變質巖類石材的專業(yè)切割/雕刻金剛石鋸片的設計開發(fā)

杜新豐，譚紅偉，菅 歡

(安陽富達金剛石工具有限公司，河南 安陽 455000)

1 前言

生活中常見的變質巖主要有大理石，類似質地的還有人造石英石，壓延石灰板等。大理巖屬副變質巖，由石灰?guī)r或白云巖變質而成，主要礦物組成為方解石、白云石，為結晶的碳酸鈣和碳酸鈣鎂的復鹽。這類巖石的加工難點在于其組織晶粒比較細，對胎體的研磨性太差，金剛石工具不易形成良性的磨損模型，有些巖石還含有大量的云母 ，在切割高溫下，如果刀頭耐高溫性不好，或者熱傳導效率低， 石材粉末就容易黏附于刀具刃口，讓本來難以出露的金剛石更加難以有效發(fā)揮切割功效。同時，此類工具在高溫、大深度切割、側磨以及避免不了的短時間曲線切割時，對基體以及胎體抗彎有極高的要求，常規(guī)金剛石鋸片很難滿足此類石材的加工要求，因而，必須針對此類石材的材質特點進行有針對性地改善鋸片的性能才能滿足實際加工工況的需求。本文針對變質巖類石材的特點及加工要求，采用具有高導熱及快速磨損能力的銅基胎體，優(yōu)化設計了可滿足實際工況需求的變質巖類金剛石雕刻鋸片。

2 實驗方案：

設計考察兩種胎體方案，一種是具有高導熱能力的脆性銅基胎體，一種是經過改性處理的脆性鐵基胎體。采用不同種類、不同粒度的單質/預合金粉末金屬，分別制備兩種不同配方體系的試驗樣塊。先冷壓制備40mm(長)×20mm(寬)×2.4mm(高)的壓坯，將冷壓坯置于鐘罩爐中，按照不同的燒結工藝進行燒結，將冷壓坯燒至設計尺寸：40mm(長)×20mm(寬)×2mm(高)，測試燒結樣塊的強度、硬度，并在自制的對磨磨損試驗機上測試樣塊的磨損失重值，以評價模擬胎體的磨損性。鐘罩爐燒結工藝選取燒結溫度、高溫保溫時間及燒結壓力作為工藝優(yōu)化設計的三水平因素。

從冶金因素入手，細化胎體組織，采用不同粒度的金屬粉末組合。對于銅基胎體，重點是選擇超細的霧化CuSn15粉末與單質Cu、Sn粉末組配進行燒結，以調整燒結胎體的合金化能力、致密度、強度及硬度。對于脆性的鐵基胎體，則通過設計含P的鐵基水霧化預合金粉末對胎體實施脆化改性處理，在保證胎體對金剛石具有足夠把持力的條件下，有效弱化鐵基胎體的耐磨性。

從胎體的脆化改性設計出發(fā)，在設計胎體中加入不同質量比例的粒度為2μm的細顆粒α-Al2O3，以調整胎體的自身脆性磨損能力，改善鋒利度。

通過優(yōu)化組合試驗確定銅基與鐵基胎體的配方成分及燒結工藝后，再對兩種胎體鋸片進行實際應用比對，分別生產制備Φ110mm的大理石干切鋸片，通過金剛石的選配，即加入不同強度、粒度、濃度的金剛石，測試鋸片的工程應用效果，最終確定適于批量規(guī)?；a的胎體配方與穩(wěn)定可行的生產工藝。

2.1 高溫脆性胎體的改性研制

相對經濟的選項有銅基和鐵基的，雖然鎳鈷基前期做過深入的實驗，性能確實能達到理想效果，但是因為昂貴的成本而難以推廣。根據(jù)前期鎳鈷基胎體實驗經驗來看，粉末粒度對胎體性能的決定性作用是比較顯著的，此次做鐵基和銅基實驗同樣把粒度作為重要因素考量，根據(jù)工藝匹配，最終找到跟鈷基性能近似的胎體。

粉末的選擇重點考察單質粉末與霧化合金粉末，單質粉末體系的高銅基胎體的燒結合金化難以控制，對金剛石的濕潤性很差，而且需要調控銅-錫間的成分比例，銅-錫比過高不利于燒結，銅-錫比過低抗彎強度差，胎體對金剛石的把持力又會不足。而常規(guī)單質粉末體系的鐵基胎體的自銳性和燒結穩(wěn)定性都比較差，也難以滿足工程應用需求，需要對其進行改性處理，因此，我們以P合金為主要改性方向，欲以此提高鐵基胎體的脆性[6]，并弱化胎體的耐磨性?；谝陨蠁栴}，本文重點嘗試性價比較好的銅基和鐵基的水霧化預合金粉與常規(guī)單質粉末的組合應用(見表1)，以對比不同組分體系的合金粉末的作用效果。

表1中，單質的銅、錫粉末采用常規(guī)-200目粒度，而銅錫合金及鐵基合金則為-300目的水霧化合金粉末，制備40mm×20mm×2.4mm的壓坯,投料系數(shù)為1.02。置于鐘罩爐中采用不同的燒結工藝進行燒結對比試驗，成品燒制試塊的高度設定為2mm,考察燒結坯體的合金化、致密化、硬度、強度及磨損性等性能指標的變化。

表1 銅基與鐵基胎體的試驗配比

樣塊分別在不同工藝下燒結，每層8個試塊，圖1為鐘罩爐中燒結試驗的兩個對比工藝曲線，前期排氣升溫工藝基本無異，1#配方工藝排氣溫度605℃, 2#配方工藝排氣溫度805℃，其他差異因素主要在最高溫度、保溫時間和壓力。實驗也是基于這3個差異因素，采用三因素多水平交叉對比進行，以找到適合兩個胎體的燒結工藝。在眾多試驗數(shù)據(jù)中，排除部分燒結不到位、燒結滲析嚴重等無效數(shù)據(jù)組，采集有效數(shù)據(jù)如表2及表3所示，亦即所選取的八個工藝均為有效工藝，都能保證試樣的燒結尺寸及機械性能指標達到設計要求。確定滿足試驗需要的這些工藝組合后，再對各個工藝的燒結試樣進行詳細對比分析，以進一步篩選優(yōu)化配方及工藝。

表2 1#配方所適用的有效工藝(最高溫度℃/高溫保溫時間min/壓力kN)

表3 2#配方所適用的有效工藝(最高溫度℃/高溫保溫時間min/壓力kN)

試驗結果分析表明，在所選取的工藝組合因素中，最高燒結溫度與壓力的影響較為顯著，圖1以2#配方的H工藝示例，工藝調控的側重點在于燒結溫度與壓力的匹配。

圖1 燒結試驗H工藝的溫度與壓力的配合設計Fig.1 Design of temperature and pressure in sintering process H

抽樣樣號1-A1-B1-C1-D2-E2-F2-G2-H抗彎強度(N·M)445.55.78.28.56.97.8硬度HRB8276888791889889燒結評價良中優(yōu)良中中優(yōu)優(yōu)

不同工藝條件下所制備的樣品對比數(shù)據(jù)如表4。通過表4數(shù)據(jù)可以看出，對于1#胎體，在工藝影響因素中，胎體性能對溫度更為敏感，其在高溫燒結工藝下的抗彎強度更高一些，而高溫的保溫時間則對胎體的其他物理指標沒有明顯改善，亦即1#胎體的首要工藝影響因素是溫度。2#胎體工藝組合的特點是需要壓力較大，且胎體的抗彎強度及燒結評價隨溫度的升高而改善，但當溫度達到890℃后，2-G工藝組合的胎體抗彎強度急劇降低。工藝2-H組合的胎體強度符合要求，但燒結壓力過高，不利于批量生產，因而，可以通過微調2#胎體配方：增加1%的錫可把壓力降到110MPa，雖然抗彎下降到7N·M，但也基本滿足了設計需求。

在上述胎體強度考察調整的基礎上，再行考察胎體的磨損性能。上述工藝組合所制備胎體在自制的對磨磨損試驗機上所測試的磨損實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 胎體磨損測試數(shù)據(jù)

表5的對比數(shù)據(jù)是在恒定的推力下刀頭和砂輪對磨消耗的胎體質量，其中1#胎體黏砂輪較多，實驗完畢后砂輪表面有銅屑存留，部分阻塞砂輪，尤其1-A較為明顯。1-A、B的數(shù)據(jù)對比表明：保溫時間對胎體的磨損性能是較為重要的，時間越短磨損越快。2#胎體總體磨損較快，其中2-G磨損最快，2-E與2-G對比，說明保溫時間對胎體的改性不是非常明顯，溫度是主要的影響因素。

2.2 胎體微量元素的改性調節(jié)

考慮改變工藝對胎體的改性存在抗彎和磨損速度的矛盾，對1#胎體較為理想的磨損模型為“低溫-短時間”，目標為提高抗彎強度。對于2#胎體較為理想的磨損模型為“高溫-短時間”，目標達到甚至超越2-G的磨損速度。綜合考慮以上因素，我們采取對1#胎體進行降低粒度實驗，以改善燒結性能，降低燒結溫度[5]。各粉末參數(shù)的調整見表6。2#胎體進行添加元素改性實驗，具體調整見表7。

調整后的銅錫合金為超細銅錫擴散粉和霧化粉，引入配方后燒結溫度可以降低15℃，且燒結狀態(tài)較好，合金化程度較高，胎體表面金黃，抗彎也達到5.3N·M。配方中加入單質Sn粉的主要目的是使胎體中存在適當數(shù)量的脆性相，以弱化調整胎體的耐磨性。但單質Sn粉的引入增加了燒結過程中的液相量，極易導致燒結波動，影響胎體性能。

表6銅基胎體主體粉改性調節(jié)參數(shù)

Table 6 Adjusting parameters of main body powder modification of copper matrix

因此，為了既保持胎體具有一定的脆性，又要保持燒結工藝的穩(wěn)定性，在1#配方中加入部分羰基鎳(D50：18μm，氧含量為1100×10-6)來抑制低熔點金屬的流失，以保證胎體在較寬的溫度范圍內具有良好的工藝穩(wěn)定性。通過反復實驗對比，細粒度的霧化CuSn15合金粉末具有更好的燒結穩(wěn)定性。借鑒有關文獻[2]，試驗選取的所有粉末的氧含量均控制在3000×10-6以下，重要單質類的控制更低。

對于2#鐵基胎體，通過設計作為主料的含P量不同的鐵基預合金粉末，從而改變配方中P元素的含量來調整燒結胎體的磨損性，表7是不同含P量的鐵基預合金粉末的相關數(shù)據(jù)。

表7 不同含P量的鐵基預合金粉末的相關數(shù)據(jù)

表7的數(shù)據(jù)對比是調整主體粉胎體內P元素的含量，從0.5%～4%都做了對比實驗，根據(jù)燒結數(shù)據(jù)對比，表中四種鐵基預合金粉末的組合胎體在達到理論燒結尺寸的情況下，合金粉末的成分、燒結溫度、壓力以及保溫時間對試樣燒結尺寸的影響不大，但燒結胎體抗彎強度的差異較大：隨著P含量的增加，胎體的抗彎強度逐步降低，且呈線性關系，P含量在2.2%時，試塊抗彎強度已經在6以下，如圖2所示。

圖2 P含量對實驗胎體抗彎強度改變Fig.2 The content P affecting the bending strength of the experimental

綜合考慮，對于2#配方，試驗最終確定鐵基合金粉末的P含量為2%時，既能保證抗彎強度，又能保證磨損速度。

經過上述對1#及2#配方在冶金及工藝方面的調整，已可以初步確定二者經過適當優(yōu)化調整后皆可進行后續(xù)的實踐應用測試環(huán)節(jié)。根據(jù)多年的經驗，抗彎強度在6N·M以下的時候，當遇到曲線切割和刀頭高溫時，斷齒的概率就逐步加大。綜合考量配方、工藝及應用需求等因素，選取N1-B及N2-G兩種配方-工藝組合(N1表示改進后的1#胎體，B為表2工藝編號,N2-G類同)，進一步優(yōu)化調整胎體的關鍵性能指標項——硬度、強度、磨損性，見表8。

表8 優(yōu)化調整后胎體的相關性能指標

從表8的性能指標項來看，1#與2#胎體對比沒有明顯的差異，由此，兩胎體都進入下一輪的添加金剛石的應用實驗測試環(huán)節(jié)，但是兩個胎體都有各自的缺點：

N1-B號胎體因為是超細粉末，在混料過程中存在錫粉偏析現(xiàn)象，考慮錫粉是低熔點金屬，存在的部分偏析影響流動性的因素暫時忽略， 故未把錫粉的粒度作為考量因素做入實驗。前期保溫時間留夠，給充分的液相擴散時間。

N2-G號胎體在重復操作的三次中還存在一次黏砂輪現(xiàn)象，磨屑已經達到很細的水平，但是不容易從砂輪脫落，考慮其是鐵基胎體，摩擦過程中產生磁性，磨屑因此而吸附在表面。

2.3 非金屬微粉添加對胎體的調節(jié)

為了進一步改善胎體的磨損性，在上述N1-B及N2-G的基礎上，再加入適量的金屬氧化物填料，以此加快胎體的磨損剝離脫落速度，提高工具的鋒利度。

非金屬微粉在粒徑選擇合適的情況下能對金屬粉末之間燒結頸生長起抑制作用[4]，弱化胎體的結合力，從而使胎體宏觀組織容易磨損，但是把握不當就會對胎體抗彎產生負面影響，且胎體對金剛石把持力也造成很大的負面作用，這里我們選擇高溫穩(wěn)定性較好的金屬氧化物作為填料，比如α型三氧化二鋁改善胎體的磨損性能,具體添加方式及胎體的磨損數(shù)據(jù)見表9。

表中有數(shù)據(jù)部分為同樣的磨損測試機制下，胎體120秒的失重量，表中橫線無數(shù)據(jù)部分為抗彎強度太差，無使用價值項；其中極大值為胎體打火過度磨損，胎體燒傷發(fā)黑，數(shù)據(jù)無意義。經試驗測試，其中(D50=2 , 濃度0.1%)組合作用明顯，鋒利度提高19% 。

表9 氧化物填料與配方組合應用方法及胎體磨損數(shù)據(jù)

3 金剛石的選擇及處理

3.1 金剛石的粒度選擇

在確定了兩種基礎實驗胎體配方1#—脆性銅基胎體、2#—高溫鐵基胎體后，在胎體中加入金剛石，考察金剛石的濃度、粒度等對工具實際切割效果的影響，進行排列組合實驗(見表10)，做成大理石切割鋸片，根據(jù)在規(guī)定的測試條件下鋸片鋒利度及壽命的數(shù)據(jù)，評測鋸片的綜合使用效能。

表10 金剛石粒度篩選組合實驗

排列組合注解：1-4樣本的篩選原則是，篩選粒度號，選擇切割效率最高者，根據(jù)PPC(每克拉金剛石顆粒數(shù))值對金剛石濃度進行了修正，力圖保證單位體積顆粒數(shù)趨于一致，保證切削弧長相對穩(wěn)定[8]。實驗結果表明，樣本3切削效率較高，1號和2號跳動厲害，這是因金剛石粒度粗，出露高度過高的緣故，顯微鏡測量出露高度大約310μm ，2號3號出露分別是220μm和160μm，4號切割平穩(wěn)，但是效率偏低，金剛石出露高度的測量方法[3]為取10個測量點的h2平均值(見圖3)。

圖3 金剛石出露模型測量Fig.3 The measurement of diamond exposure model

部分金剛石粒度和目數(shù)對照關系粒度1016202530354045506080100粒徑20001190840710590500420350297250178124

表12 GE公司金剛石PPC 值部分數(shù)據(jù)列表

由于變質巖質地軟，切割時耕犁作用較弱，單顆粒金剛石刻劃后對周圍石材組織的破壞作用有限，金剛石出露高度過高時，在普通的切割力下難以全部切入，導致打滑和跳動，金剛石出露高度過低，切割又會效率太低。實驗結果表明：高濃度細粒度金剛石組合更適合硬度較低的銅基胎體，而粗粒度低濃度組合，更適合高硬度的鐵基胎體。

在金剛石的粒度組合優(yōu)選基礎上，對表10中的3號和4號樣本進行修正——粒度不變，修正濃度，因此制定了5號和6號樣本金剛石濃度差別實驗，經測試，表中的5-2號樣本50ct/kg濃度項的切割效果較好， 6-3號樣本80ct/kg濃度選項的切割效果也很好，兩種方案均達到335mm2/sec(每秒切過的大理石面積)以上。

3.2 鍍覆金剛石鋸片的切割效果

在上述試驗的基礎上，為了進一步增強胎體對金剛石的把持力，對金剛石進行鍍鈦處理[7]，選擇鍍覆增重率6.5‰，鍍層厚度在1.2～2.5微米之間，且鍍層表面呈亞光狀態(tài)，如圖4。采用N2-C-5/60ct方案分別制備鍍覆與非鍍覆金剛石大理石鋸片進行測試，圖5為胎體對鍍覆/非鍍覆金剛石的包鑲狀態(tài)SEM形態(tài)，可以看出胎體與鍍覆金剛石間的界面結合能力更強，胎體對鍍覆金剛石的把持力明顯改善，在加冷卻水條件下，與非鍍覆金剛石鋸片相比，鍍覆金剛石的鋸片利用率提高將近一倍。

圖4 100倍鍍覆金剛石顯微圖Fig.4 The micrograph of plated diamond with a 100 times magnification

圖5 燒結胎體N2-G對非鍍覆與鍍覆金剛石的包鑲狀態(tài)SEM形貌Fig.5 The SEM morphology of coated state of non-plated and diamond-coated by sintered matrix N2-G

4 實地切割數(shù)據(jù)對比

因為沉積巖類強度低，市場很少做常規(guī)工程板，18mm厚左右的板材，容易斷裂，故測試數(shù)據(jù)是以50mm厚青石板為測試對象，測試機器為110型，960瓦，9000轉/分 角向磨機，鋸片安裝法蘭，可以平面切割，但是由于是間歇性切割，統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在誤差，采取方法為測試鏟除50mm×400mm橫截面需要的時間，測試10次取平均值，每次鏟除約5毫米厚度。

市場反饋能完全滿足使用，燒刀糊刀現(xiàn)象很少出現(xiàn)，金剛石出刃明顯，鋸片在曲線切割時，胎體及基體疲勞斷裂概率很低，平均使用壽命5～7天。

表13 直徑110mm雕刻片切割50mm厚青石板材效率數(shù)據(jù)對比

5 結論

(1)變質巖類石材的研磨性弱，要求切割鋸片胎體具備快速易磨的脆性磨損特點，方能保證金剛石的持續(xù)出刃能力，保持鋸片具有適宜的鋒利度。

(2)具有高導熱能力的銅基胎體鋸片及脆性的鐵基胎體鋸片均可滿足工程需求，但需要采用不同的調控技術路線，通過調整胎體的冶金因素與力學因素，控制胎體具有合適的強度、硬度及磨損性，是此類鋸片胎體的設計基礎要素。

(3)采用細顆粒粉末組合來細化胎體組織，特別是采用超細預合金粉末，可以顯著細化胎體組織，降低燒結溫度，穩(wěn)定燒結工藝，改善胎體的冶金及力學特性。

(4)設計含P的脆性鐵基水霧化預合金粉末，可以提高鐵基胎體脆性，本實驗條件下的適宜P含量為2%左右。

(5)為了進一步改變胎體的磨損性，可添加0.1%的粒度為2μm細顆粒α-Al2O3來增加胎體的脆性磨損剝離能力，以促進金剛石的快速出刃，提高鋸片鋒利度。

(6)采用鍍鈦金剛石，并調控鍍覆工藝，保持鍍覆增重率6.5‰、鍍覆層厚度1.2～2.5μm，鍍覆金剛石與燒結胎體間的界面結合力顯著增強，金剛石的使用效率可提高將近一倍。

(7)對于變質巖類干切鋸片，金剛石的選配側重點是“細顆?！推芳?高濃度”，或“粗顆粒-高品級-低濃度”。