金屬結(jié)合劑金剛石工具的胎體組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能設(shè)計(jì)

孫雙雙,張洪喜, 喬翠婭, 馮海洲,董書山

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012;2.秦皇島市雅豪新材料科技有限公司，河北 秦皇島 066206)

1 前言

我國(guó)是超硬材料及制品大國(guó)，石材加工是超硬制品消費(fèi)量最大的應(yīng)用領(lǐng)域。圓盤鋸與繩鋸是石材荒料加工制板的主要加工工具，而低成本的鐵基胎體是超硬制品發(fā)展的主旋律。鋒利度是金剛石制品的首要性能指標(biāo)，而鐵基胎體的最大優(yōu)勢(shì)是成本低，最大的問(wèn)題是鋒利度調(diào)整難度大。胎體對(duì)金剛石的把持力及其與金剛石相適配的磨損性是金剛石工具的兩個(gè)關(guān)鍵因素，把持力與磨損性的和諧統(tǒng)一，是金剛石制品的設(shè)計(jì)與制造核心，與材料選擇、配方設(shè)計(jì)、工藝管控等諸多因素有關(guān)，涉及胎體的燒結(jié)致密度、強(qiáng)度、硬度、磨損性、潤(rùn)濕性、紅硬性等眾多性能指標(biāo)[1-4]，而制品的應(yīng)用性能則是這眾多因素的集成體現(xiàn)，任何一個(gè)因素的變化，都可能對(duì)刀頭的性能產(chǎn)生影響，因而加大了制品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理難度，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性造成極大影響。在看似紛繁復(fù)雜的影響因素之下，最終決定刀頭性能的因素可簡(jiǎn)單歸結(jié)為4個(gè)字——組織性能。因而，如何調(diào)控刀頭的組織性能是刀頭的設(shè)計(jì)與制備關(guān)鍵。目前，多數(shù)制品廠家依然采用經(jīng)驗(yàn)型的“試驗(yàn)堆砌”開(kāi)發(fā)方式，只是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)型的分析判斷來(lái)調(diào)整配方，囿于經(jīng)驗(yàn)的豐富程度及正確與否，往往難以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果得出準(zhǔn)確的分析判斷，抓不住開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，因而也就難以開(kāi)發(fā)出符合需求的配方體系，常常陷于往復(fù)無(wú)益的重復(fù)試驗(yàn)循環(huán)之中，經(jīng)常導(dǎo)致無(wú)功而返，甚至前功盡棄的結(jié)果。究其原因，是這種“經(jīng)驗(yàn)堆砌”的開(kāi)發(fā)方式，缺乏對(duì)影響工具性能關(guān)鍵要素的深入理解，無(wú)法對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行明確化、定量化與歸一化，因而，也就無(wú)法從把控關(guān)鍵技術(shù)的角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。換言之，只有全面、深入地掌握基礎(chǔ)理論，并將理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，從紛亂繁雜的試驗(yàn)表象中凝結(jié)提煉出關(guān)鍵影響因素，并對(duì)之實(shí)施量化分析與調(diào)控，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)從半定量的“經(jīng)驗(yàn)型”轉(zhuǎn)化為對(duì)關(guān)鍵要素的“定量化”設(shè)計(jì)與調(diào)控，才能真正掌握設(shè)計(jì)核心與調(diào)控手段，開(kāi)發(fā)出符合設(shè)計(jì)需求的產(chǎn)品，保證批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單說(shuō)，如何獲取可定量化控制的組織性能，是超硬制品的設(shè)計(jì)核心。本文從組織性能的調(diào)控角度出發(fā)，通過(guò)控制燒結(jié)組織的致密化、晶粒度、潤(rùn)濕性、強(qiáng)度、硬度等性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)花崗巖圓盤鋸刀頭，以揭示組織性能對(duì)工具使用性能的影響與功效。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谦@取高性價(jià)比的Fe基花崗巖大刀頭。以Fe-Cu合金體系為主，通過(guò)控制胎體的合金化程度、晶粒度、強(qiáng)度、硬度及潤(rùn)濕性等性能指標(biāo)，調(diào)控冶金因素(配方設(shè)計(jì))及工藝因素(工藝設(shè)計(jì))來(lái)獲取組織晶粒細(xì)化的高致密度、高強(qiáng)度及高潤(rùn)濕性的胎體組織結(jié)構(gòu)。以提高金剛石的“有效利用率”為核心，以設(shè)計(jì)強(qiáng)度為主要考量指標(biāo)，在確保胎體對(duì)金剛石具有良好把持力的同時(shí)，再通過(guò)調(diào)控物相組配及組織晶粒度來(lái)調(diào)整磨損性，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素——金剛石把持力與胎體磨損性的合理匹配，以達(dá)到鋒利度與壽命間的良好適配。

采用秦皇島雅豪公司的3種細(xì)顆粒水霧化預(yù)合金粉末：YA412(Fe-Cu-Ni-Sn系，-400目)、FeCu30(-400目)、超細(xì)CuSn15(激光中位徑粒度D50:7-10μm)及單質(zhì)Sn粉(-300目)進(jìn)行組合應(yīng)用，調(diào)整組合比例見(jiàn)表1：

表1 試驗(yàn)配方成分體系

在上述組分范圍內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，不加金剛石，在820℃～900℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)，燒結(jié)制備30 mm×12 mm×6 mm的抗彎試樣，燒結(jié)壓力為250 MPa。測(cè)試試樣的燒結(jié)致密度、抗彎強(qiáng)度及硬度，從試驗(yàn)結(jié)果中選取致密度>99%、抗彎強(qiáng)度>1300 MPa、硬度在HRB95-108的成分組配，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析斷口組織，分析晶粒度。

對(duì)篩選后的配方，加入體積濃度為10%的40/45粒度金剛石，在確定的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，從中再次選擇致密度>98.5%、抗彎強(qiáng)度>1040 MPa、硬度>HRB95的配方體系?？剂恐攸c(diǎn)為加入金剛石后，試樣的抗彎強(qiáng)度下降值<20%，以保證胎體對(duì)金剛石具有足夠的把持力，由此，確定刀頭的配方組分(見(jiàn)表2)。

表2 優(yōu)化試驗(yàn)所確定的刀頭配方

采用優(yōu)化配方制備13片組的組鋸刀頭，在石材加工廠運(yùn)行測(cè)試刀頭的實(shí)際性能狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

金剛石工具的核心是有效發(fā)揮金剛石磨粒的功能，因而，胎體對(duì)金剛石的把持力是第一要素；其次，胎體與金剛石間的磨損適配性是保持鋒利度的重要保障。提高胎體對(duì)金剛石把持力的有效途徑：一是采取鍍覆金剛石的“金剛石界面化學(xué)鍵合+胎體機(jī)械卡固”的方式；二是采用簡(jiǎn)單的非鍍覆金剛石的“胎體機(jī)械卡固”方式；三是采取調(diào)控胎體組分活性而在燒結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)非鍍覆金剛石的“界面反應(yīng)鍵合+胎體機(jī)械卡固”的方式。無(wú)論采取何種方式，都離不開(kāi)“胎體機(jī)械卡固”的作用，而胎體的機(jī)械卡固能力則取決于胎體的組織性能。

Fe基金屬結(jié)合劑是現(xiàn)今及今后的主導(dǎo)體系，主要以單質(zhì)Fe粉及Fe-Cu合金為主。Fe基刀頭的性能及批量化生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定性波動(dòng)性較大，主要與粉末原材料質(zhì)量及與之相配套的制備工藝有關(guān)，可體現(xiàn)在對(duì)刀頭的機(jī)械性能的影響——對(duì)刀頭的燒結(jié)致密度、強(qiáng)度、硬度、磨損性及潤(rùn)濕性等方面的影響。刀頭的機(jī)械性能是由燒結(jié)體的組織性能所決定的，因而，如何設(shè)計(jì)、控制胎體的組織結(jié)構(gòu)與性能，是金屬結(jié)合劑金剛石工具的技術(shù)關(guān)鍵，只有深入了解胎體的微觀組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能間的關(guān)聯(lián)，才能從根本上掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)核心。

材料與工藝是配方設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，若要獲取高性能的胎體組織，首先需要準(zhǔn)確選材，然后再根據(jù)材料的特性，合理設(shè)計(jì)制備工藝，這才能保障材料特性的充分發(fā)揮。

選材需要考慮的因素是：成分、性能、粒度、氧含量及價(jià)格因素等；配方設(shè)計(jì)，即材料組合，以功能調(diào)控為主要參考，需要考慮性能、粒度、燒結(jié)活性等方面的匹配。在材料性能選擇上，本文重點(diǎn)以強(qiáng)化胎體對(duì)金剛石的機(jī)械把持力為核心，主料選擇較高強(qiáng)度的細(xì)顆粒預(yù)合金粉末組合；含低熔點(diǎn)組分的促進(jìn)致密相以超細(xì)CuSn15為主，輔以少量的單質(zhì)Sn粉，以便促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程中的液-固致密化，并使燒結(jié)工藝簡(jiǎn)便易控。胎體的磨損性則依靠合金化程度、物相結(jié)構(gòu)及晶粒度的控制來(lái)進(jìn)行調(diào)控。在工藝設(shè)置方面則是以不同物料間在升溫過(guò)程中物相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化為主要考量因素，特別是重點(diǎn)控制在設(shè)計(jì)強(qiáng)度下的胎體組織晶粒度，以獲取軟-硬相間布的組織結(jié)構(gòu)，調(diào)配適宜的磨損性，保證鋒利度。本文選擇以通用的細(xì)粒度水霧化FeCu30為基礎(chǔ)相；以可調(diào)配合金化能力、致密度、強(qiáng)度及潤(rùn)濕性的Fe-Cu-Ni-Sn合金體系的YA412為強(qiáng)度調(diào)整相；以超細(xì)CuSn15輔以單質(zhì)Sn粉為促進(jìn)合金化與致密化的燒結(jié)液相及脆性調(diào)節(jié)相。圖1為FeCu30的燒結(jié)致密度隨溫度的變化曲線，圖2為其抗彎強(qiáng)度與硬度隨溫度的變化曲線。

圖2 FeCu30燒結(jié)樣塊的抗彎強(qiáng)度與硬度隨溫度的變化曲線Fig.2 The curve of bending strength and hardness changed with the temperature of sintering FeCu30 sample

從圖中可以看出，在830℃～910℃的較寬溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)eCu30的抗彎強(qiáng)度均不高于1400 MPa，所以當(dāng)其與其它的單質(zhì)Fe、Cu、Sn、Zn等粉末和金剛石一同燒結(jié)后，配方的燒結(jié)強(qiáng)度會(huì)大幅度下降30%～50%，甚至更多。由于胎體強(qiáng)度的大幅度降低，會(huì)大大削弱胎體對(duì)金剛石的把持力，降低金剛石的有效利用率，從而惡化刀頭鋒利度與使用壽命。

當(dāng)采用高溫?zé)Y(jié)強(qiáng)度較高的YA412作為強(qiáng)化相與FeCu30配合使用后，配方的燒結(jié)強(qiáng)度會(huì)大幅度穩(wěn)定提高，可極大地增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的有效把持力。表3為YA412的主要成分，圖3及圖4分別是YA412的燒結(jié)致密度、抗彎強(qiáng)度與硬度隨溫度的變化曲線。

表3 YA412的主要成分

圖3 YA412的燒結(jié)致密度隨溫度變化曲線Fig.3 The curve of the density changed with the temperature of sintering YA412 sample

圖4 YA412的燒結(jié)強(qiáng)度與硬度隨溫度變化曲線Fig.4 The curve of the bending strength and hardness changed with the temperature of sintering YA412 sample

按表2的配方進(jìn)行燒結(jié)，加入10%體積濃度金剛石試樣的燒結(jié)致密度>98.5%，抗彎強(qiáng)度為1200 MPa左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可大幅度增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力；胎體硬度可達(dá)HRB96-103，具有良好的耐磨性。圖5為刀頭胎體對(duì)金剛石的包鑲狀態(tài)，圖6為金剛石脫落坑狀態(tài)。

從圖5及圖6可以看出，胎體對(duì)金剛石的包鑲良好，金剛石脫落坑呈“麻面”狀態(tài)，此麻面系鍍覆金剛石表面形成凸起化學(xué)鍵合物并粘附胎體組分后所形成的。由此可見(jiàn)，胎體對(duì)金剛石實(shí)現(xiàn)了“化學(xué)鍵合+機(jī)械卡固”的雙重把持，可有效提高金剛石的利用率，并以此實(shí)現(xiàn)工具壽命的保障，而非單純依靠增加胎體的耐磨性來(lái)提高壽命。致密、細(xì)膩、高強(qiáng)度的組織結(jié)構(gòu)是保障胎體機(jī)械性能的基礎(chǔ)要素，圖7及圖8是胎體組織結(jié)構(gòu)特征的SEM形貌，圖中可見(jiàn)胎體呈細(xì)密的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，組織晶粒邊界清晰，亦即細(xì)顆粒粉末間未形成大面積的燒結(jié)重結(jié)晶長(zhǎng)大，由此，既可以保證胎體具有足夠的強(qiáng)度，又可以調(diào)整胎體的磨損性，使之與金剛石的磨損相匹配；同時(shí)，組織斷口在宏觀上呈現(xiàn)脆性斷裂特征，而在微觀區(qū)域則呈現(xiàn)出具有一定韌性的致密亞結(jié)構(gòu)，這是胎體組織既可保持足夠的強(qiáng)度及把持力，又具備合適磨損特性的組織特征。在實(shí)現(xiàn)了胎體組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)調(diào)配金剛石的粒度、強(qiáng)度及濃度，即可有針對(duì)性的設(shè)計(jì)生產(chǎn)適應(yīng)不同石材及工況條件要求的刀頭，使鋒利度與壽命間達(dá)到合理的匹配，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖5 胎體對(duì)金剛石的包鑲SEM形貌Fig.5 The SEM morphology of the impregnated diamond

圖6 金剛石脫落坑SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of the pit of drop-off diamond

圖7 胎體的低倍組織SEM形貌Fig.7 The SEM morphology of the matrix under 500 times magnification

圖8 胎體的高倍組織SEM形貌Fig.8 The SEM morphology of the matrix under 2000 times magnification

按設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)制備13片組的花崗巖圓盤鋸，切割莫氏硬度在7～8級(jí)的硬質(zhì)花崗巖，在滿足用戶鋒利度要求的條件下，刀頭的壽命超過(guò)1.8m2/粒，整體切割過(guò)程順暢平穩(wěn)，切板質(zhì)量良好，可較好地滿足用戶需求。圖9與圖10分別是刀頭切割工作刃面及側(cè)面的金剛石出刃狀態(tài)，金剛石把持狀態(tài)較好，具有合適的出刃高度。

4 結(jié)論

(1)金屬結(jié)合劑金剛石工具的性能主要取決于胎體的組織性能，獲取高致密度、高強(qiáng)度、高潤(rùn)濕性及合適磨損性的組織結(jié)構(gòu)是工具設(shè)計(jì)的技術(shù)要素。

(2)以組織性能為設(shè)計(jì)核心，通過(guò)調(diào)控組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能指標(biāo)來(lái)獲取具有合適綜合性能的胎體，可以擺脫傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)型”設(shè)計(jì)習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)工具的“定量化”設(shè)計(jì)，實(shí)施設(shè)計(jì)指標(biāo)的有的放矢，大幅度提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

(3)采用細(xì)顆粒的合金粉末組合，并配以與粉末特性相適應(yīng)的燒結(jié)工藝，可以獲得具有高強(qiáng)度、高把持力、磨損性合適的胎體組織，可顯著提高生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性，滿足實(shí)際工況需求。

(4)金剛石工具的使用壽命應(yīng)首先以提高金剛石的有效利用率為先決條件，據(jù)此開(kāi)展配方及工藝設(shè)計(jì)，而非依靠增加金剛石濃度或胎體的磨損性來(lái)提高壽命，由此可減少金剛石用量，顯著降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性價(jià)比設(shè)計(jì)。

圖9 刀頭切割刃面金剛石出刃狀態(tài)Fig.9 The exposed diamond grit on the blade cutting surface

圖10 刀頭側(cè)面金剛石出刃狀態(tài)Fig.10 The exposed diamond grit on the blade side surface