低成本鋒利型金剛石圓鋸片的開發(fā)

吳 杰,董小雷,任海霞,張翠芳,彭乃聰

(河北小蜜蜂工具集團有限公司,石家莊 050800)

0 引言

金剛石圓鋸片廣泛應用于石材、建筑、高速公路、機場、碼頭、寶石切割等工程加工領域，但其傳統(tǒng)的理論配方體系已經(jīng)跟不上材料更新的步伐。僅中國國內(nèi)各個地域出產(chǎn)的花崗巖、大理石就存在很大的差異，隨著人們生活水平的提高，裝修使用的石材需求也越來越大。在花崗巖、大理石等基礎石材加工過程中，金剛石圓鋸片的切割速度和切割效果是非常重要的一個因素。隨著市場需求的提高，石材生產(chǎn)面臨著兩個問題：原切割鋸片的效率不高和人工工資的上漲。為了提高產(chǎn)品在市場上的競爭力，降低加工成本是大家非常關(guān)注的重要問題之一。提高鋸片鋒利度，保持原有鋸片的工作壽命，就是在原有設備的基礎上提高了石材加工效率。為了提高石材加工的效率和金剛石圓鋸片的使用壽命，本公司針對國內(nèi)石材材質(zhì)，研發(fā)出一種壽命較長、鋒利度高的鋸片。

1.1 金剛石圓鋸片配方選擇

金剛石圓鋸片在切割國內(nèi)常用石材過程中，若鋒利度過低就會導致刀頭起火花，無法進行后續(xù)的工作。在目前的配方體系中，保證圓鋸片鋒利度有幾個最基本的條件：①對金剛石的濕潤性；②致密度；③晶粒度；④刀頭硬度；⑤磨損性等。這幾個條件的作用是：第一保證選擇的金屬粉末對金剛石有足夠的把持力；第二保證胎體對金剛石具有良好的機械包鑲力；第三對鋒利度影響最大的就是晶粒度的大?。坏谒挠捕鹊臄?shù)值基本可以確定胎體的磨損性能；第五磨損性代表了金剛石的出刃能力及鋸片的磨削效果[3]。在這幾個條件中，存在一定的逆向效果：胎體強度越高對金剛石的把持力越好，鋸片壽命越長，鋒利度越差；胎體強度越低對金剛石的把持力越差，鋸片鋒利度越高，使用壽命越短。

在我們產(chǎn)品的配方選擇中，使用了多元合金粉末HYF-07，配合新型的刀頭樣式及適當?shù)睦鋲撼尚凸に?，既提高了胎體對金剛石的把持力，又恰當?shù)恼{(diào)整了胎體與金剛石之間的逆向效果。使鋸片鋒利度大大提高，同時保留了原有相同規(guī)格產(chǎn)品的壽命。最重要的還是單質(zhì)鈷粉的售價較高，導致生產(chǎn)成本居高不下。多元合金粉末代替(在燒結(jié)過程中性能相近)價格較高的單質(zhì)粉末是目前國內(nèi)非常熱門的一個研究問題。

1.2 試驗目的

對比230KU刀頭中使用合金粉末HYF-07與單質(zhì)粉末刀頭(加Co粉)的燒結(jié)金剛石表面合金化及切割數(shù)據(jù)，得出合金粉(HYF-07)的使用對降低生產(chǎn)成本的影響。

1.3 試驗原材料

配方使用粉末粒度：Fe(還原鐵粉)-200目；Cu(銅粉)-200目；Sn(錫粉)-200目；Ni(電解鎳粉)-200目；Co(鈷粉)-200目：合金粉(HYF-07)。

金剛石：SMD 35/40 40/45 45/50

理論胎體密度：8.16

1.4 試驗過程

對比配方①為合金粉配方，②用7%單質(zhì)Co粉和各4%的銅粉、鐵粉代替合金粉的15%

配方 ① Fe40%；Cu32%；Sn10%；Ni3%；(HYF-07)15%

配方 ② Fe44%；Cu36%；Sn10%；Ni3；Co7%

試驗過程：采用相同的生產(chǎn)工藝，相同批次在同一立式爐同一個溫區(qū)，生產(chǎn)同規(guī)格的230KU產(chǎn)品并進行切割試驗。

2 提高鋸片鋒利度的條件

(1)燒結(jié)圓鋸片保證鋒利度原理：在燒結(jié)過程中，到達中高溫時段Cu、Sn、Ni形成適量的Cu-Sn、Cu-Ni合金，在Fe表面形成一層薄膜，防止Fe在最高溫過程被強行燒結(jié)在一起，胎體硬度太高，會導致鋸片的鋒利度降低[2]。聚集在金剛石表面上的合金可以提高對金剛石的把持力，但是把持力太高會使金剛石在工作中很難脫落，內(nèi)層的金剛石暴露不出來，就會導致石材加工過程中的切不動。所以，控制好胎體對金剛石的把持力也是確定鋸片工作對象的一個因素。

(2)需要注意的問題：在燒結(jié)過程中，Cu-Sn合金不能聚集太多，否則會導致胎體與金剛石間收縮太多，胎體與金剛石結(jié)合性太差。胎體和金剛石結(jié)合差的鋸片在石材加工過程中金剛石會脫落過快，基本起不了切割作用，這種情況會導致鋸片壽命過短或者無法使用，所以圓鋸片的穩(wěn)定性能需要合理的燒結(jié)工藝來控制[6]。針對國內(nèi)常規(guī)的花崗巖和大理石，考慮到加工過程崩邊的問題，我們在使用35/40粒度較粗金剛石的時候，降低了它的用量和品級，控制了崩邊情況的發(fā)生[4]。在提高鋒利度的情況下，提高產(chǎn)品的實用性能也是一個很關(guān)鍵的問題。

3 提高金剛石圓鋸片鋒利度的冷壓成型工藝

為了進一步提升鋸片的使用壽命，我們采用了15mm刀頭高度的模具(如圖1)，使用全自動化冷壓成型設備進行冷壓成型。在冷壓成型過程中，因為刀頭上槽與峰之間的冷壓成型密度的不同，導致燒結(jié)后胎體密度的差異明顯，在冷壓成型的過程中，壓制壓力的變化會導致胎體對金剛石的包鑲力不同。因為鋸片刀頭高度偏高，需要適當?shù)膲褐茐毫?，既能保障順利冷壓成型，又能提高胎體對金剛石的包鑲力。如圖2為230KU中檔產(chǎn)品槽斷面燒結(jié)狀態(tài)電鏡圖，圖3為同一刀頭峰斷面燒結(jié)狀態(tài)電鏡圖，差異較為明顯。

圖1 冷壓成型刀頭Fig.1 Cold press molding segments

圖2 刀頭U槽斷面圖 200倍Fig.2 Cross-section diagram of U groove of segment (×200)

圖3 刀頭峰斷面圖 200倍Fig.3 Cross-section diagram of segment peak (×200)

由圖2、圖3可以看出同一個刀頭槽和峰的燒結(jié)狀態(tài)對比十分明顯，槽內(nèi)的燒結(jié)密度要高于峰上。刀頭峰處于工作狀態(tài)時能保持刀頭的鋒利度，槽起的是排屑的效果。當峰過快磨損時，到達槽內(nèi)工作層，此時刀頭厚度處于槽的厚度，刀頭變薄切割沖擊面積減小，切割速度加快，此時槽內(nèi)工作層就會起保護作用，提高鋸片的使用壽命。

4 試驗切割后數(shù)據(jù)對比

4.1 基本參數(shù)

切割對象：普通花崗巖(厚度：1.8～1.9cm) 中國黑(厚度：2.0cm)

切割設備：中型切割機

切割方法：加水濕切 干切 (①②號料230KU產(chǎn)品對同一塊石材進行切割)

4.2 切割數(shù)據(jù)對比

表1是低檔191KU、230KU圓鋸片切割數(shù)據(jù)，表2是中檔191KU、230KU(對比試驗①產(chǎn)品)圓鋸片切割數(shù)據(jù)。表3是同批次生產(chǎn)后230KU②單質(zhì)粉產(chǎn)品切割數(shù)據(jù)。

表1 低檔圓鋸片試驗切割數(shù)據(jù)圖Table 1 The cutting test data of low-end circular saw blade

表2 中檔圓鋸片試驗切割數(shù)據(jù)圖(230KU①號試驗配方料)Table 2 The cutting test data of mid-range circular saw blade(230KU①formula test powder)

表3 230KU②試驗切割數(shù)據(jù)圖Table 3 The cutting test data of 230KU ②

表1、表2的數(shù)據(jù)可以看出兩款中、低檔產(chǎn)品的切割鋒利度是接近的，這種中型規(guī)格的圓鋸片在同規(guī)格產(chǎn)品中切割鋒利度是很高的，主要差別在于它們的實際切割壽命。但是用合金粉末做出的產(chǎn)品試驗切割效果就差強人意了，切割過程中磨損也較多。相同工藝的產(chǎn)品硬度的數(shù)值說明了單質(zhì)粉末刀頭可能需要更高溫度的燒結(jié)工藝，與同類產(chǎn)品相比較會導致電費成本增加，合金粉末的使用性能效果還是比單質(zhì)粉的效果更明顯。

圖4 ①號料 62洛氏硬度刀頭切割后電鏡圖 200倍Fig.4 SEM morphology of the formula ① segment with 62 Rockwell hardness after cutting (×200)

圖5 ①號料70洛氏硬度刀頭切割后電鏡圖 200倍Fig.5 SEM morphology of the formula ① segment with 70 Rockwell hardness after cutting (×200)

4.3 圖像觀察與對比

230KU同規(guī)格產(chǎn)品不同硬度切割同一石材后鏡像圖對比

圖6 ①號料70洛氏硬度刀頭斷面電鏡圖 500倍Fig.6 SEM morphology of cutting section of the formula ① segment with 70 Rockwell hardness (×500)

圖7 ①號料62洛氏硬度刀頭斷面電鏡圖 500倍Fig.7 SEM morphology of cutting section of the formula ① segment with 62 Rockwell hardness (×500)

4.3 不同試料對比與分析

圖8、圖9作為單質(zhì)粉胎體，在相同的工藝條件下生產(chǎn)出的產(chǎn)品鋒利度較差，金剛石脫落過快，大部分金剛石未工作到破碎狀態(tài)就已經(jīng)脫落。在與合金粉胎體產(chǎn)品相同工藝條件下，說明單質(zhì)粉末胎體對金剛石的把持力較弱，還可看出單質(zhì)粉末胎體在燒結(jié)過程中在金剛石表面合金化程度略少，金剛石處于高速切割過程中很容易脫落。而①號料(圖4)中金剛石已經(jīng)開始破碎，說明金剛石工作狀態(tài)已經(jīng)達到。圖5的金剛石脫落坑代表了①號料燒結(jié)過程中產(chǎn)生一部分的熔蝕增加了胎體對金剛石的包鑲力[1]，說明燒結(jié)狀態(tài)良好。在原材料價格方面，合金粉的價格遠低于單質(zhì)鈷粉，所以低成本鋸片的開發(fā)決定于預合金粉末的合理使用。

圖8 ②號單質(zhì)粉試驗料55洛氏硬度刀頭斷面電鏡圖 200倍Fig.8 SEM morphology of cutting section of the formula ② segment with 55 Rockwell hardness (×200)

圖9 ②號單質(zhì)粉試驗料55洛氏硬度刀頭斷面電鏡圖 500倍Fig.9 SEM morphology of cutting section of the formula ② segment with 55 Rockwell hardness (×500)

在同種配方中，不同溫度的燒結(jié)工藝影響著鋸片的切割效果。圖4、圖5為230KU鋒利型中檔產(chǎn)品切割后電鏡圖，由上圖4～圖7中可以得出，在相同燒結(jié)工藝中，燒結(jié)硬度越高，胎體對金剛石把持力越強，壽命相應變長，鋒利度相對下降；燒結(jié)硬度略微偏低，壽命相應較短，鋒利度提高。圖4、圖5既說明了這款產(chǎn)品的切割鋒利度，它的硬度穩(wěn)定也從側(cè)面說明了我們燒結(jié)工藝的穩(wěn)定。我們針對切割對象的不同，制定相應的燒結(jié)工藝，達到最理想的切割效果，為客戶保證了最理想的使用性能。如果燒結(jié)工藝不穩(wěn)定，刀頭硬度分布不均勻，就會降低整體鋸片的使用效果。所以，對于整個金剛石圓鋸片，它的整體燒結(jié)硬度越穩(wěn)定，使用性能就越高。達到切割效果的同時，保持產(chǎn)品的穩(wěn)定性，是我們對客戶的負責，也是我們小蜜蜂工具公司交給整個金剛石制品行業(yè)一份滿意的答卷。

5 結(jié)論

(1)HYF-07合金粉未在230KU圓鋸片胎體中作用高于相等量50%單質(zhì)鈷粉；HYF-07能提高胎體對金剛石包鑲力，提高產(chǎn)品使用性能；合理的刀頭硬度有利于提高鋸片的切割性能[5]；低成本鋒利型圓鋸片的開發(fā)建立在預合金粉的合理使用上。

(2)預合金粉的運用不僅提高了金剛石制品的使用性能，還代替了傳統(tǒng)配方中價格較高的單質(zhì)粉末在胎體中的作用，為實現(xiàn)低成本生產(chǎn)金剛石圓鋸片提供了非常有利的條件。在我國，多元化專業(yè)合金粉的開發(fā)在目前已經(jīng)非常熱門，已經(jīng)處于國際先進水平。合理的利用預合金粉末是提高金剛石制品在國際市場競爭力的方向。

在本文撰寫過程中，得到方嘯虎教授殷切的關(guān)切，嚴格的要求，在此表示最衷心的感謝！