预合金粉末对金刚石石材锯片性能的影响

张健琼，杨志威，刘一波

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.钢铁研究总院，北京 100081;3.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司,北京 102200)

0 引言

金刚石工具一般由基体、金刚石以及胎体粉末烧结而成，而刀头(金刚石和胎体)是决定金刚石工具质量优劣的一个关键因素。在金刚石工具中金刚石是切削元件，但金刚石能否充分有效地利用起决定性作用的却是胎体。胎体主要有“包镶”金刚石和金刚石“匹配”磨损两个作用。胎体的性能主要取决于胎体的材料,胎体主要有金属[1]、树脂[2-3]和陶瓷[4-6]等，其中金属胎体以优异的综合性能而得到最广泛的应用[7]。

目前国内金刚石工具很多生产厂家还在采用将单质粉末机械混合后再烧结，虽然这对调整胎体整体成分的比例非常方便，但是仍存在非常多的问题，如颗粒较为粗大、粉末表面氧化；而且由于使用的单质粉末的密度和粒度都不相同，致使混料难度加大，一方面为了使成分混合均匀，不断增加混料时间，这就可能造成粉末表面氧化加剧；但减少混料时间又有可能导致混料不充分，影响锯片性能。同时由于胎体中的高熔点金属偏多，为了达到胎体的致密，导致烧结温度高。烧结过程中金刚石易发生石墨化现象；低熔点金属流失，致使胎体成分无法达到预期。因此，拥有烧结温度较低、成分均匀、合金化程度高等优点的预合金粉末，在金刚石工具中也就得到越来越广泛的使用。

预合金粉末是在粉末制备过程前就将各组元制作成合金后再制作成粉，能够得到化学成分完全一致的粉末。相比于单质元素粉末混合，采用预合金粉末，提前将各种单质合金化，按需调整成分，使之符合被加工材料的需求。预合金粉末包含了组成合金的各种金属元素[8]，避免出现比重偏析、低熔点金属先熔、富集、流失等问题[9]。同时可以提高胎体的硬度和致密度[10]。

针对切割石材的激光焊接锯片，我们分别使用单质金属粉末机械混合与使用预合金粉末作为金刚石锯片的胎体原料，采用相同的金刚石，采用加压烧结的工艺制成刀头，而后，激光焊接制成锯片，再切割不同种类的花岗岩，对比其切割性能。

1 实验方法

1.1 实验原材料

锯片胎体成分采用我司常规石材切割胎体成分，包含Fe、Co、Cu、Sn、P。实验中分别使用单质金属粉末(1#胎体)机械混合，预合金粉末与部分其它粉末混合(2#胎体)。预合金粉末使用河南泰和汇金粉体科技有限公司的X6-630预合金粉末。

上述金属粉末指标见表1。

表1 金属粉末技术指标

金刚石使用公司石材通用的金刚石配方，为35/40、40/45、45/50等三种粒度混合使用。

1.2 冷压成型、烧结和焊接

将上述金属粉加入一定量甘油酒精溶液(甘油、酒精比例为1∶4)，放入三维混料机中混料1h～2h。而后，加入金刚石，再在三维混料机中，再次混料1h。之后，在混好的混合粉末中加入一定量的液体制粒剂，混合均匀，放入烘箱中烘干，再过筛得到近球形颗粒。

采用四柱液压机加压，制得冷压生坯，放置加压式烧结炉中进行烧结，烧结工艺见图1。冷却取出，制得刀头半成品，刀头尺寸为10mm×3.2mm×40mm。将刀头和基体使用激光焊接机焊接成锯片，(图2)。经后续处理后用于切割测试。

图1 烧结工艺曲线

图2 切割测试使用锯片

1.3 切割性能测试、刀头金刚石出露程度和微观组织观察

使用推台式切割机，通冷却水，手动切割红色花岗岩和黑色花岗岩，对比切割速度的差异，得出胎体锋利度的差别；测量刀头损耗，计算出锯片寿命，得出胎体寿命的差异。综合锋利度和寿命的试验数据，从而得出胎体性能的差异。

使用光学显微镜观察切割后刀头侧面金刚石出露情况，以此判断胎体对金刚石的把持力。

使用扫描电子显微镜观察刀头断口微观形貌，观察试样微观组织形貌，对比微观组织形貌的差异。

2 结果与讨论

2.1 二种胎体刀头规格和硬度

二种胎体刀头烧结后的规格和硬度如表2。

表2 二种胎体刀头烧结后的规格和硬度

2.2 切割性能测试

使用公司切割测试专用切割设备推台锯(图3)，通冷却水，切割市场上常见的红色花岗岩(图4)和黑色花岗岩(图5)，固定切割材料的规格尺寸。记录切割用时，通过对比切割速度，来判断锯片的锋利度；切割一定刀数后，测量切割前后的锯片直径，得出刀头损耗量，从而计算出锯片的寿命。通过锯片的锋利度和寿命，最终评价胎体的性能优劣。

图3 切割测试专用推台锯

图4 切割测试用红色花岗岩

图5 切割测试用黑色花岗岩

图6和图7分别是2种胎体的锯片切割红色花岗岩和黑色花岗岩的对比数据。切割材料规格为长度600mm，厚度30mm。每种切割材料切割100刀。从切割数据来看，切割红色花岗岩和黑色花岗岩这两种材料，2#胎体的锯片锋利度都要好于1#胎体的锯片,基本都提高10%以上。通过切割前后锯片尺寸的测量，计算出的锯片的寿命对比，也可得出2#胎体锯片的寿命高于1#胎体锯片15%以上。由此说明，使用预合金粉末的胎体性能明显优于单质粉末的胎体。表3是切割测试的详细对比数据。

图6 红色花岗岩对比切割测试

图7 黑色花岗岩对比切割测试

表3 切割对比数据

2.3 刀头金刚石出露程度

图8、图9分别是切割后1#、2#胎体锯片刀头侧面的照片，可以看出2#胎体金刚石出露充分，而1#胎体的金刚石出露明显稍差，且有部分金刚石已经脱落，这说明1#胎体对金刚石的把持力小于2#胎体。因此，导致1#胎体锯片的锋利度和寿命低于2#胎体锯片。

图8 1#胎体锯片切割后刀头侧面照片

图9 2#胎体锯片切割后刀头侧面照片

2.4 胎体形貌分析

图10和图11分别为1#胎体和2#胎体的刀头断口扫描电镜照片，烧结温度840℃。

图10 1#胎体断口扫描电子显微镜照片

图11 2#胎体断口扫描电子显微镜照片

对比图10和图11，虽然胎体的成分配比相同，烧结温度也相同，但微观的组织完全不同。1#胎体的微观组织比较粗糙，颗粒很大，而且不均匀，同时有较多的孔隙。而2#胎体断口微观组织比较均匀，颗粒很小，而且孔隙明显比单质粉末的胎体少。这些都是由于预合金粉末中各元素已经充分混合、合金化，每个颗粒成分均匀。从而在烧结过程中均匀分布，胎体内出现的液相能够均匀、及时的分布到胎体的孔隙中，以此实现胎体的致密化和减少孔隙的出现。另一方面，由于预合金粉末的熔点也比单质金属粉末低，在烧结过程中，更容易形成液相，去填充孔隙，减少孔隙数量。因此，在这两方面的作用下，相同的烧结温度，预合金粉末比单质粉末更容易获得均匀一致且致密的胎体，从而获得更好的性能。

正因为预合金粉末的2#胎体致密度高，因此，其对金刚石的把持力就相对较高，金刚石出露好，这在切割后刀头侧面的照片也可以看出，从而锯片的锋利度和寿命就好。而单质粉末的1#胎体孔隙多，致密度不够，因此，胎体对金刚石的把持力相对较低，金刚石无法充分出露，或者在金刚石出露不足时就已脱落，从而导致锯片寿命和锋利度下降。

3 结论

(1)使用推台锯切割红色花岗岩和黑色花岗岩这两种材料，使用预合金的胎体的锯片锋利度和寿命都要好于单质粉末胎体的锯片,基本都提高10%～15%。使用预合金粉末的胎体性能明显优于单质粉末的胎体。

(2)切割后锯片的金刚石出露情况不同。预合金粉末胎体金刚石出露充分，单质粉末胎体金刚石出露相对较差，且有部分金刚石已经脱落，这说明预合金粉末胎体对金刚石的把持力好于单质粉末胎体。

(3)在成分相同的胎体，烧结温度相同的条件下，微观的组织完全不同。使用预合金的胎体致密度和颗粒明显好于使用单质粉末的胎体。