鍍層、稀土元素對(duì)切割性能的影響

創(chuàng)新者：楊紹榮 應(yīng)鴻烈 黃文勝

鍍層、稀土元素對(duì)切割性能的影響

創(chuàng)新者：楊紹榮 應(yīng)鴻烈 黃文勝

分析了鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)的切割機(jī)理和切割效率。金剛石鍍層使金剛石表面金屬化，改善浸潤(rùn)性，鍍層金剛石和結(jié)合劑之間形成極強(qiáng)的化學(xué)和機(jī)械粘接，能提高胎體對(duì)金剛石的把持力。通過(guò)在金剛石節(jié)塊中添加稀土元素，觀察其力學(xué)性能的變化并進(jìn)行分析，探討稀土元素對(duì)金剛石節(jié)塊力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明稀土元素對(duì)金剛石節(jié)塊抗彎強(qiáng)度的影響較為顯著，同時(shí)可以加強(qiáng)金剛石與周圍胎體的結(jié)合狀況，提高胎體對(duì)金剛石的把持力。研究成果將有助于促進(jìn)稀土、金剛石鍍層在金剛石工具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

鋼筋混凝土廣泛應(yīng)用于建筑、裝潢、道路、橋梁、管道等行業(yè)。隨著鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用，對(duì)它的切割也逐漸發(fā)展成為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。二十世紀(jì)九十年代中期，美國(guó)Stanley公司率先將鏈鋸技術(shù)引入到鋼筋混凝土切割，成功研發(fā)了鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)，較好地解決了深度切割、尖角切割、不規(guī)則形狀切割等問(wèn)題。隨后美國(guó)ICS公司研發(fā)了汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的便攜式鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)。2000年起我國(guó)開(kāi)始進(jìn)口鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)。2007年金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院與合作單位（浙江三鋒工具制造有限公司、浙江神超鋸業(yè)有限公司等）通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，在國(guó)內(nèi)率先研發(fā)出鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)，2013年對(duì)金剛石鋸鏈進(jìn)行新一輪的研發(fā)。

本文以金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院與合作單位共同開(kāi)發(fā)的鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行鏈鋸切割機(jī)的切割機(jī)理研究與切割性能分析。

鏈鋸切割機(jī)的切磨機(jī)理

鏈鋸切割機(jī)的組成及工作原理

鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)主要由汽油機(jī)、離合器、鏈輪、導(dǎo)板、導(dǎo)板調(diào)整裝置和金剛石鋸鏈組成（圖1）。金剛石鋸鏈的每一個(gè)鏈節(jié)上均焊接一塊金剛石刀頭（金剛石節(jié)塊）。作業(yè)時(shí)金剛石鋸鏈在導(dǎo)板上高速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割。

金剛石刀頭切磨機(jī)理

如圖2，設(shè)金剛石顆粒以速度V轉(zhuǎn)動(dòng)并隨著主軸壓向鋼筋混凝土進(jìn)行切割，那么金剛石顆粒作用于鋼筋混凝土的力可分解為：在金剛石顆粒切削方向的前方，金剛石顆粒對(duì)被切材料顆粒產(chǎn)生切向力（即圖2中F切向）并發(fā)生剪切作用，材料被破碎，形成主切屑，并被崩出和擠出切削區(qū)；在金剛石顆粒下方，由于法向力（即圖2中F壓向）作用以及溫度影響，材料產(chǎn)生塑性變形而形成二次切屑，在一定的薄層內(nèi)形成光滑表面；在金剛石顆粒后方，由于突然的彈性應(yīng)力釋放，導(dǎo)致較大切屑的形成。由此可見(jiàn)，在切削力的綜合作用下，首先在混凝土內(nèi)部形成微裂紋，隨著切削力的增加，裂紋延伸擴(kuò)展，并相互連同成為宏觀裂紋，隨著裂紋的不斷積累，導(dǎo)致混凝土的脆性斷裂。

圖1　鏈鋸切割機(jī)

圖2　金剛石切割受力分析

金剛石磨損

通過(guò)顯微鏡觀察金剛石刀頭切割鋼筋混凝土?xí)r金剛石顆粒的磨損形貌，可將金剛石顆粒磨損的形態(tài)分為“完整顆粒”、“出刃”、“微破碎”、“大塊破碎”、“磨平”、“磨鈍”、“破碎”、“脫落”等形式。在這些形式中，金剛石顆粒“脫落”，表明該顆粒已經(jīng)離開(kāi)母體，完全失去切割能力；金剛石顆粒“磨鈍”，表明該顆粒此時(shí)已經(jīng)幾乎完全喪失切割能力（暫時(shí)）；金剛石顆粒“磨平”，該顆粒和胎體處于同一水平線上，不易于進(jìn)入被切割材料內(nèi)，切割能力差；金剛石顆粒“大塊破碎”，表明該顆粒損失嚴(yán)重；金剛石顆粒“完整顆粒”，表明該顆粒還沒(méi)有任何損失，正等待發(fā)揮作用；金剛石顆粒“出刃”或“微破碎”最為理想。

造成金剛石磨損的原因有兩：一是金剛石顆粒與工件材料的相互沖擊，二是金剛石顆粒切除工件材料時(shí)所受的直接機(jī)械力。切削過(guò)程中，切割工具在高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，金剛石顆粒與工件間的沖擊是磨損的主要原因；隨著轉(zhuǎn)速的降低，沖擊影響降低，作用在金剛石顆粒上的機(jī)械力增加，從而使金剛石顆粒磨損。節(jié)塊胎體材料的磨損是由于切割時(shí)產(chǎn)生的切屑與胎體材料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)胎體材料的研磨而造成的磨粒磨損。

切割效率分析

切削力

在金剛石鋸鏈切割過(guò)程中，切削力是一個(gè)非常重要的參數(shù)，切削力反映了金剛石鋸鏈在切割過(guò)程中所受的載荷，影響著金剛石鋸鏈的磨損，還決定了切割效率。單顆粒金剛石切割鋼筋混凝土?xí)r切削力隨切深的增加而增大；當(dāng)切速增加時(shí)，切削力減小，總體上切削力變化不大；法向力與切向力之比值隨切削面積的增加而增大，但在切削成分性質(zhì)相差較大的混凝土?xí)r基本上不隨切削面積的變化而變化。

胎體指的是燒結(jié)后的結(jié)合劑。從上面分析知，金剛石顆粒“出刃”或“微破碎”最為理想，為達(dá)到此效果，胎體必須具備的特性是一方面對(duì)金剛石顆粒有足夠的把持力，另一方面能和金剛石顆粒發(fā)生同步磨損。這就需要金剛石刀頭有很合理的配方和相應(yīng)的工藝。

節(jié)塊配方

通過(guò)對(duì)國(guó)外進(jìn)口的金剛石刀頭的剖析研究，得到了一個(gè)結(jié)合劑配方（表1）。

表1　金剛石刀頭結(jié)合劑配方

節(jié)塊配方對(duì)切削力有很大的影響，切割水泥混凝土?xí)r，高鈷含量的節(jié)塊切削力比低鈷含量節(jié)塊要小，而在切割鋼纖維和鋼絲網(wǎng)等帶鋼材料摻和物的混凝土?xí)r，降低鈷含量，增加鎳等含量可減小切削力。

切割效率

金剛石鋸鏈由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家少且多為小廠，研發(fā)能力不足，產(chǎn)品性能差且不穩(wěn)定，無(wú)法滿足用戶的較高要求，國(guó)內(nèi)金剛石鋸鏈主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在（1）金剛石刀頭部分破碎、整體破碎、整體脫落現(xiàn)象嚴(yán)重；（2）金剛石刀頭內(nèi)金剛石顆粒過(guò)早脫落現(xiàn)象嚴(yán)重（金剛石顆粒不能與胎體保持同步磨損，金剛石顆粒脫落情況比金剛石顆粒正常磨損及金剛石顆粒破碎現(xiàn)象嚴(yán)重）；（3）金剛石鋸鏈的切割性能（鋒利性、耐磨性等）不能滿足鋼筋混凝土高效切割之要求等。由于鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)尤其適合在救災(zāi)救險(xiǎn)救難中應(yīng)用，因此“高效”切割是首要指標(biāo)。從鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)切割試驗(yàn)得知，機(jī)器的切割效率主要取決于金剛石鋸鏈的質(zhì)量，亦即主要取決于金剛石刀頭的質(zhì)量，而金剛石刀頭的質(zhì)量主要體現(xiàn)在兩方面，一是金剛石顆粒脫落的情況，一是金剛石顆粒的鋒利程度。前者與金剛石顆粒是否有鍍層、鍍層質(zhì)量、鍍層膜厚等密切相關(guān)，后者在相同的金剛石品級(jí)、規(guī)格、濃度和燒結(jié)工藝下與胎體性能息息相關(guān)。

鍍層對(duì)金剛石力學(xué)性能的影響

金剛石刀頭內(nèi)金剛石顆粒過(guò)早脫落主要原因有二：一是胎體性能，主要是胎體磨損過(guò)快；一是金剛石顆粒與胎體之間的結(jié)合力不足。

金剛石屬于非金屬，與金屬?zèng)]有很好的親和力，與一般金屬或合金間有很高的界面能。當(dāng)金剛石與金屬基體黏合時(shí)很難完全黏合在一起，從而導(dǎo)致金剛石顆粒與胎體之間的結(jié)合力弱，當(dāng)金剛石刀頭切割工件材料時(shí)，金剛石顆粒由于和工件材料之間發(fā)生劇烈沖擊碰撞而容易過(guò)早脫落，從而影響金剛石顆粒切割能力的充分發(fā)揮。金剛石表面金屬化（鍍層）就是通過(guò)物理或化學(xué)方法鍍覆某些元素如Ti、W、Cr、V等。這些金屬或合金在高溫下（即在刀頭燒結(jié)過(guò)程中）與金剛石表面碳原子發(fā)生界面反應(yīng)，生成穩(wěn)定的碳化物。碳化物一方面與金剛石有較好的化學(xué)鍵合，另一方面又具有防護(hù)作用，隔絕與氧的直接接觸，防止金剛石高溫時(shí)被氧化，從而改善金剛石顆粒的力學(xué)性能和工藝性能。鍍層改善浸潤(rùn)性，使金剛石和結(jié)合劑之間形成極強(qiáng)的化學(xué)和機(jī)械粘接，增加把持力，增加出刃高度，減少脫落。實(shí)驗(yàn)表明，鍍層金剛石、未鍍層金剛石在相同工藝條件下分別燒結(jié)成刀頭，將它們的切割情況進(jìn)行比較可知，鍍層金剛石完好率大大提高，小塊破碎率也有很大提高，脫落率大大減低，而大塊破碎和磨平情況變化不大（圖3）。

稀土元素對(duì)胎體性能的影響

圖3　金剛石鍍層的作用

金剛石刀頭整體脫落主要原因有二：一是焊接工藝，這一原因通過(guò)采用激光焊接比較容易解決；一是胎體性能。

胎體性能主要的要求有：（1）胎體不能太軟，切割時(shí)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和抗沖擊性能，否則胎體磨損過(guò)快，導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落；（2）胎體不能太硬，否則胎體磨損過(guò)緩，導(dǎo)致金剛石顆粒不容易出現(xiàn)“出刃”或“微破碎”，于是切割效率低；（3）各金屬元素要有較好的浸潤(rùn)性和互容性，胎體把持力要強(qiáng)，否則也會(huì)導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落；（4）胎體硬度、耐磨性等要與被切割的鋼筋混凝土的硬度和耐磨性相適應(yīng)。

在金屬結(jié)合劑中添加少量稀土元素可以細(xì)化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，從而改善結(jié)合劑與金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，提高胎體性能。

稀土元素對(duì)無(wú)金剛石胎體性能的影響

表2給出的是在胎體中添加稀土元素（鈰）對(duì)不含金剛石的胎體的抗彎強(qiáng)度、硬度和磨損性能產(chǎn)生影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2　稀土元素（Ce）對(duì)胎體（不含金剛石）性能的影響

從表2可知隨著鈰含量的增加對(duì)胎體硬度的影響不明顯，但有一個(gè)緩慢上升的趨勢(shì)；胎體的抗彎強(qiáng)度在隨著鈰含量的不斷增加過(guò)程中卻出現(xiàn)了一個(gè)最大值，從圖4可以清楚看出這是一條有極大值的曲線，并且鈰含量為0.9％wt時(shí)達(dá)到最大；從圖5可知磨損失重隨鈰含量的增加而緩慢增加，這表明隨著鈰含量的增加胎體的耐磨性逐漸降低。

稀土元素對(duì)金剛石胎體性能的影響

表3的測(cè)試數(shù)據(jù)給出了不同鈰含量對(duì)含金剛石胎體性能的影響。

表3　稀土元素（Ce）對(duì)胎體（含金剛石）性能的影響

從表3可知，鈰含量從0到0.9％wt增加時(shí)，對(duì)抗彎強(qiáng)度和金剛石出刃高度的影響都是單調(diào)上升的，但對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響比較劇烈、對(duì)金剛石出刃高度的影響比較平緩；磨損失重隨鈰含量的增加而增加（鈰含量從0.3％wt開(kāi)始），這表明隨著鈰含量的增加胎體的耐磨性也有降低的趨勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

（1）鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)在鋼筋混凝土切割上因有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。

圖4　鈰對(duì)胎體（不含金剛石）抗拉強(qiáng)度的影響

圖5　鈰對(duì)胎體（不含金剛石）磨損性能的影響

（2）鍍層金剛石和結(jié)合劑之間形成極強(qiáng)的化學(xué)和機(jī)械粘接，減少了金剛石顆粒的脫落，金剛石完好率大大提高，小塊破碎率也有很大提高，這既提高了切割效率，也確保金剛石鋸鏈的使用壽命，同時(shí)降低使用成本。

（3）加入稀土元素可以明顯改善胎體性能，改變胎體的抗彎強(qiáng)度和硬度，提高金剛石顆粒的出刃高度，提高鋼筋混凝土鏈鋸切割機(jī)的切割速度、切割指數(shù)和切割效率。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.023