金屬結合劑金剛石工具的胎體組織結構與力學性能設計

孫雙雙,張洪喜, 喬翠婭, 馮海洲,董書山

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室，吉林 長春 130012;2.秦皇島市雅豪新材料科技有限公司，河北 秦皇島 066206)

1 前言

我國是超硬材料及制品大國，石材加工是超硬制品消費量最大的應用領域。圓盤鋸與繩鋸是石材荒料加工制板的主要加工工具，而低成本的鐵基胎體是超硬制品發展的主旋律。鋒利度是金剛石制品的首要性能指標，而鐵基胎體的最大優勢是成本低，最大的問題是鋒利度調整難度大。胎體對金剛石的把持力及其與金剛石相適配的磨損性是金剛石工具的兩個關鍵因素，把持力與磨損性的和諧統一，是金剛石制品的設計與制造核心，與材料選擇、配方設計、工藝管控等諸多因素有關，涉及胎體的燒結致密度、強度、硬度、磨損性、潤濕性、紅硬性等眾多性能指標[1-4]，而制品的應用性能則是這眾多因素的集成體現，任何一個因素的變化，都可能對刀頭的性能產生影響，因而加大了制品的設計、生產、管理難度，對產品的質量穩定性造成極大影響。在看似紛繁復雜的影響因素之下，最終決定刀頭性能的因素可簡單歸結為4個字——組織性能。因而，如何調控刀頭的組織性能是刀頭的設計與制備關鍵。目前，多數制品廠家依然采用經驗型的“試驗堆砌”開發方式，只是對試驗結果進行經驗型的分析判斷來調整配方，囿于經驗的豐富程度及正確與否，往往難以對試驗結果得出準確的分析判斷，抓不住開發關鍵技術要點，因而也就難以開發出符合需求的配方體系，常常陷于往復無益的重復試驗循環之中，經常導致無功而返，甚至前功盡棄的結果。究其原因，是這種“經驗堆砌”的開發方式，缺乏對影響工具性能關鍵要素的深入理解，無法對關鍵性能指標進行明確化、定量化與歸一化，因而，也就無法從把控關鍵技術的角度出發來進行產品開發。換言之，只有全面、深入地掌握基礎理論，并將理論與實踐經驗相結合，真正做到理論聯系實際，從紛亂繁雜的試驗表象中凝結提煉出關鍵影響因素，并對之實施量化分析與調控，使產品設計從半定量的“經驗型”轉化為對關鍵要素的“定量化”設計與調控，才能真正掌握設計核心與調控手段，開發出符合設計需求的產品，保證批量生產的質量穩定性。簡單說，如何獲取可定量化控制的組織性能，是超硬制品的設計核心。本文從組織性能的調控角度出發，通過控制燒結組織的致密化、晶粒度、潤濕性、強度、硬度等性能指標，設計開發花崗巖圓盤鋸刀頭，以揭示組織性能對工具使用性能的影響與功效。

2 實驗方案

實驗目的是獲取高性價比的Fe基花崗巖大刀頭。以Fe-Cu合金體系為主，通過控制胎體的合金化程度、晶粒度、強度、硬度及潤濕性等性能指標，調控冶金因素(配方設計)及工藝因素(工藝設計)來獲取組織晶粒細化的高致密度、高強度及高潤濕性的胎體組織結構。以提高金剛石的“有效利用率”為核心，以設計強度為主要考量指標，在確保胎體對金剛石具有良好把持力的同時，再通過調控物相組配及組織晶粒度來調整磨損性，從而實現關鍵要素——金剛石把持力與胎體磨損性的合理匹配，以達到鋒利度與壽命間的良好適配。

采用秦皇島雅豪公司的3種細顆粒水霧化預合金粉末：YA412(Fe-Cu-Ni-Sn系，-400目)、FeCu30(-400目)、超細CuSn15(激光中位徑粒度D50:7-10μm)及單質Sn粉(-300目)進行組合應用，調整組合比例見表1：

表1 試驗配方成分體系

在上述組分范圍內，通過優化試驗，不加金剛石，在820℃～900℃溫度范圍內進行燒結試驗，燒結制備30 mm×12 mm×6 mm的抗彎試樣，燒結壓力為250 MPa。測試試樣的燒結致密度、抗彎強度及硬度，從試驗結果中選取致密度>99%、抗彎強度>1300 MPa、硬度在HRB95-108的成分組配，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析斷口組織，分析晶粒度。

對篩選后的配方，加入體積濃度為10%的40/45粒度金剛石，在確定的溫度下進行燒結，從中再次選擇致密度>98.5%、抗彎強度>1040 MPa、硬度>HRB95的配方體系。考量重點為加入金剛石后，試樣的抗彎強度下降值<20%，以保證胎體對金剛石具有足夠的把持力，由此，確定刀頭的配方組分(見表2)。

表2 優化試驗所確定的刀頭配方

采用優化配方制備13片組的組鋸刀頭，在石材加工廠運行測試刀頭的實際性能狀態。

3 結果分析

金剛石工具的核心是有效發揮金剛石磨粒的功能，因而，胎體對金剛石的把持力是第一要素；其次，胎體與金剛石間的磨損適配性是保持鋒利度的重要保障。提高胎體對金剛石把持力的有效途徑：一是采取鍍覆金剛石的“金剛石界面化學鍵合+胎體機械卡固”的方式；二是采用簡單的非鍍覆金剛石的“胎體機械卡固”方式；三是采取調控胎體組分活性而在燒結過程中實現非鍍覆金剛石的“界面反應鍵合+胎體機械卡固”的方式。無論采取何種方式，都離不開“胎體機械卡固”的作用，而胎體的機械卡固能力則取決于胎體的組織性能。

Fe基金屬結合劑是現今及今后的主導體系，主要以單質Fe粉及Fe-Cu合金為主。Fe基刀頭的性能及批量化生產過程中的質量穩定性波動性較大，主要與粉末原材料質量及與之相配套的制備工藝有關，可體現在對刀頭的機械性能的影響——對刀頭的燒結致密度、強度、硬度、磨損性及潤濕性等方面的影響。刀頭的機械性能是由燒結體的組織性能所決定的，因而，如何設計、控制胎體的組織結構與性能，是金屬結合劑金剛石工具的技術關鍵，只有深入了解胎體的微觀組織結構與機械性能間的關聯，才能從根本上掌握產品的設計核心。

材料與工藝是配方設計的基礎，若要獲取高性能的胎體組織，首先需要準確選材，然后再根據材料的特性，合理設計制備工藝，這才能保障材料特性的充分發揮。

選材需要考慮的因素是：成分、性能、粒度、氧含量及價格因素等；配方設計，即材料組合，以功能調控為主要參考，需要考慮性能、粒度、燒結活性等方面的匹配。在材料性能選擇上，本文重點以強化胎體對金剛石的機械把持力為核心，主料選擇較高強度的細顆粒預合金粉末組合；含低熔點組分的促進致密相以超細CuSn15為主，輔以少量的單質Sn粉，以便促進燒結過程中的液-固致密化，并使燒結工藝簡便易控。胎體的磨損性則依靠合金化程度、物相結構及晶粒度的控制來進行調控。在工藝設置方面則是以不同物料間在升溫過程中物相結構及力學性能的變化為主要考量因素，特別是重點控制在設計強度下的胎體組織晶粒度，以獲取軟-硬相間布的組織結構，調配適宜的磨損性，保證鋒利度。本文選擇以通用的細粒度水霧化FeCu30為基礎相；以可調配合金化能力、致密度、強度及潤濕性的Fe-Cu-Ni-Sn合金體系的YA412為強度調整相；以超細CuSn15輔以單質Sn粉為促進合金化與致密化的燒結液相及脆性調節相。圖1為FeCu30的燒結致密度隨溫度的變化曲線，圖2為其抗彎強度與硬度隨溫度的變化曲線。

圖2 FeCu30燒結樣塊的抗彎強度與硬度隨溫度的變化曲線Fig.2 The curve of bending strength and hardness changed with the temperature of sintering FeCu30 sample

從圖中可以看出，在830℃～910℃的較寬溫度范圍內，FeCu30的抗彎強度均不高于1400 MPa，所以當其與其它的單質Fe、Cu、Sn、Zn等粉末和金剛石一同燒結后，配方的燒結強度會大幅度下降30%～50%，甚至更多。由于胎體強度的大幅度降低，會大大削弱胎體對金剛石的把持力，降低金剛石的有效利用率，從而惡化刀頭鋒利度與使用壽命。

當采用高溫燒結強度較高的YA412作為強化相與FeCu30配合使用后，配方的燒結強度會大幅度穩定提高，可極大地增強胎體對金剛石的有效把持力。表3為YA412的主要成分，圖3及圖4分別是YA412的燒結致密度、抗彎強度與硬度隨溫度的變化曲線。

表3 YA412的主要成分

圖3 YA412的燒結致密度隨溫度變化曲線Fig.3 The curve of the density changed with the temperature of sintering YA412 sample

圖4 YA412的燒結強度與硬度隨溫度變化曲線Fig.4 The curve of the bending strength and hardness changed with the temperature of sintering YA412 sample

按表2的配方進行燒結，加入10%體積濃度金剛石試樣的燒結致密度>98.5%，抗彎強度為1200 MPa左右，達到了設計要求，可大幅度增強胎體對金剛石的把持力；胎體硬度可達HRB96-103，具有良好的耐磨性。圖5為刀頭胎體對金剛石的包鑲狀態，圖6為金剛石脫落坑狀態。

從圖5及圖6可以看出，胎體對金剛石的包鑲良好，金剛石脫落坑呈“麻面”狀態，此麻面系鍍覆金剛石表面形成凸起化學鍵合物并粘附胎體組分后所形成的。由此可見，胎體對金剛石實現了“化學鍵合+機械卡固”的雙重把持，可有效提高金剛石的利用率，并以此實現工具壽命的保障，而非單純依靠增加胎體的耐磨性來提高壽命。致密、細膩、高強度的組織結構是保障胎體機械性能的基礎要素，圖7及圖8是胎體組織結構特征的SEM形貌，圖中可見胎體呈細密的網紋結構，組織晶粒邊界清晰，亦即細顆粒粉末間未形成大面積的燒結重結晶長大，由此，既可以保證胎體具有足夠的強度，又可以調整胎體的磨損性，使之與金剛石的磨損相匹配；同時，組織斷口在宏觀上呈現脆性斷裂特征，而在微觀區域則呈現出具有一定韌性的致密亞結構，這是胎體組織既可保持足夠的強度及把持力，又具備合適磨損特性的組織特征。在實現了胎體組織結構及機械性能設計要求后，通過調配金剛石的粒度、強度及濃度，即可有針對性的設計生產適應不同石材及工況條件要求的刀頭，使鋒利度與壽命間達到合理的匹配，滿足實際應用的需求。

圖5 胎體對金剛石的包鑲SEM形貌Fig.5 The SEM morphology of the impregnated diamond

圖6 金剛石脫落坑SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of the pit of drop-off diamond

圖7 胎體的低倍組織SEM形貌Fig.7 The SEM morphology of the matrix under 500 times magnification

圖8 胎體的高倍組織SEM形貌Fig.8 The SEM morphology of the matrix under 2000 times magnification

按設計方案生產制備13片組的花崗巖圓盤鋸，切割莫氏硬度在7～8級的硬質花崗巖，在滿足用戶鋒利度要求的條件下，刀頭的壽命超過1.8m2/粒，整體切割過程順暢平穩，切板質量良好，可較好地滿足用戶需求。圖9與圖10分別是刀頭切割工作刃面及側面的金剛石出刃狀態，金剛石把持狀態較好，具有合適的出刃高度。

4 結論

(1)金屬結合劑金剛石工具的性能主要取決于胎體的組織性能，獲取高致密度、高強度、高潤濕性及合適磨損性的組織結構是工具設計的技術要素。

(2)以組織性能為設計核心，通過調控組織結構及機械性能指標來獲取具有合適綜合性能的胎體，可以擺脫傳統的“經驗型”設計習慣，實現工具的“定量化”設計，實施設計指標的有的放矢，大幅度提高設計水準。

(3)采用細顆粒的合金粉末組合，并配以與粉末特性相適應的燒結工藝，可以獲得具有高強度、高把持力、磨損性合適的胎體組織，可顯著提高生產質量的穩定性，滿足實際工況需求。

(4)金剛石工具的使用壽命應首先以提高金剛石的有效利用率為先決條件，據此開展配方及工藝設計，而非依靠增加金剛石濃度或胎體的磨損性來提高壽命，由此可減少金剛石用量，顯著降低生產成本，實現產品的高性價比設計。

圖9 刀頭切割刃面金剛石出刃狀態Fig.9 The exposed diamond grit on the blade cutting surface

圖10 刀頭側面金剛石出刃狀態Fig.10 The exposed diamond grit on the blade side surface