預合金粉末在金剛石繩鋸胎體中的應用

蔣孝明

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西特種礦物材料技術創新中心,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設計的,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,材質細膩,硬度較軟,金剛石繩鋸切割過程中沖擊強度低,串珠胎體磨損小,對結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使用[1],經過五六十年的發展,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],在建筑領域也有較多的應用,在進行拆遷時,應用該項技術能有效降低對原建筑結構的擾動性,從而實現低噪聲、低粉塵拆遷,屬于當前建筑拆遷中的一種綠色環保技術[3-4],對提高資源利用率和保護環境等起到了良好效果。金剛石繩鋸的切割效率、使用壽命、經濟效益等,金剛石串珠是決定因素,金剛石串珠質量的好壞又取決于配方設計(結合劑與金剛石配比)、原材料選擇、工藝匹配等是否合適。目前國內金剛石串珠生產主要采用的熱壓法、自由燒結法,在金剛石繩鋸應用領域越來越廣泛;在加工材料多樣的形勢下,結合劑與金剛石的高效浸潤結合可以更好地體現繩鋸的切割鋒利度、使用壽命。

1 預合金粉末的特點

1.1 預合金粉末的制備方式及使用

多元合金結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品,通常稱作金屬預合金粉末。目前國內常用的預合金粉末基本組元有FeCu、CuSn、FeCuTi、FeCoCu、FeCuSn、FeCuNiSn、FeCuSnP等。預合金粉末的使用比例主要取決于設計配方所要達到的性能要求。大比例應用(超過50%質量分數)為主導型材料,可以有效體現合金粉末與金剛石的浸潤親和力,廉價二元合金制備的預合金粉在達到性能設計要求的同時,還能更好地降低設計產品的成本;小比例應用(低于15%質量分數)為輔助型添加,主要改善單質粉末配方中個別力學性能,比如提高或降低單質粉配方的脆性、硬度、強度等,填補單質粉末與金剛石無法有效結合或金剛石無法出露的短板,一般為高成本預合金粉末。

1.2 結合劑對金剛石的浸潤性

胎體對金剛石的浸潤性即胎體的粘接強度。繩鋸使用環境較惡劣,在75 kW設備上使用時,電流可達110～120 A,張緊力200～300 kN,繩鋸線速度可達27～35 m/s,對串珠胎體沖擊力度相當大,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,因此要求結合劑對金剛石有良好粘接性能。Fe與金剛石反應形成碳化物,所以Fe基結合劑對金剛石具有較強的粘結強度[5],但是由于Fe對金剛石表面具有強烈的刻蝕作用,這會導致金剛石本身的強度降低。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合劑[6],所以在最初的金剛石串珠配方胎體中,Co的質量分數占到80%以上,其良好的紅硬性和燒結穩定性超越了其他單質粉末。在Co基結合劑中加入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金剛石的浸潤性。預合金粉末與金剛石表面也會形成一種不連續的碳化物,其相對Fe、Co燒結溫度更低,可以有效保護金剛石不被強烈刻蝕。

2 預合金結合劑與Co、Fe結合劑使用性能對比

2.1 預合金粉末配方與單質Co、Fe配方力學性能對比

2.1.1 結合劑配方設計

以預合金粉末、單質Co、Fe分別為主導材料,搭配其他液相、中間相、添加相設計配方,金剛石粒度為40/45,制作試驗塊尺寸為30 mm×12 mm×6 mm,配方工藝見表1。

表1 不同主導材料配方工藝

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

2.1.2 各結合劑配方力學性能對比

1#、2#、3#三種配方力學性能見表2。

表2 各配方力學性能

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;抗彎強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;磨耗比E值,根據試驗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 預合金配方與Co、Fe結合劑配方對金剛石侵蝕性對比

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

表3 不同結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,預合金粉末配方Fe的比例較大,但經過合金形式高溫下對金剛石的侵蝕大大降低。金剛石輕微侵蝕失重對金剛石性能影響很小甚至沒有,但侵蝕嚴重造成金剛石失重比例較大,會影響金剛石的晶型棱角,降低金剛石串珠的使用性能。

2.3 預合金配方與Co、Fe結合劑配方使用切割情況對比

將1#、2#、3#配方調整中間相,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#配方產品切割150m2效果圖

圖2 2#配方產品切割150m2效果圖

圖3 3#配方產品切割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,具體使用數據見表4。

表4 1#、2#、3#配方切割桂林紅花崗巖數據

3 結論

預合金粉末應用在金剛石繩鋸串珠胎體配方中,與傳統Co、Fe胎體配方對比出的結論:

(1)高Co基配方對金剛石有很強的結合力,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,價格昂貴。

(2)預合金粉末(FeCoCuSn)配方燒結溫度、壓力降低,工藝更好控制,與金剛石結合力強,相比Fe基對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基產品,合適的預合金粉末配方產品性價比、經濟效益比Co基產品高,但高比例的預合金粉末冷壓成型效果較差,需要根據實際情況作出調整。

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

(4)金剛石繩鋸應用領域廣泛,純Co基配方時代已成過去式,單質Fe價格低廉,但高比例應用使用性能較差,FeCu系列預合金粉末無論從燒結工藝穩定性,使用性能還是價格上都占據優勢,且加工適用面廣,在燒結制品類金剛石工具胎體中的應用日趨成熟。