两种冲击韧性检测仪的检测范围研究

刘乾坤，张风岭，王志涛，刘善跃，赵 鑫，戚燕杰，李明辉，李世超，王忠孝，张玉红

(豫西集团中南钻石有限公司，河南 南阳 473264)

众所周知，金刚石强度对金刚石工具性能的影响起着至关重要的作用。金刚石强度的检测是利用冲击韧性测试仪，将规定量的试样和一粒特定规格的钢球装入规定的试样管中，按一定的频率和次数进行冲击后，用规定的条件进行筛分称重，以筛上物的质量占试样原始质量的百分率表示未破碎率，用一定数量未破碎率的算术平均值表征试样的冲击韧性值。不同的检测技术将会造成不同的检测强度值[1]。

在金刚石的锯切应用中，冲击韧性是表征超硬磨料的重要指标之一[2]。当前，在国内的行业范围内，由于不同金刚石制造厂家的产品品级划分自成一体，相互之间无法完全一一对应，因此，金刚石性能的相互比对依然需要进行冲击韧性实验来验证。国内外同行业中使用较多的两种金刚石冲击韧性检测设备是摇臂式冲击韧性检测仪和活塞式冲击韧性检测仪。

为比较金刚石样品的强度，对样品冲击破碎试验时，大多数厂家采用未破碎率来表征钢厂的冲击韧性，该操作减少了操作次数，比较简单[3-4]。考虑到金刚石颗粒的分布特性，以50%未破碎率进行冲击韧性检测仪的表征是较为可信的比较方法。

从原理上看，冲击韧性检测设备本质上都是为冲击管内的金刚石和钢球相互碰撞提供循环往复的动力源，从而达到模拟金刚石在锯切过程中的受力状态的目的。但是，由于不同设备的机械结构和动力参数等因素的不同导致两种设备在检测范围方面存在一定的差异。本文通过以中南钻石有限公司的系列金刚石产品为样品，以50%破碎率为目标值，对比普遍使用的摇臂式冲击韧性检测仪和活塞式冲击韧性检测仪，分析两种设备的差异性。

1 实验

1.1 实验设备

深圳市瑞诚杰科技有限公司TI-03B冲击韧性检测仪(摇臂式)，德国弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4冲击韧性检测仪(活塞式)，中国航空工业第五四零厂Φ75mm精密电成型检查筛，新乡市华兴振华振筛机厂BP-2001型拍击式筛分试验机，德国梅特勒XS204分析天平，长春泰衡仪器仪表有限公司毛发式温度湿度检测仪

1.2 实验样品

20/25粒度-325/400粒度中南钻石有限公司的D10、D15、D20、D30、D40、D60、D80、D90系列金刚石。

表1 两种冲击韧性检测仪主要参数对比Table 1 Comparison of main parameters of two impact toughness testers

1.3 实验方法

样品的称量方法：按照表2的取样量方法进行取样。

表2 取样量Table 2 Sampling weight

样品的冲击方法是以冲击韧性检测设备的单次最大冲击次数作为样品的冲击次数，其中深圳市瑞诚杰科技有限公司TI-03B冲击韧性检测仪(摇臂式)的单次最大冲击次数为9999次，德国弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4-RE.TEK.冲击韧性检测仪(活塞式)的最大冲击次数为7000次。考虑到多次冲击涉及冲击次数分配和冲击间隔时间多种影响因素,本次试验中若某一粒度某一品级的金刚石在最大冲击次数的情况下其未破碎比例大于50%，则不再进行该粒度更高品级的金刚石冲击韧性检测实验。冲击频率国内的摇臂式设备按照国家标准的2400次/分钟；国外的活塞式设备按照设备既定的频率，选择”STONE”档进行冲击。

样品的筛分方法：对于粒度为20/25、20/30或25/30的试样，应将每六份冲击后的试样合并筛分；对于粒度为25/35、30/35、30/40或35/40的试样，应将每四份冲击后的试样合并筛分；对于粒度为35/45、40/45、40/50、45/50或45/60的试样或标准样品，应将每两份冲击后的试样合并筛分；50/60及以细粒度的试样和标准样品，每一份试样冲击后单独筛分[5]。选用较原试样粒度号细一号的下检查筛进行筛分，筛分时间为3 min。

2 实验结果与分析

由于不同粒度相同品级的金刚石试样，随着粒度的变细，相应品级的未破碎率值逐渐升高。因此，只需要找出边界值，即冲击次数为设备单次最高限定设定次数，未破碎率值在50%附近时所对应的品级，即可判断出比此粒度偏粗的试样单次冲击也能达到50%未破碎率，比此粒度偏细的试样单次冲击不能实现50%未破碎率。由此确定冲击韧性检测仪在该品级所能够检测未破碎率值不超过50%的品级范围。试验结果见表3和表4，表中数据“√”表示该品级试样单次冲击可实现50%左右的未破碎率，空白区域表示该品级试样单次冲击不能实现未破碎率为50%左右。

需要指出的是，正常情况下，随着试样粒度变细，相同质量的金刚石颗粒数增多，可实现50%未破碎率的品级数会变少。表4中80/100粒度实现未破碎率为50%左右的品级数比70/80粒度增加的原因是由于根据国家标准GB/T33144-2016《超硬磨料冲击韧性测定方法》,80/100及以细粒度的取样量为0.2g，而80/100以粗粒度的金刚石样品的取样量为0.4g，由于取样量的变少导致实现未破碎率为50%的品级数增加；表3中由于摇臂式冲击韧性检测仪中钢球的冲击破碎能量较高，所以并未出现表4的分界现象。

表3 摇臂式冲击韧性检测仪半破碎率数据Table 3 Half-breaking rate data of rocker-type impact toughness tester

表4 活塞式冲击韧性检测仪半破碎率数据Table 4 Half-breaking rate data of piston impact toughness tester

通过对比表3和表4中的数据，考虑到样品及设备的波动性对检测值结果的影响，以检测值小于51%作为判定能够实现50%未破碎率的标准。经统计，摇臂式冲击韧性检测仪中能够实现50%半破碎率的品级数量为136；活塞式冲击韧性检测仪能够实现50%半破碎率的品级数量为75。因此，在表3和表4所示的粒度和品级范围内，摇臂式冲击韧性检测仪能实现50%未破碎率检测的品级比例为94%，活塞式冲击韧性检测仪能实现50%未破碎率检测的品级比例为52%。

另一方面，从表1中的参数对比中也可以看出，虽然活塞式冲击韧性检测仪的振幅是摇臂式的225%，但是，由于活塞式的最高频率和最大次数分别是摇臂式的47%和70%，导致活塞式的最大冲击能量低于摇臂式。

3 结语

本文通过以中南钻石有限公司的产品为试样，对比国内外两种常用的不同机械结构的冲击韧性检测仪的半破碎率范围。摇臂式冲击韧性检测仪可实现50%未破碎率测试的品级比例为94%，活塞式冲击韧性检测仪可实现50%未破碎率测试的品级比例为52%。在半破碎率检测范围方面，以摇臂式冲击韧性检测仪的检测范围更加广泛。