新型銅基結(jié)合劑金剛石鋸片組織和性能的研究

吳　穎，蒲　飛，張小安，楊　峰（四川文理學院 .物理與機電工程學院；.國有資產(chǎn)管理處，四川 達州 635000）

新型銅基結(jié)合劑金剛石鋸片組織和性能的研究

吳穎a，蒲飛a，張小安a，楊峰b
（四川文理學院 a.物理與機電工程學院；b.國有資產(chǎn)管理處，四川 達州 635000）

在新型銅基結(jié)合劑CSF中加入不同粉末，采用真空熱壓法和激光焊接法制成金剛石鋸片，通過切削試驗測定其切削性能，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察其顯微組織。結(jié)果表明，由CSF燒結(jié)的金剛石鋸片可順利進行切削，且Fe、P等元素能一定程度提升結(jié)合劑的致密度和硬度；添加鉻粉、鉬粉的CSF結(jié)合劑對金剛石磨粒固著把持能力相比Fe、P-Fe等提升了40%左右，鋸片的鋒利度更高，切削性能最佳，且磨弧胎體的磨損與金剛石的磨損能保持較好匹配，使用壽命長，優(yōu)于普通Cu-Sn剛石鋸片。

銅基結(jié)合劑；金剛石鋸片；走刀電流；顯微組織；切削性能

0　引言

金剛石工具中金屬結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合狀態(tài)是決定工具性能和使用壽命的主要因素［1-2］。金屬基結(jié)合劑金剛石工具中加入磷可阻止鐵對金剛石的浸蝕作用，降低結(jié)合劑對金剛石的包鑲能力，影響工具性能［3-4］。相反，F(xiàn)e、Mo、Cr等高熔點金屬易與金剛石形成化學冶金結(jié)合，可強化結(jié)合劑對金剛石的把持力［5-8］。本文基于以上原理，結(jié)合工廠不同加工需求，在前期新開發(fā)的新型銅基結(jié)合劑［9］中，加入Fe、P、Mo、Cr等元素，對金屬基體進行改性研究并燒結(jié)成金剛石鋸片，通過切削實驗來研究其組織和性能，以擴大新型銅基結(jié)合劑實用范圍、掌握其變化規(guī)律。

1　實驗材料及方法

1.1主要原料

實驗所用JR3品級的金剛石磨粒質(zhì)量分數(shù)為25%，按50%（50/60）+50%（80/100）配比組成。新型銅基結(jié)合劑CSF［9］成分為：Cu53Sn21Fe20Ni6，將混合粉末攪拌均勻放置于石墨磨具中進行熱壓燒結(jié)，制成尺寸為22 mm×10 mm×14 mm的刀頭，其成分和燒結(jié)工藝如表1所示。鋸片由廣東某公司生產(chǎn)，采用激光焊接，其制作工藝流程及實物如圖1所示。

表1　鋸片刀頭成分和制造工藝

圖1　鋸片的制作工藝流程及實物圖

1.2實驗條件與參數(shù)

將鋸片通過自動臺式切割機（功率為18.5 kW，鋸片轉(zhuǎn)速為2 200 r/min）進行試切印度紅花崗巖，鋸切深度為15 mm，切速為3 m/min，花崗巖在切速下各鋸片切割長度為100 m。鋸片鋒利度通過鋸片切割時走刀電流的大小來體現(xiàn)。切削試驗后，利用掃描電鏡對刀頭表面進行觀察分析，研究磨損過程。

2　實驗結(jié)果及分析討論

2.1鋸片刀頭的力學性能

根據(jù)上述原料和工藝，燒結(jié)出3種成分的刀頭，3種成分的鋸片各隨機取其5個刀頭.進行力學性能測試，最終取其平均值，如圖2所示。

圖2　鋸片刀頭力學性能參數(shù)

圖2（a）是3種鋸片刀頭的顯微硬度及標準差，圖2（b）是抗彎強度及黏結(jié)系數(shù)，從圖中可看出B鋸片純胎體的顯微硬度和抗彎強度最高，這是因為B中加入了磷鐵，磷對鐵、銅及其合金的浸潤性優(yōu)良、流散快，尤其是在720℃左右時可發(fā)生Cu-P共晶反應，顯著降低了合金的燒結(jié)溫度，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的燒結(jié)性能，B的顯微硬度也比A提高了約15%。且B鋸片的黏結(jié)系數(shù)最大，即其結(jié)合劑對金剛石的把持力最弱，分析是由于B成分中的鐵優(yōu)先與磷發(fā)生反應從而抑制了金剛石與鐵的反應，導致結(jié)合劑基體對金剛石的結(jié)合強度減弱。

同時，C鋸片刀頭的黏結(jié)系數(shù)由18.57%降低到11.44%，即結(jié)合劑對金剛石把持力相比于B鋸片，提高了40%左右。推測分析是由于在燒結(jié)過程中，Cr、Mo等強碳化物形成元素，促進與金剛石磨粒形成化學冶金結(jié)合［6，9］，增強了把持力。

2.2鋸片刀頭的組織

為進一步研究CSF銅基結(jié)合劑金剛石鋸片顯微組織和性能的變化規(guī)律，對燒結(jié)出3種成分的刀頭，進行拉伸試驗后，測試刀頭的斷口形貌，找出均有金剛石顆粒的圖片進行對比，如圖3所示。

圖3　三種鋸片刀頭的純胎體組織SEM圖

從圖3中首先可以看出，B、C鋸片刀頭的結(jié)合劑組織都較致密、均勻，孔隙較少，相對而言，A鋸片刀頭的結(jié)合劑組織內(nèi)部孔隙較多，且較大、不均勻，與力學性能測試結(jié)果基本吻合。同時B鋸片和C鋸片中，金剛石顆粒表面均有一定的附著物，尤其是鋸片C中，金剛石顆粒的表面有大量附著物，由此可得刀頭基體即結(jié)合劑對金剛石顆粒有非常好的黏結(jié)能力。分析是因為C鋸片的基體結(jié)合劑中添加有少量的鉻和鉬，在新型銅基結(jié)合劑CSF中添加少量強碳化物形成元素后，與金剛石顆粒燒結(jié)成刀頭時，這些元素能潤濕并黏結(jié)金剛石，與金剛石發(fā)生反應，形成碳化物層富基于金剛石表面，從而提升結(jié)合劑對金剛石顆粒的黏結(jié)能力。

此外，根據(jù)圖3中，金剛石顆粒與結(jié)合劑的界面狀態(tài)也可看出，A鋸片結(jié)合劑與金剛石界面有縫隙，B鋸片結(jié)合劑與金剛石界面有明顯縫隙，C鋸片結(jié)合劑與金剛石界面無明顯縫隙，結(jié)合狀態(tài)最好，進一步證明鋸片C中結(jié)合劑對金剛手的固著把持力最強（走刀電流越小鋸片越鋒利）。

2.3鋸片的切削性能

在切削試驗中3種鋸片通過相同工藝燒結(jié)焊接而成，在切削過程中3種成分的鋸片均可順利完成對花崗巖的切削，其切削全程的平均走刀電流如圖4（a）。由此可得，A鋸片的鋒利度最差、B鋸片鋒利度最強、C鋸片僅次之，且與B鋸片基本相當，因為B鋸片刀頭的硬度和強度最高。

圖4　鋸片切削性能關系曲線

為進一步研究鋸片刀頭的切削性能，對切削實驗中刀頭的磨損量進行檢測，結(jié)果如圖4（b）所示。在圖4（b）中，隨著花崗巖切削長度的增加，三種鋸片刀頭的半徑損耗逐漸增大，即鋸片半徑越來越小。同時，圖中3條曲線的斜率逐漸減小，代表3種鋸片刀頭的磨耗比越來越小，切削時間越長，磨耗速度減慢。在試驗切削100 m花崗巖時，可得出C鋸片刀頭的切耗最小，最耐磨。通過計算，A、B、C三種鋸片刀頭的平均每米切耗分別為0.031、0.039和0.025 mm，由此可得，C鋸片刀頭的平均切耗最小，B鋸片刀頭的平均切耗最大，即C鋸片刀頭的耐磨度最大，加之其鋒利度僅次于B鋸片刀頭，綜合可得，其切削性能最佳。

此外，從某石材加工公司試用三種鋸片的切削現(xiàn)場反饋情況來看，三種鋸片的噪音均較小，能較好地保證加工石材的垂直度及尺寸要求，未出現(xiàn)崩角現(xiàn)象。在進行相同作業(yè)的情況下，最終A、B、C三種鋸片的平均連續(xù)使用壽命分別是10、8、12 h，而外購普通青Cu基鋸片平均連續(xù)使用壽命也僅7 h左右，因此C鋸片可延長使用壽命。

綜上分析，因為B鋸片刀頭雖然強度、硬度好，但磷元素對鐵浸蝕金剛石有明顯抑制作用，結(jié)合劑對金剛石的包鑲能力受到影響，金剛石磨粒在切削過程中易脫落失效，而C鋸片刀頭中Cr、Mo可以提高結(jié)合劑對金剛石磨粒的黏結(jié)強度，使金剛石磨粒易出刃不易脫落，刀頭既能有一定的自銳性能，又有一定的耐磨性能。另一方面，C鋸片中結(jié)合劑對金剛石固著把持較好，可使鋸片刀頭的結(jié)合劑胎體的磨損與金剛石的磨損保持較好的匹配，從而提高鋸片的切削效率。

3　結(jié)論

（1）CSF新型銅基結(jié)合劑燒結(jié)的金剛石鋸片可順利切削花崗巖，但結(jié)合劑中添加不同元素，鋸片刀頭的組織和性能會有所差異。適當加入鐵粉或P-Fe，可提高鋸片刀頭的強度、硬度和鋒利度，但P影響結(jié)合劑對金剛石的把持，鋸片切削性能并不理想。

（2）在CSF新型銅基結(jié)合劑中添加一定Cr、Mo等強化物形成元素，可使結(jié)合劑對金剛石磨粒固著把持能力提高40%左右，鋒利度也有所增加，并延長磨邊輪的使用壽命，綜合切削性能最佳，優(yōu)于常見普通Cu-Sn基鋸片。

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Study on Microstructure and Properties of New Copper-matrix Bonding Diamond Saw-blade

WU Yinga，PU Feia，ZHANG Xiao-ana，YANG Fengb
（a.College of Physics and Electrical Engineering；b.NationalAsset Management Office，Sichuan University of Arts and Science，Dazhou，Sichuan 635000，China）

Mixed with different powders in a new copper-matrix bonding CFS，diamond saw blade is prepared by vacuum hot pressing and laser beam welding，measuring its cutting performance by cutting test and observing its microstructure by scanning electron microscope.The results show that the new diamond saw-blade sintered by CSF can be smoothly cut，and to some extent Fe，P and some other elements can improve the density and hardness of the matrix；comparing with CSF added with Fe，P-Fe，CFS with chromium powder，molybdenum powder will increase the ability of diamond for graining，fixing and gripping by about 40%，making the sharpness of the saw blade greater and its cutting performance better.And the wear of its grinding arc block and diamond can maintain a good matching，so its service life is longer than ordinary Cu-Sn diamond saw-blade.

copper-matrix bonding；diamond saw-blade；feed electric current；microstructure；cutting performance

TQ164；TG74

A

1673-1891（2016）02-0033-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.02.010

2015-12-29

四川文理學院科研項目（2014Z006Y）。

吳穎（1987—）女，四川巴中人，碩士，研究方向：先進材料成型工藝及裝備自動控制。