金剛石繩鋸結(jié)合劑的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

董書山,馮海洲,喬翠婭

(1.吉林大學，吉林 長春 130012; 2.秦皇島市雅豪新材料科技有限公司，河北 秦皇島 066200)

1 前言

金剛石繩鋸作為一種柔性切割工具，發(fā)展至今已有40多年的歷史，自20世紀70年代在意大利大理石礦山開采中首次得到成功應用后，即顯示出其獨特的優(yōu)越性與巨大的市場潛力[1-7]。與傳統(tǒng)的圓盤鋸及帶鋼砂鋸相比，繩鋸在石材荒料開采、大規(guī)格板材、異型石材及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件的加工等方面具有突出的優(yōu)勢。其制造技術(shù)也逐漸從電鍍、釬焊向更為高效、環(huán)保的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)方向發(fā)展[8-9]；并且，隨著鋸切設(shè)備的技術(shù)進步，石材繩鋸也由最初的單繩向多繩組鋸方向發(fā)展[10-16]。繩鋸串珠的金屬結(jié)合劑也由早期的Co基體系向Fe基體系發(fā)展，尤其是近3年來，隨著中國繩鋸市場的快速發(fā)展與日趨激烈的市場競爭，F(xiàn)e基體系材料的應用發(fā)展速度極快，“以鐵代鈷”在繩鋸串珠的應用開發(fā)方面取得了顯著成效。我國是全球最大的石材生產(chǎn)與消費大國，石材來源既有國內(nèi)礦山的開采，也有進口荒料的來料加工；而且，石材種類繁雜，全球主要石材產(chǎn)地的產(chǎn)品在中國都有加工與銷售。因此，國內(nèi)繩鋸的應用能力在很大程度上反映出了全球的繩鋸應用與開發(fā)水平。

2 國內(nèi)外金屬結(jié)合劑應用現(xiàn)狀

眾所周知，鈷是目前所有金屬結(jié)合劑中綜合性能最優(yōu)的材料，但也是價格最貴的材料。鈷價已由2016年之前的220～250元/kg增長至目前的600～630元/kg，價格幾乎翻了兩倍，這就大幅度增加了繩鋸串珠的生產(chǎn)成本，而反之繩鋸的價格卻由500～700元/米降至150～220元/米，且有進一步下降的趨勢，這就給繩鋸生產(chǎn)商帶來了極大的成本壓力。正因如此，也使“以鐵代鈷”的緊迫性日益突出，迫使繩鋸廠家下大力氣開發(fā)廉價的Fe基結(jié)合劑。目前，在串珠Fe基材料的應用開發(fā)方面，國內(nèi)已走在世界的前沿，尤其是在高比例鐵的結(jié)合劑方面，開發(fā)應用速度極快。

繩鋸串珠對燒結(jié)胎體的質(zhì)量要求很高，其性能考察指標包括燒結(jié)致密度、潤濕性、晶粒度、硬度、強度、沖擊韌性、冷卻收縮率及磨損性等。對串珠要求除了應該對金剛石具有良好的潤濕性、把持力及磨損適配性外，還要與“珠芯”間具有足夠的冶金結(jié)合力。這些因素都要求在產(chǎn)品設(shè)計時就要充分考量，在材料選擇、配方設(shè)計及工藝匹配方面予以明晰判定，特別是要根據(jù)材料特性及配方組合的特點進行工藝設(shè)計，實施工藝制備過程的精細化控制，只有這樣才能有效發(fā)揮材料特性及配方特點，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，繩鋸金屬結(jié)合劑已由最初的Co基材料，發(fā)展至Co-Fe并存，以Fe為重點開發(fā)方向、多種元素并用的復合材料開發(fā)階段，并由以單質(zhì)粉末的組配為主向合金粉末與單質(zhì)粉末的組合應用為主的發(fā)展方向過渡。常用金屬涵蓋Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Cr、Mn、W、WC、Zn等，既包括傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬粉末，也包括水霧化及化學法所制備的各類Fe基預合金粉末，如Fe-Co-Cu、Fe-Co-Cu-Sn、Fe-Ni-Cu-Sn、CuSn15等系列化合金粉末，而且，對繩鋸而言，-400目以細合金粉末的應用效果更具優(yōu)勢。

2.1 國外金屬結(jié)合劑應用現(xiàn)狀

目前，無論是水泥繩鋸還是石材繩鋸，國外產(chǎn)品仍以Co基胎體為主，制備時以超細單質(zhì)Co粉(圖1)為主，兼用化學法所制備的超細Fe-Co-Cu合金粉末(圖2)。生產(chǎn)工藝既有熱壓燒結(jié)，也有熱等靜壓及自由燒結(jié)。

眾所周知，Co是綜合性能最優(yōu)的一類金屬結(jié)合劑，但無論采用何種燒結(jié)工藝，繩鋸串珠Co基胎體都有一些不易控制的影響因素，這些因素主要是：

圖1 單質(zhì)Co粉SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the element cobalt powder

圖2 化學法Fe-Co-Cu合金粉末SEM形貌Fig.2 SEM morphology of the Fe-Co-Cu alloyed powder made by chemical process

①胎體對金剛石的潤濕與把持能力——Co能夠良好潤濕金剛石并在金剛石表面形成化學鍵結(jié)合；

②胎體的冷卻收縮系數(shù)——控制胎體與金剛石間的縫隙度；

③胎體機械性能的調(diào)控——致密度、強度、硬度及磨損性足夠，但斷口呈韌/脆混合斷裂特征，且以平齊的脆性斷裂特征為主。

Co基胎體的燒結(jié)溫度較高，繩鋸串珠的燒結(jié)溫度通常在850℃～920℃之間。燒結(jié)溫度低，Co基胎體不易致密化，對金剛石的把持力就不足，其強度、硬度、耐磨性等機械性能指標也就無法滿足實際工況需求。提高燒結(jié)溫度，可提高燒結(jié)致密度，增強胎體的綜合機械性能指標，但最為關(guān)鍵的問題是，冷卻后，胎體與金剛石間會產(chǎn)生較大的縫隙，降低對金剛石的把持力，這一點也是Co基胎體不易掌控的重要影響因素之一。Co的粒度差異也會導致燒結(jié)胎體的機械性能的變化，粒度越細，胎體的綜合機械性能越高[17]。

為了增強胎體對金剛石的把持力，往往采用鍍覆的金剛石(鍍Ti、Cr、Ni等)。典型的胎體組織及其對金剛石的把持狀態(tài)如圖3、圖4。胎體與金剛石間的縫隙較大，降低其對金剛石的把持力，但金剛石表面的鍍覆層可在一定程度上彌補由此而導致的把持力下降的缺失。

圖3 鈷基胎體對金剛石的包鑲狀態(tài)Fig.3 SEM morphology of the sintered diamond embedded in cobalt matrix

圖4 鈷基胎體的燒結(jié)組織狀態(tài)Fig.4 The typical matrix SEM morphology of the element cobalt

在保證胎體綜合機械性能的同時，為了減小胎體與金剛石間的縫隙，提高胎體對金剛石的把持力，并且有效調(diào)控胎體與金剛石間的磨損適配性，而胎體斷面呈平齊的韌/脆而致密“瓷質(zhì)”斷口特征，是Co基胎體能發(fā)揮良好應用效能的一個重要判斷特征，如圖3、圖4。此時，胎體組織的撕裂窩邊緣韌性帶無較強的“鋸齒”狀強韌性撕裂特征，而是呈較為平緩的“鈍邊”。若胎體的強度過高、韌性過強，斷口撕裂窩呈明顯的“鋸齒”狀韌性狀態(tài)，則鋒利度會受到明顯影響。Co基胎體的合適燒結(jié)狀態(tài)，除與原材料自身的質(zhì)量有關(guān)外，還與冷壓致密度、模具設(shè)計、加熱速度、加壓時機與大小、高溫保溫時間、冷卻速度的控制等綜合工藝條件有關(guān)。

為了改善Co基胎體的燒結(jié)性能，成分體系中還引入Fe、Ni、W、WC及Cu-Sn合金等。

在含有低熔點物料的串珠中，特別是水泥串珠，加入適當比例的羰基Fe，可有效地調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度、潤濕性、致密度及耐磨性，并降低原材料成本。羰基Fe可顯著增加胎體的耐磨性，但也給鋒利度的調(diào)整帶來一定難度，除配方的成分設(shè)計外，燒結(jié)工藝參數(shù)的調(diào)控對產(chǎn)品性能，尤其是鋒利度的調(diào)整是十分重要的。

在含有低熔點物料的配方體系中引入一定比例的羰基Ni粉(石材串珠中通常加入6%～10%，水泥串珠中通常加入8%～15%)，以提高胎體的潤濕性、致密度及耐磨性。

超細W粉(粒徑2～6μm)具有對金剛石良好的潤濕性及與其它金屬粉末間良好的界面結(jié)合力，在花崗巖及水泥繩鋸中加入部分超細W粉，可增強胎體對金剛石的把持力，并提高胎體的熱強性、硬度及耐磨性[18]。

WC可顯著增加胎體的耐磨性，尤其是在水泥繩鋸串珠中的應用效果更為明顯。具體的是與Co基胎體相配合，采用平均粒徑為5μm左右的超細WC。

Cu-Sn合金可降低燒結(jié)溫度，提高致密度，同時也具有一定性的磨損調(diào)節(jié)能力，制備時通常采用平均粒徑為3～5μm的超細Cu-Sn10或Cu-Sn15，花崗巖及水泥串珠配方中Sn的總量通常小于2%。

與Co基材料體系相適應的燒結(jié)工藝技術(shù)，除了常規(guī)的熱壓燒結(jié)外，還有熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)及自由燒結(jié)技術(shù)。

采用熱等靜壓工藝技術(shù)生產(chǎn)的Co基胎體，具有較高的致密度、潤濕性與較小的燒結(jié)收縮率，胎體與金剛石間的縫隙小，對金剛石的把持力較好；更重要的是，控制好燒結(jié)條件，則可較好地控制燒結(jié)胎體的晶粒度，粉末顆粒間的界面結(jié)合力較強但卻不易出現(xiàn)熱壓燒結(jié)中所常見的晶粒粗化長大，既能保證胎體對金剛石的把持力，也可調(diào)控胎體的脆性磨損能力，很好地調(diào)整了胎體與金剛石間的磨損適配性。但此種工藝裝備復雜，投資大，生產(chǎn)成本較高。

真空燒結(jié)的串珠質(zhì)量穩(wěn)定性高，胎體對金剛石的潤濕性及把持力較好，但一次性的設(shè)備投入大，生產(chǎn)周期相對較長，設(shè)備的維護保養(yǎng)費用高。

采用自由燒結(jié)技術(shù)所制備的串珠，其致密度與潤濕性不足，對金剛石的把持力有限；但胎體晶粒度小，磨損速率相對較高，鋒利度較好，壽命偏低。

總之，國外串珠制品基本還是以Co基胎體為主，配以超細單質(zhì)粉末，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本較高，但質(zhì)量穩(wěn)定性好。近年來，F(xiàn)e基胎體的應用開發(fā)力度加大，尤其是采用化學法制備的超細Fe-Co-Cu類預合金粉末的應用比例在逐步提高[19-21]，但粉末成本依然偏高。

2.2 國內(nèi)金屬結(jié)合劑應用現(xiàn)狀

近5年來，國內(nèi)金剛石繩鋸以超乎尋常的速度迅猛發(fā)展，繩鋸串珠的制備技術(shù)也不斷提高，串珠胎體的材料體系也從發(fā)展之初的高Co體系，向低Co的Fe基體系發(fā)展。目前，國內(nèi)Fe基胎體的開發(fā)應用速度已走在全球繩鋸行業(yè)的前列，部分企業(yè)已規(guī)?；捎玫虲o的Fe基胎體，使串珠的材料成本大幅度下降，但與Co基胎體相比，F(xiàn)e基胎體仍然存在著性能及質(zhì)量穩(wěn)定性的差異。

國內(nèi)繩鋸廠家在串珠的開發(fā)伊始，采用的是與國外相同的技術(shù)路線——采用Co基材料，雖然材料成本高，但繩鋸價格較高，生產(chǎn)商依然可以維持較為可觀的利潤。2016年年底前，Co的價格維持在220元/kg左右，這對于繩鋸生產(chǎn)廠家來說，材料成本壓力不大，多數(shù)廠家的基調(diào)是維穩(wěn)——采用Co基胎體以保持產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。2017年初始，Co的價格大幅度上漲至620元/kg左右，但由于繩鋸生產(chǎn)廠家不斷增多，市場競爭日趨激烈，繩鋸價格反而不斷下滑，已由500～700元/米，下降至150～230元/米，而且還有繼續(xù)下滑的趨勢。材料成本的上漲與繩鋸價格的下滑，給繩鋸廠家?guī)砹穗p重壓力，他們迫切需要降低生產(chǎn)成本?！耙澡F代鈷”，又被高度重視，由此加快了Fe基材料的開發(fā)進程。

目前，國內(nèi)繩鋸串珠的Fe基材料亦可分為兩大類，一類是以單質(zhì)粉末為主，采用超細的羰基Fe，配合使用羰基Ni，減少配方體系中單質(zhì)Co粉的用量。另一類是以超細合金粉末為主，既有水霧化生產(chǎn)的Fe-Cu-Co、Fe-Cu-Co-Sn、Fe-Cu-Ni-Sn等系列產(chǎn)品，也有化學共沉淀法所制備的Fe-Cu-Co等產(chǎn)品，其中，以水霧化產(chǎn)品的應用居多。

以超細單質(zhì)粉末為主的材料體系，主要以羰基Fe為主材，大幅度降低了Co粉的應用比例，并輔以適當比例的Cu、Ni、W、WC、Cu-Sn合金等。

電解Cu粉的應用比例通常以能保證冷壓成型性所需的最低比例為主要參考值，其質(zhì)量狀態(tài)對串珠的性能有較大影響。與常規(guī)-200目的電解Cu粉(圖5)相比，粒度細、樹枝狀結(jié)構(gòu)發(fā)達、松裝密度小(<1.6g/cm3)的銅粉(圖6)對串珠性能的提升機制及質(zhì)量穩(wěn)定性的保障更為有利。

在Fe基胎體中添加一定比例的Ni，可有效提高燒結(jié)致密度、強度、硬度、熱強性、耐磨性及對金剛石的潤濕性。若使用掌控不當，則易導致金剛石出刃高度不足、出刃速度慢的問題，影響鋒利度的發(fā)揮。不同種類的Ni粉，對串珠胎體性能的影響不同。電解Ni粉的粒度粗(圖7)，不易獲取均勻化、精細化的燒結(jié)組織，但有利于冷壓成型。而羰基Ni粉(圖8)的粒度細、合金化能力強，易獲取均勻、細膩、致密的燒結(jié)組織，但冷壓成型性差。

圖5 常規(guī)-200目電解Cu粉SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the commercial electrolytic copper powder

圖6 細顆粒/低松比電解Cu粉SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fine electrolytic copper powder with low apparent density

超細單質(zhì)粉末配方體系(以羰基Fe+羰基Ni為主)中，低熔點物料的比例通常不超過3%，且多數(shù)以細顆粒的Cu-Sn合金形式引入，胎體的燒結(jié)溫度普遍較高(通常在860℃～920℃)，以保證胎體具有足夠的致密度、強度及硬度。在此高溫下燒結(jié)，金剛石表面將被“刻蝕”或碳化，如圖9-a。金剛石表面的適度“刻蝕”，是此類材料體系燒結(jié)胎體對金剛石具有較好把持力的重要特征之一，尤其是采用非鍍覆金剛石時；此時，金剛石脫落坑內(nèi)壁出現(xiàn)較多的細小“麻坑”(圖9-b)，這是由于金屬成分在金剛石表面形成部分化學鍵結(jié)合而導致的金剛石表面“粘料”。但在實際生產(chǎn)中，要特別注意區(qū)分這種“粘料麻坑”與因燒結(jié)致密度不足而導致的“孔隙麻坑”間的差異，后者會大幅度降低胎體對金剛石的把持力，損傷串珠性能，甚至會導致繩鋸失效。

圖7 電解鎳粉的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the electrolytic nickel powder

圖8 羰基鎳粉的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the carbonyl nickel powder

圖9 超細單質(zhì)金屬粉末胎體對金剛石的包鑲潤濕及組織形態(tài)特點Fig.9 The wetting and metallurgical characteristics of the matrix formed by mixture of ultrafine element powders

較高的燒結(jié)溫度易導致胎體燒結(jié)“板結(jié)”，尤其是Fe基胎體更易因晶粒的粗化“板結(jié)”而影響鋒利度。因此，如何在保證胎體對金剛石具有足夠把持力的條件下，使胎體具有合適的“砂性”磨損特性是關(guān)鍵的調(diào)控技術(shù)，這不僅僅取決于配方設(shè)計，還取決于燒結(jié)工藝的掌控。圖9-c為羰基Fe粉制備的串珠刀頭的平齊脆性斷口組織形貌，而從圖9-d的高倍組織中可明顯看出：細顆粒粉末間未發(fā)生明顯的界面融合重結(jié)晶粗化，基本是以顆粒間的界面“粘結(jié)”而聯(lián)結(jié)的。這種組織結(jié)構(gòu)可保證胎體具有良好的快速磨損剝離性能，促進金剛石的及時出刃，串珠具有較好的鋒利度，但由于粉末顆粒間的界面連接強度不夠，胎體對金剛石的把持力有限，金剛石易過早脫落，導致壽命不足。對Fe基胎體而言，需要解決的矛盾是：既要防止胎體燒結(jié)“板結(jié)”而降低鋒利度，又要避免過于強調(diào)脆性磨損而導致粉末界面聯(lián)結(jié)強度不夠——金剛石把持力下降，影響使用壽命。這就要求既要嚴格控制粉末質(zhì)量(氧含量、粒度、松比等)，還要精細化控制燒結(jié)工藝，尤其是溫度-壓力-時間的配合。

羰基Fe粉的性能(純度、粒度、氧含量、松比、殘余碳含量等)對串珠胎體質(zhì)量影響較大，當粉末的氧含量及殘余碳量較高時，粉末的燒結(jié)活性受限，界面結(jié)合強度下降，燒結(jié)體的典型組織狀態(tài)如圖9-d。繩鋸串珠中低熔點物料通常以Cu-Sn合金的引入形式居多，原因是單質(zhì)Sn粉的粒度較粗，容易產(chǎn)生燒結(jié)偏析粗化，導致物相組織不均勻，影響胎體性能的發(fā)揮。為了降低燒結(jié)溫度，弱化胎體的耐磨性，國內(nèi)部分繩鋸胎體中還引入一定比例的Mn粉與Zn粉，但二者均易氧化，特別是在潮濕環(huán)境下，更容易快速氧化，會大幅度降低胎體對金剛石的把持力，因此，在應用過程中應特別注意采取防潮措施。

近年來，繩鋸用Fe基預合金粉末的發(fā)展應用速度較快，主要是水霧化法和化學共沉淀法所制備的細粒度粉末[22-23]。秦皇島市雅豪新材料科技有限公司在2014年就著手開發(fā)了水泥串珠用Fe-Cu-Co-W系粉末(牌號為YA503)及石材繩鋸用Fe-Cu-Co-Sn系粉末(牌號YA508)，與Co粉相比，價格降低60%以上，在業(yè)界得到規(guī)?；茝V應用，圖10、圖11分別為YA503及YA508的SEM粉末形貌。

此系列粉末的特點是：對金剛石的潤濕性好、燒結(jié)體的綜合機械性能高(致密度、強度、硬度高)、適應的燒結(jié)溫度范圍寬(820℃～920℃)、質(zhì)量穩(wěn)定性好；尤為突出的特點是：粉末的界面活性可控，在可適應的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，胎體組織中粉末不易產(chǎn)生燒結(jié)重結(jié)晶長大粗化(這一點是單質(zhì)粉末體系較難掌控與穩(wěn)定實現(xiàn)的)，胎體組織極為均勻、細膩，在保持對金剛石的足夠把持力的情況下，也具備很好的磨損適配性。圖12為YA503在830℃～900℃范圍內(nèi)燒結(jié)時，燒結(jié)體的組織形態(tài)及其對金剛石的包鑲狀態(tài)。胎體對金剛石的包鑲較為緊密，金剛石表面具有適度“刻蝕”的特征，胎體組織十分均勻、細膩，平均晶粒度在5μm左右，斷口呈韌/脆混合斷裂——而這也是胎體對金剛石具有良好把持力與適配磨損性的重要特征。

與YA503相似，YA508在較寬的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，具有對金剛石良好的潤濕能力與高致密度/高強度把持力(圖13-a)，胎體的平均晶粒度在5μm左右(圖13-b)，其力學性能及組織特點與Co十分相似，滿足高品級制品對胎體材料的要求要素——較寬的溫度適應范圍、良好的潤濕能力以及較高的致密度、強度、硬度，最為關(guān)鍵的是燒結(jié)組織中的晶粒度細小、可控，既可保證胎體對金剛石的良好把持力，又可以較為方便地調(diào)控磨損性，可較好地滿足鋒利度與使用壽命間的匹配要求。

圖10 預合金YA503粉末SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the water-atomized alloyed powder YA503

圖11 預合金YA508粉末SEM形貌Fig.11 SEM morphology of the water-atomized alloyed powder YA508

此外，化學法所制備的超細預合金粉末，如國外的NEXT系列產(chǎn)品、國產(chǎn)的Fe-Co-Cu粉末及超細Fe粉等，在繩鋸串珠中也有部分應用。

3 國內(nèi)外繩鋸金屬結(jié)合劑現(xiàn)存問題

國外繩鋸串珠基本上還是以Co基胎體為主，輔以羰基Fe、羰基Ni、超細Cu-Sn合金等，材料成本居高不下，雖然產(chǎn)品的性能較為穩(wěn)定，但依然面臨較大的成本壓力，尤其是面臨來自中國的低價產(chǎn)品的沖擊壓力。國外繩鋸制造商也在不斷探索“以鐵代鈷”的技術(shù)途徑。

圖12 YA503燒結(jié)體對金剛石的包鑲及斷口組織形態(tài)SEM形貌Fig.12 SEM morphology of the sintered diamond and matrix microstructure of YA503

近幾年來，國產(chǎn)繩鋸在鋸切設(shè)備及串珠制備等技術(shù)工藝方面的發(fā)展日新月異，突飛猛進，尤其是在低鈷的Fe基金屬結(jié)合劑的開發(fā)應用方面，向著以鐵為主、多元組合的方向發(fā)展，大幅度降低了串珠材料成本。但目前的Fe基結(jié)合劑在開發(fā)應用過程中尚存在諸多問題，體現(xiàn)在應用效果方面的問題是：繩鋸的鋒利度與使用壽命間的失配度較大。而體現(xiàn)在粉末結(jié)合劑方面，尤其是Fe基結(jié)合劑，則存在以下問題：

(1)與Co基材料體系相比，F(xiàn)e基結(jié)合劑材料仍未解決“以鐵代鈷”的關(guān)鍵問題——對金剛石的把持力與磨損適配性的協(xié)調(diào)。依然存在著Fe基胎體對金剛石具有較強的把持力時，胎體的耐磨性過強，但熱強性/導熱性差，金剛石出刃困難，鋒利度受限；而耐磨性弱化后，胎體對金剛石的把持力又下降，也影響鋒利度與工作壽命。

(2)以德國BASF為代表的高品質(zhì)羰基Fe的產(chǎn)品綜合機械性能好、質(zhì)量穩(wěn)定性高，但產(chǎn)品價格高，更主要的是國內(nèi)繩鋸廠家在應用此種材料的過程中，雖可較好地完成胎體對金剛石的良好把持，但常易產(chǎn)生胎體過于耐磨，鋒利度不易調(diào)控的問題。圖14為羰基Fe的比例50%～60%時繩鋸串珠的金剛石出刃及微觀組織SEM狀態(tài)，胎體對金剛石的把持力較好，但金剛石出刃高度不足，其“蝌蚪狀”尾部的特征是既長又寬，影響鋒利度。

(3)國產(chǎn)單質(zhì)Fe系材料雖然價格便宜，但存在著產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性不足，性能指標的描述與控制過于寬泛、模糊的問題，質(zhì)量波動范圍大，用戶無法準確把握其穩(wěn)定應用條件，影響串珠質(zhì)量的穩(wěn)定性。

(4)業(yè)界普遍缺乏對結(jié)合劑材料的應用基礎(chǔ)研究，特別是在工藝開發(fā)方面，不論配方材料如何變化，都習慣性地采取Co基胎體的燒結(jié)工藝，而缺乏針對不同的配方材料體系施以不同的適用工藝方面的研究與設(shè)計，這既影響配方的設(shè)計效果，又會造成大量的重復無用功。

圖14 羰基Fe為主的繩鋸串珠金剛石出刃及微觀組織SEM形態(tài)Fig.14 The SEM morphology of diamond exposure and matrix microstructure of the diamond wire saw mainly formed by carbonyl Fe

(5)水霧化Fe基預合金粉末雖然具有良好的綜合機械性能，但需要解決冷壓成型性的困擾，才能提高合金粉末的應用比例，以提升串珠的綜合性價比。

國內(nèi)繩鋸金屬結(jié)合劑的發(fā)展速度較快，隨著國產(chǎn)繩鋸機的變化發(fā)展及對繩鋸加工效率的提升要求越來越高，與其它種類的金剛石工具一樣，鋒利度的保證是第一位的，同時還要兼顧足夠的壽命，這就對結(jié)合劑及工藝技術(shù)提出了更高的要求，需要從材料、工藝及裝備等方面取得協(xié)同發(fā)展，才能適應日益變化的市場需求。

4 繩鋸金屬結(jié)合劑發(fā)展趨勢

Co基材料是目前繩鋸串珠的主要材料體系，高昂的價格使繩鋸的生產(chǎn)成本居高不下，因而，低鈷/無鈷的鐵基結(jié)合劑仍然是今后的發(fā)展主旋律，雖然“以鐵代鈷”經(jīng)歷了多年的實踐探索，但尚未取得實質(zhì)性突破，依然任重道遠。從目前的材料及工藝裝備的發(fā)展現(xiàn)狀來看，依靠單質(zhì)粉末體系以“中藥配伍”的方式取得“以鐵代鈷”的實質(zhì)效能，尚存諸多困難，核心要素仍是需要解決胎體對金剛石的把持力與磨損適配性的難題。根據(jù)串珠組織性能的特點需求，今后金屬結(jié)合劑的材料體系需要在以下方面取得更大進展：

(1)粉末粒度精細化。無論是單質(zhì)粉末體系還是合金粉末體系，必須滿足繩鋸串珠精細化組織的需求，這就需要粉末體系朝著細粒度的方向發(fā)展。在細化發(fā)展的同時，除要充分考慮粉末的冶金性能外，還必須要充分重視粉末的工藝性能(幾何形狀、流動性、松裝密度等)，以滿足批量生產(chǎn)時串珠的冷壓密度、冷壓成型強度、單重、尺寸等工藝要素的穩(wěn)定可控。

(2)多組元合金化。以Fe-Cu系為基礎(chǔ)，添加適當比例的Co、Ni、Sn、Zn、Cr、Mn、P等元素，調(diào)控粉末燒結(jié)體的機械性能，使其具有足夠的潤濕性及合適的燒結(jié)致密度、硬度、強度、磨損性等。

(3)粉末顆粒的晶內(nèi)-界面性能差異化。通過技術(shù)調(diào)整手段，使燒結(jié)胎體能夠依靠粉末的晶內(nèi)組織結(jié)構(gòu)來保障宏觀機械性能；依靠粉末界面活性的控制，來調(diào)控粉末的界面燒結(jié)行為——既要產(chǎn)生足夠的界面結(jié)合強度，以維持胎體對金剛石的把持力，又要控制粉末顆粒間的界面融合而導致的重結(jié)晶粗化，以調(diào)控胎體的磨損適配性。

(4)合金粉末的高彈性模量化。高彈性模量可增強胎體對金剛石的機械把持力，但這種彈性模量的獲取，不能僅僅依靠組織內(nèi)部的單一強化相來完成，需要有韌/脆混合物相的協(xié)同才能完成，以得到適合的磨損性能。

5 思考與建議

無論何種工具，廉價的鐵基材料是金屬結(jié)合劑的必然發(fā)展趨勢，對于繩鋸串珠而言，其對鐵基材料的綜合性能要求更高，特別是材料的穩(wěn)定性。因此，在材料的設(shè)計開發(fā)與應用試驗過程中，必須緊密結(jié)合串珠應用的工況條件、燒結(jié)制備的工藝裝備及質(zhì)量穩(wěn)定性的控制要素來開展研究開發(fā)工作。

(1)繩鋸用粉末材料的開發(fā)要與繩鋸制造商間形成緊密聯(lián)合，使材料的開發(fā)做到有的放矢。

針對實際工況，分析設(shè)定節(jié)點要素，根據(jù)節(jié)點要素的需求，開發(fā)調(diào)控材料性能。

(2)加強基礎(chǔ)應用研究。

材料的設(shè)計開發(fā)，最終需要通過實際應用效果來驗證，但這種驗證不是試驗的“堆砌”，而應是建立在扎實的應用基礎(chǔ)研究之上的，要對元素的作用過程、燒結(jié)體的微觀物相結(jié)構(gòu)及其與宏觀機械性能間的關(guān)聯(lián)影響機制開展深入研究。只有從原理機制上取得突破，才能明晰“以鐵代鈷”的內(nèi)涵中要“代什么”、“怎么代”的問題。

(3)重視與材料體系相匹配的工藝技術(shù)開發(fā)。

目前，多數(shù)工具制造商在生產(chǎn)過程中往往是依據(jù)以往的傳統(tǒng)經(jīng)驗來設(shè)計工藝參數(shù)，換言之，是采取“固定工藝，調(diào)整配方”的設(shè)計模式，而不是根據(jù)配方材料體系的特性要求來進行工藝設(shè)計，更是缺乏對產(chǎn)成品進行綜合分析判斷的方法與手段，因此，無法從內(nèi)在實質(zhì)上把控產(chǎn)品質(zhì)量，只能依靠大量重復性的應用試驗來驗證配方及工藝的優(yōu)劣。在很多情況下，易導致因工藝不匹配而掩蓋了配方的優(yōu)越性而最終導致反復試驗，無果而終的結(jié)局。

(4)加強材料表征體系的完善與實用化開發(fā)。

目前，行業(yè)內(nèi)除了極少數(shù)大廠家建立了比較完善的粉末質(zhì)量檢驗標準體系外，絕大多數(shù)中小廠家沒有原材料體系的檢驗標準與手段，因而只能被動地接受材料，當材料發(fā)生質(zhì)量波動而引起產(chǎn)品的質(zhì)量波動甚至造成損失時，也只能自行承擔，更嚴重的是，不知問題的原因所在，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量的長期穩(wěn)定性。為此，行業(yè)需要材料供應商能夠提供更為完善的材料表征指標及質(zhì)檢內(nèi)容，以便于用戶可根據(jù)質(zhì)量指標進行合適的選材、用材，保證制品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

(5)重視材料穩(wěn)定性的控制技術(shù)。

由于金屬結(jié)合劑超硬制品的燒結(jié)胎體往往是多種金屬元素的集合體，任何一種材料的波動，都會對制品的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因而，行業(yè)需要穩(wěn)定的材料供應體系。我國現(xiàn)行的金屬結(jié)合劑材料的質(zhì)量狀態(tài)——無論是單質(zhì)粉末還是合金粉末，較5年前已有明顯改善，對促進制品行業(yè)的發(fā)展具有明顯的推動作用。但在許多基礎(chǔ)原材料方面，行業(yè)內(nèi)依然采用以往的國標質(zhì)量體系，對材料的關(guān)鍵性能指標，如純度、關(guān)鍵雜質(zhì)含量的限定、粒度、氧含量、松裝密度等，國標所設(shè)標準偏低、指標浮動范圍偏大，對金剛石制品的質(zhì)量影響較大。因此，基礎(chǔ)原材料的實際供貨標準應根據(jù)超硬制品行業(yè)的實際需求而確定，在可行的范圍內(nèi)采用超越國標的質(zhì)量標準供貨，可更好地滿足超硬制品行業(yè)的發(fā)展需求。繩鋸串珠胎體的機械性能指標要求較高，對粉末原材料的性能指標要求范圍及穩(wěn)定性要求更高。

近年來我國超硬制品行業(yè)隨著國家產(chǎn)業(yè)政策及市場需求的變化，正經(jīng)歷著起伏波動，面臨著產(chǎn)業(yè)升級的迫切需要，高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保是今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律，整個行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈都面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)，穩(wěn)定的原材料供應體系與新材料的開發(fā)應用是超硬制品行業(yè)深入前行的基礎(chǔ)，全產(chǎn)業(yè)鏈的緊密配合與互利共贏也必將促進行業(yè)的快速升級發(fā)展，“優(yōu)勝劣汰”的競爭法則將會促進行業(yè)更加健康、穩(wěn)步前行。