據結果可知,1#刀頭胎體材料中,主要含有Cu、Fe、W、Zn和Si,其中,Cu的重量百分比約為36.98%,Fe約占6.85%,W約占12.59%,Zn為7.71%,Si為17.34%。從表中可以看出,不同區域的金屬元素含量差別較大,W在測試的第一個區域含量為28.08%,而在第三個測試區域僅為0.50%,Fe在不同區域分別為10.37%、6.46%、3.73%,可見,金屬粉末在胎體材料中的分布很不均勻,這是由于混料不均勻造成的,這一現象會導致胎體不同位置的耐磨性不同,和對金剛石的把持力有所差別,從而造成金剛石不同程度的脫落,影響鋸片的切割性能。

表1 1#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結果(wt%)Table 1 The EDS analysis results of 1#diamond segment(wt%)

圖3(a)為放大60倍的刀頭形貌,從圖中可以看出,該刀頭中金剛石濃度較大,結合(b)放大300倍的刀頭形貌,可以發現,金剛石的晶形比較完整,屬于高品級金剛石,(c)為刀頭中胎體材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎體燒結得比較致密,且比較均勻。

圖3 2#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.3 The SEM micrographs of 2#diamond segment

圖4 2#金剛石鋸片刀頭的EDS圖Fig.4 The EDS graphs of 2#diamond segment

圖4為2#刀頭胎體的能譜圖,從圖中可以看出,胎體成分主要有Cu、Fe、Co和 Ni,其中,Cu、Fe的含量較高。由表2的能譜分析數據可知,2#刀頭的胎體材料中,Cu的重量百分比為45.54%,Fe約占29.08%,Co約占11.92%,Ni約占8.04%。此外胎體中還含有少量的Sn、Al、Si、Mn和O。從表中三個不同區域的測試數據可以看出,2#刀頭胎體材料中各種金屬粉末的分布比較均勻。

表2 2#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結果(wt%)Table 2 The EDS analysis result of 2#diamond segment(wt%)

圖5(a)為金剛石鋸片刀頭放大300倍時的形貌,從圖中可以看出,金剛石與胎體的結合比較緊密,可以判斷胎體對金剛石的把持力較大,但金剛石晶形不完整,可能是使用了低品級金剛石,或者是燒結溫度太高而使金剛石表面被侵蝕。(b)為胎體材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎體燒結得比較致密。

圖5 3#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.5 The SEM micrographs of 3#diamond segment

由表3的能譜分析結果可知,3#刀頭的胎體材料中,主要含有Fe、Cu和Co,其中Fe含量最高,重量百分比為49.35%,Cu約占27.12%,Co約占5.15%,此外胎體中還含有少量的Al、Si、Mn,其含量均小于1%。Fe含量較高,可以提高胎體的耐磨性,但Fe的熔點高達1535℃,使得刀頭的燒結溫度提高,金剛石表面容易被侵蝕,從而影響鋸片的切割性能。胎體中氧含量高達16.69%,原因之一是金屬粉末在混合和燒結過程中被氧化,原因之二是金剛石鋸片刀頭長期露置在空氣中而使表面被氧化。胎體中一定的氧含量有利于提高胎體的硬度和強度,而且在一定范圍內有助于燒結,但氧含量過高會加速鋸片切割過程中金剛石的破碎,導致切割效率和切割壽命下降。三個不同區域的測試數據結果表明3#刀頭胎體中金屬粉末分布比較均勻。

表3 3#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結果(wt%)Table 3 The EDS analysis result of 3#diamond segment(wt%)

圖6中,圖(a)為金剛石鋸片刀頭放大300倍時的形貌,從圖中可以看出,金剛石與胎體的結合較緊密,金剛石只出露了一部分,但可以發現金剛石的晶形比較完整,(b)為胎體放大1000倍的形貌,可見胎體燒結比較致密,但較3#的致密情況差一些。

圖6 4#金剛石鋸片刀頭的SEM形貌圖Fig.6 The SEM micrographs of 4#diamond segment

由表4的能譜分析結果可知,4#刀頭的胎體材料中,主要含有Cu、Fe和Zn,其中,Cu含量最高,重量百分比為54.7%,Fe約占13.29%,Zn約占3.44%,此外胎體中還含有少量的 Co、Si、Cr、Sn等金屬,其含量均小于3%,4#刀頭中氧含量較低,約占2.41%,不會影響鋸片的切割效率和壽命,但測試發現胎體中含有大量的C,約占20.15%,可能是由于該配方中,Cu的含量比較高,超過了50%,而且沒有硬質相WC的加入,因此為了提高胎體的耐磨性,在刀頭中加入了大量金剛石微粉。

表4 4#金剛石鋸片刀頭的能譜分析結果(wt%)Table 4 The EDS analysis result of 4#diamond segment(wt%)

參考文獻：

[1] 王秦生,宋誠,左宏森.金剛石鋸片使用性能影響因素系統分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2001(5)：40-44.

[2] 談耀麟.金剛石粒度對金剛石鋸片性能的影響[J].超硬材料工程,2006(1)：10-13.