国内主要厂家金刚石锯片的胎体成分和性能研究(上)①

邓福铭,毛 峰,李 丹,王海梁,邹 波,张 玲

(中国矿业大学(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083)

1 引言

金刚石锯片是各类金刚石制品中用量最大的一类产品。据国内外统计资料估计,目前世界上工业金刚石50%左右用来制造石材加工工具,其中主要又是制造石材锯片[1]。金刚石锯片是应用最广泛的金刚石工具,为了获得金刚石锯片的最大效益,无论是制造厂家还是用户都十分关注金刚石锯片的工作状况,特别是它的锯切率、使用寿命和功率消耗[2]。胎体材料的性能是影响金刚石锯片使用性能的关键因素之一,它的主要作用是牢固把持金刚石,使金刚石在工作过程中,能够与胎体材料同步磨损,保持良好的出刃速度,提高金刚石工具的使用效率。本文通过对国内主要厂家的金刚石锯片刀头进行形貌和成分测试,分析了胎体材料对金刚石锯片性能的影响。

2 试验方法和试验方案

使用性能,分析胎体元素对使用性能的影响。

本实验通过市场调研遴选七种国内主要厂家的金刚石锯片刀头作分析测试对象,分别在S-3400型扫描电子显微镜(SEM)下对其断裂面进行观察分析,并分别在每一刀头不同部位的三个不含金刚石的微区域,采用Link ISIS能谱分析仪(EDS)对刀头胎体成分进行了分析测试,以了解各厂家金刚石锯片刀头的烧结情况和胎体对金刚石的包镶情况。

金刚石锯片的切割实验在工厂进行,在相同的切割条件下对七种不同的锯片做了切割实验,观察实际

3 试验结果与讨论

3.1 各刀头的微观形貌和能谱分析

图1(a)为金刚石刀头在扫描电镜下放大300倍的形貌,黑色部分为金刚石,周围为金属胎体,金刚石晶形比较完整,胎体与金刚石的结合较紧密。(b)为胎体材料放大1000倍的形貌,从图中可以看出,胎体烧结比较致密。

图1 1#金刚石锯片刀头的SEM形貌图Fig.1 The SEM micrographs of 1#diamond segment

图2 1#金刚石锯片刀头的EDS图Fig.2 The EDS graphs of 1#diamond segment

由图2的能谱分析图和表1的能谱分析数据结果可知,1#刀头胎体材料中,主要含有Cu、Fe、W、Zn和Si,其中,Cu的重量百分比约为36.98%,Fe约占6.85%,W约占12.59%,Zn为7.71%,Si为17.34%。从表中可以看出,不同区域的金属元素含量差别较大,W在测试的第一个区域含量为28.08%,而在第三个测试区域仅为0.50%,Fe在不同区域分别为10.37%、6.46%、3.73%,可见,金属粉末在胎体材料中的分布很不均匀,这是由于混料不均匀造成的,这一现象会导致胎体不同位置的耐磨性不同,和对金刚石的把持力有所差别,从而造成金刚石不同程度的脱落,影响锯片的切割性能。

表1 1#金刚石锯片刀头的能谱分析结果(wt%)Table 1 The EDS analysis results of 1#diamond segment(wt%)

图3(a)为放大60倍的刀头形貌,从图中可以看出,该刀头中金刚石浓度较大,结合(b)放大300倍的刀头形貌,可以发现,金刚石的晶形比较完整,属于高品级金刚石,(c)为刀头中胎体材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎体烧结得比较致密,且比较均匀。

图3 2#金刚石锯片刀头的SEM形貌图Fig.3 The SEM micrographs of 2#diamond segment

图4 2#金刚石锯片刀头的EDS图Fig.4 The EDS graphs of 2#diamond segment

图4为2#刀头胎体的能谱图,从图中可以看出,胎体成分主要有Cu、Fe、Co和 Ni,其中,Cu、Fe的含量较高。由表2的能谱分析数据可知,2#刀头的胎体材料中,Cu的重量百分比为45.54%,Fe约占29.08%,Co约占11.92%,Ni约占8.04%。此外胎体中还含有少量的Sn、Al、Si、Mn和O。从表中三个不同区域的测试数据可以看出,2#刀头胎体材料中各种金属粉末的分布比较均匀。

表2 2#金刚石锯片刀头的能谱分析结果(wt%)Table 2 The EDS analysis result of 2#diamond segment(wt%)

图5(a)为金刚石锯片刀头放大300倍时的形貌,从图中可以看出,金刚石与胎体的结合比较紧密,可以判断胎体对金刚石的把持力较大,但金刚石晶形不完整,可能是使用了低品级金刚石,或者是烧结温度太高而使金刚石表面被侵蚀。(b)为胎体材料部分放大1000倍的形貌,可以看出,胎体烧结得比较致密。

图5 3#金刚石锯片刀头的SEM形貌图Fig.5 The SEM micrographs of 3#diamond segment

由表3的能谱分析结果可知,3#刀头的胎体材料中,主要含有Fe、Cu和Co,其中Fe含量最高,重量百分比为49.35%,Cu约占27.12%,Co约占5.15%,此外胎体中还含有少量的Al、Si、Mn,其含量均小于1%。Fe含量较高,可以提高胎体的耐磨性,但Fe的熔点高达1535℃,使得刀头的烧结温度提高,金刚石表面容易被侵蚀,从而影响锯片的切割性能。胎体中氧含量高达16.69%,原因之一是金属粉末在混合和烧结过程中被氧化,原因之二是金刚石锯片刀头长期露置在空气中而使表面被氧化。胎体中一定的氧含量有利于提高胎体的硬度和强度,而且在一定范围内有助于烧结,但氧含量过高会加速锯片切割过程中金刚石的破碎,导致切割效率和切割寿命下降。三个不同区域的测试数据结果表明3#刀头胎体中金属粉末分布比较均匀。

表3 3#金刚石锯片刀头的能谱分析结果(wt%)Table 3 The EDS analysis result of 3#diamond segment(wt%)

图6中,图(a)为金刚石锯片刀头放大300倍时的形貌,从图中可以看出,金刚石与胎体的结合较紧密,金刚石只出露了一部分,但可以发现金刚石的晶形比较完整,(b)为胎体放大1000倍的形貌,可见胎体烧结比较致密,但较3#的致密情况差一些。

图6 4#金刚石锯片刀头的SEM形貌图Fig.6 The SEM micrographs of 4#diamond segment

由表4的能谱分析结果可知,4#刀头的胎体材料中,主要含有Cu、Fe和Zn,其中,Cu含量最高,重量百分比为54.7%,Fe约占13.29%,Zn约占3.44%,此外胎体中还含有少量的 Co、Si、Cr、Sn等金属,其含量均小于3%,4#刀头中氧含量较低,约占2.41%,不会影响锯片的切割效率和寿命,但测试发现胎体中含有大量的C,约占20.15%,可能是由于该配方中,Cu的含量比较高,超过了50%,而且没有硬质相WC的加入,因此为了提高胎体的耐磨性,在刀头中加入了大量金刚石微粉。

表4 4#金刚石锯片刀头的能谱分析结果(wt%)Table 4 The EDS analysis result of 4#diamond segment(wt%)

参考文献：

[1] 王秦生,宋诚,左宏森.金刚石锯片使用性能影响因素系统分析[J].金刚石与磨料磨具工程,2001(5)：40-44.

[2] 谈耀麟.金刚石粒度对金刚石锯片性能的影响[J].超硬材料工程,2006(1)：10-13.