金剛石繩鋸用Fe基預(yù)合金粉代Co性能

劉志環(huán)，張紹和

(中南大學 地球科學與信息物理學院，有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083)

金剛石繩鋸已廣泛應(yīng)用于石材礦山開采工程、深基坑支撐梁拆除工程中，具有切割面積不受限制、鋸路規(guī)整、切割損傷小等優(yōu)點[1–4]。串珠是金剛石繩鋸的主要工作部件，一般采用粉末冶金方法制造，通過串珠內(nèi)部合理分布的金剛石顆粒，在繩鋸高速旋轉(zhuǎn)帶動下，采用“以磨代切”的方式，實現(xiàn)對加工對象的切割與分離[5–6]。采用粉末冶金法制造金剛石繩鋸串珠，要求胎體材料具有較好的包鑲金剛石顆粒的能力外，還需要具備與金剛石顆粒磨損相匹配的磨損性能以及一定的強度等[7–9]。繩鋸串珠胎體材料的組成成分一般包含骨架材料、黏結(jié)相、改性成分等，骨架材料決定了胎體材料的主要性能特征；金屬鈷(Co)是優(yōu)質(zhì)的繩鋸串珠結(jié)合劑材料，具有很好的對金剛石顆粒的潤濕性，而且燒結(jié)體抗彎強度高，高 Co含量金剛石繩鋸?fù)哂休^好的綜合使用性能，但 Co價格昂貴，而且屬于國家戰(zhàn)略性物質(zhì)，因此，研究可代 Co的預(yù)合金粉體材料成為目前金剛石繩鋸主要的研究方向之一[10–13]；近年來，行業(yè)較多集中于FeCoCu預(yù)合金粉的制備與應(yīng)用技術(shù)的研究，而關(guān)于FeCoCu代Co機理的研究鮮有報道[14–16]。本文作者從金剛石繩鋸串珠胎體材料設(shè)計原理入手，研究共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的力學性能和摩擦磨損性能，并與單質(zhì) Co燒結(jié)體的相關(guān)性能進行對比，探討Fe基預(yù)合金粉替代Co粉的可行性；分別以FeCoCu和單質(zhì)Co為骨架材料制作金剛石繩鋸用于石材礦山開采，研究Fe基預(yù)合金粉與單質(zhì) Co粉對切割性能的影響規(guī)律，同時探討結(jié)合劑材料的物理力學性能與繩鋸切割性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1 實驗

1.1 粉末的制備

FeCoCu預(yù)合金粉采用共沉淀法制備。按表1所示各元素質(zhì)量配比稱取相應(yīng)氯化物原材料，分別溶于去離子水中，形成 FeCl2·4H2O，CoCl2·6H2O 和CuCl2·2H2O等水化合物，混合配制成濃度為1.0 mol/L的草酸溶液，將金屬鹽溶液和草酸溶液通過加液釜以相同速率分別加入到反應(yīng)釜中進行共沉淀反應(yīng)，反應(yīng)溫度為50℃，充分攪拌后加入氨水溶液調(diào)整反應(yīng)溶液的pH，使其保持在2左右，反應(yīng)20 min后再靜置沉淀 2 h，獲得 FeCoCu復(fù)合草酸鹽沉淀物，沉淀物經(jīng)過過濾、清洗、煅燒和還原，得到所需要的預(yù)合金粉。單質(zhì)Co粉采用草酸鹽氫還原法生產(chǎn)，將高純Co礦通過萃取形成Co的草酸鹽，再通過高壓H2還原、破碎、篩分，得到所需要的單質(zhì)Co粉。

表1 預(yù)合金粉中各元素名義成分組成(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Composition of pre-alloyed powder %

1.2 粉末燒結(jié)體的制備

分別將FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉按重量要求裝入石墨模腔，置于國產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐中進行熱壓燒結(jié)，得到長×寬×高為30 mm×12 mm×6 mm的預(yù)合金粉燒結(jié)體試樣。熱壓爐真空度為0.1 Pa，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)溫度為 840℃，Co粉燒結(jié)溫度為880℃，保溫保壓時間和燒結(jié)壓力兩者都相同，分別為4 min和25 MPa。

分別在FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉中添加體積分數(shù)為7.5%的金剛石顆粒(粒度為425～355 μm)，混合均勻，然后，采用上述工藝分別制作出含金剛石的復(fù)合材料燒結(jié)體，研究2種燒結(jié)體的物理力學性能及對金剛石的包鑲性能。

1.3 燒結(jié)體的性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用排水法測試試樣的密度，并根據(jù)測定的密度與燒結(jié)體的理論密度求出相對密度。采用TH300型洛氏硬度計測量不含金剛石燒結(jié)體試樣的硬度，采用CMT4304萬能材料試驗機分別測試無金剛石與有金剛石試樣的斷裂載荷，并由此計算各自的三點抗彎強度，并通過日本JSM–6700F型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。

粉末燒結(jié)體對金剛石顆粒的包鑲強度用抗彎強度損失率η表示，計算公式如下：

式中：σ1為不含金剛石燒結(jié)體的抗彎強度；σ2為含7.5%金剛石顆粒的燒結(jié)體的抗彎強度。

采用DHM–1型砂輪磨耗比測定儀檢測無金剛石試樣的磨損質(zhì)量損失m，在相同實驗條件下，m越小，則試樣耐磨損性能越好，反之則越差。標準砂輪的硬度為3.2，線速度為20 m/s，試樣加壓質(zhì)量為5 kg，測試時間為60 s，每種測定5個試樣并取平均值。磨損質(zhì)量損失m的計算公式如下：

式中：m為磨損質(zhì)量損失；m1為試樣在對磨前的質(zhì)量；m2為試樣與砂輪對磨后的質(zhì)量。

1.4 金剛石繩鋸切割性能試驗

分別以FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉為主要胎體成分，配以一定含量Cu和Sn等成型劑和助熔成分，并添加W作為胎體增強成分，具體成分見表2，制作金剛石繩鋸并用于石材切割，檢測繩鋸的切割效率(單位為m2/h)和使用壽命(單位為m2/m)，2種胎體成分的金剛石參數(shù)都相同，金剛石粒度都選用 270～325 μm和325～380 μm，體積分數(shù)為9.5%，金剛石顆粒熱沖擊強度(TTI)要求大于80%。

繩鋸串珠采用真空熱壓燒結(jié)法，串珠外徑為11.5 mm，胎體內(nèi)徑為7.0 mm，燒結(jié)工藝參數(shù)與主要胎體成分的燒結(jié)工藝參數(shù)相同。繩鋸固定方式為橡膠固定，橡膠硫化溫度為280℃，注射壓力為20 MPa。繩鋸切割采用自制55 kW全自動礦山繩鋸機，切割石材為G1306，單刀切割平方數(shù)為86.8 m2，切割5刀共計434 m2后統(tǒng)計切割效率平均值和切割壽命計算值。

表2 金剛石繩鋸胎體成分Table 2 Composition of matrix material of diamond wire saw

2 繩鋸切割 hc的計算及對胎體的性能要求

金剛石繩鋸在繩鋸機飛輪帶動下，以線速度vs高速旋轉(zhuǎn)，當進給速度為vw時，包鑲有金剛石磨粒的繩鋸串珠以一定壓力擠壓石材表面，在法向壓力和切向力共同作用下，實現(xiàn)對石材的材料去除，累計材料去除過程即可實現(xiàn)對石材的切斷。繩鋸宏觀切割過程是由串珠表面實際出刃的金剛石累計切削作用完成的，因此，單顆金剛石平均切削厚度hc是研究繩鋸切割性能的關(guān)鍵指標。繩鋸切割運動學規(guī)律與金剛石線鋸基本相同，只是工具結(jié)構(gòu)不同，則繩鋸單顆金剛石平均切削厚度計算公式為[17]

其中：hc為單顆金剛石平均切削厚度；vw為金剛石繩鋸的進給速度；C為金剛石繩鋸單位面積實際工作顆粒數(shù)；vs為繩鋸線速度；β為金剛石切削刃的半錐角。

繩鋸單位面積實際工作顆粒數(shù)C與繩鋸串珠分布密度及單珠胎長有關(guān)系，設(shè)定串珠內(nèi)金剛石體積分數(shù)為φc，金剛石平均粒度為d，假設(shè)繩鋸串珠分布密度為40 粒/m，單珠胎體長度為6 mm，則金剛石繩鋸單位面積實際工作顆粒數(shù)C的計算公式為[18]

其中：C為繩鋸單位面積實際工作顆粒數(shù)；Ψ為金剛石實際工作顆粒數(shù)比例系數(shù)；φc為繩鋸串珠內(nèi)金剛石體積分數(shù)；k為金剛石出刃系數(shù)；d為繩鋸串珠金剛石平均粒度。

將C代入式(3)，并將定量設(shè)定為γ，則繩鋸單顆金剛石切削厚度公式可修改為

單顆金剛石切削厚度hc即為被切割對象的巖屑尺寸。石材巖屑在相對運動及水流等作用下，以游離磨料的形式反作用于胎體，才使得金剛石顆粒在磨損到一定程度時，能及時脫落，新的金剛石顆粒能及時出刃，從而完成金剛石顆粒的“新陳代謝”。根據(jù)上述繩鋸用于石材切割時的單顆金剛石切削機理可知，石材切割對于繩鋸串珠胎體的性能要求應(yīng)主要包括2個方面：一是胎體具備一定的抵抗巖屑磨損的能力，且應(yīng)與串珠內(nèi)部金剛石顆粒的設(shè)計參數(shù)相匹配。確定了金剛石參數(shù)、鋸切工藝參數(shù)以及切割對象的性能，則可依據(jù)上述公式大致計算出串珠工作面實際出刃金剛石顆粒數(shù)、單顆金剛石單次切削厚度等參數(shù)，由此可確定巖屑尺寸，而串珠胎體的耐摩擦磨損性能的設(shè)計是與切割對象的巖屑尺寸、巖屑成分與硬度相關(guān)聯(lián)的。二是胎體對金剛石磨粒的包鑲能力。胎體對金剛石的包鑲能力越強，在胎體耐磨損性能相同的條件下，金剛石的利用率越高，繩鋸使用壽命能得到一定程度的提升，當然也要考慮由于包鑲能力過高使金剛石不能及時脫落，從而導(dǎo)致繩鋸鋸切鋒利度降低的可能性。綜合以上分析，繩鋸串珠胎體的耐磨損性能、包鑲性能等性能參數(shù)，與繩鋸鋸切性能理論上應(yīng)當存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，若能建立胎體機械性能參數(shù)與繩鋸鋸切性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，則可以通過機械性能的檢測與分析，合理地選擇和調(diào)整胎體的成分和比例。

3 結(jié)果與討論

3.1 FeCoCu預(yù)合金粉與單質(zhì)Co粉的形貌與特征

圖1所示為共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉與H2還原法單質(zhì)Co粉的SEM形貌，其中圖1(a)所示為FeCoCu放大 1 000倍 SEM 圖，圖1(b)和圖1(c)所示分別為FeCoCu和單質(zhì)Co放大10 000倍SEM圖。圖2所示為FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜。由圖1可知：FeCoCu預(yù)合金粉末和單質(zhì) Co粉末的外形基本相同，都為近球形，粉末顆粒表面光滑，顆粒間形成聚合體，一次顆粒FeCoCu粉末的粒徑為0.5～1 μm，Co粉的粒徑為1～2 μm。粉末聚合體是指一次顆粒通過聚合形成的二次顆粒，一般有團粒和絮狀體2種形式，低倍數(shù)下2種粉末都為團粒狀，高倍數(shù)下都為絮狀體。

圖2所示為共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜。由圖2可知：共沉淀法FeCoCu粉末不但存在Fe和Cu的單質(zhì)相，而且存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，說明Co和Cu進入Fe的晶胞中，形成了固溶體，在燒結(jié)體內(nèi)能起到固溶強化的作用，能提高燒結(jié)體的強度。從圖2還可知：預(yù)合金粉末不存在Co的單質(zhì)相，這是因為Co在合金粉中的含量較低，且 Co與 Fe屬于同族元素，原子半徑相近，Co在γ-Fe中的固溶度為100%，在共沉淀過程中，Co與Fe易產(chǎn)生原子交換，形成置換固溶體[19]。

3.2 FeCoCu預(yù)合金粉與單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的機械性能

表3所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉分別在各自最佳燒結(jié)工藝時燒結(jié)后的試樣的機械性能，包括硬度、三點抗彎強度、相對密度、強度損失率、磨損質(zhì)量損失等。

由表3可知：共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體與單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的部分力學性能非常接近，但單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的各項力學性能指標都比FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的優(yōu)。表3中實驗表明：一方面，Co的各項力學性能較好，是優(yōu)良的結(jié)合劑材料；另一方面，共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的硬度、相對密度及三點抗彎強度與Co粉燒結(jié)體的相比都相差不大，特別是三點抗彎強度達到 1 639.8 MPa，相比常規(guī)Fe粉、FeCu合金粉燒結(jié)體的三點抗彎強度有較大提升，說明共沉淀法FeCoCu粉末由于實現(xiàn)了預(yù)合金化，具有固溶強化作用，燒結(jié)體的整體力學性能得到提升。

圖1 FeCoCu和Co粉末SEM圖Fig.1 SEM images of FeCoCu and Co powders

圖2 FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of FeCoCu pre-alloyed powder

表3 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的力學性能Table 3 Mechanical properties of pre-alloyed powders

表3所示的抗彎強度損失率η決定燒結(jié)體對金剛石磨粒包鑲能力，η越小，燒結(jié)體對金剛石磨粒的包鑲能力越強，反之越弱。由表3可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的抗彎強度損失率η為19.0%，稍大于單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的η(15.2%)，由此可知，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體對金剛石的包鑲能力比單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的低，但兩者差距不大，根據(jù)以往實驗可知，一般金剛石工具結(jié)合劑骨架材料的抗彎強度損失率η在30%以上[20]，因而，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的η仍然是較高的，對金剛石磨粒的包鑲能力較強。

由表3可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失為1.638 g，而單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失為1.412 g，由此可知，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的耐磨損性能比單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的耐磨損性能更低，但兩者相差不大。實踐證明，Co粉是優(yōu)良的金剛石工具結(jié)合劑骨架材料，往往在實際應(yīng)用中具有較好的綜合鋸切性能，這是因為單質(zhì) Co的耐磨損性能與被加工對象巖粉的磨損能力相互匹配[21]。FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的耐磨損性能雖然低于單質(zhì) Co燒結(jié)體的耐損性能，但是仍然具有與單質(zhì) Co相近的抵抗巖粉磨損的能力。

3.3 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的斷口形貌分析

圖3所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉不含金剛石胎體的斷口SEM圖及金剛石界面SEM圖。

由圖3(a)可知：FeCoCu預(yù)合金粉在 840℃燒結(jié)時，晶粒粒徑均勻，無異常長大現(xiàn)象；燒結(jié)體組織內(nèi)部缺陷數(shù)量很少，斷口上晶粒表面均布少量微細小孔，根據(jù)粉末冶金燒結(jié)原理，燒結(jié)后期，伴隨晶界遷移過程，部分孔隙空位遷移到附近燒結(jié)頸界面，但總有部分孔隙因內(nèi)部蒸汽壓大于原子遷移動力，不能實現(xiàn)完全閉合[22]。金屬試樣斷口形貌一般有沿晶斷裂、穿晶斷裂和韌窩斷裂等 3種斷裂特征，從圖3(a)可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口主要為沿晶斷裂和穿晶斷裂的混合型斷口，屬于典型的脆性斷裂特征，這是由生成的CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物本身的特性所決定的，但由于固溶強化作用，晶粒界面結(jié)合強度較高，超過了晶粒本身的強度時會產(chǎn)生橫穿晶粒的穿晶斷裂，這是與FeCoCu燒結(jié)體試樣三點抗彎強度較高相符合的。

從圖3(b)可知：FeCoCu預(yù)合金粉末燒結(jié)體包鑲金剛石的界面接觸緊密，金剛石顆粒表面光滑。文獻[23–24]中研究表明，在真空燒結(jié)條件下，870℃時Fe對金剛石表面開始有輕微浸蝕，但金剛石表面仍晶型完整；950℃以后Fe對金剛石浸蝕較嚴重，金剛石晶格中的C原子經(jīng)接觸界面進入γ-Fe中擴散并在遠離金剛石一側(cè)發(fā)生富集，因此，F(xiàn)eCoCu胎體在840℃燒結(jié)時沒有與金剛石顆粒界面產(chǎn)生反應(yīng)。依靠熱脹冷縮效應(yīng)產(chǎn)生的機械包鑲力把持金剛石。但由于胎體燒結(jié)致密度高，且與金剛石顆粒的內(nèi)界面張力小，胎體材料燒結(jié)時能很好地鋪展在金剛石顆粒表面，并能產(chǎn)生對金剛石顆粒較強的支撐作用，因此，F(xiàn)eCoCu胎體對金剛石顆粒的包鑲能力也較強，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的抗彎強度損失率也較低。

由圖3(c)可知：單質(zhì)Co粉在880℃燒結(jié)時，晶粒粒徑均勻細小，無明顯缺陷，孔隙數(shù)量少。燒結(jié)體斷口主要為韌窩斷裂形貌，屬于塑性斷裂特征，這是由于單質(zhì) Co微細粉末顆粒在燒結(jié)時形成的晶粒粒徑較小，根據(jù)Hall–Petch公式可知，晶粒粒徑越小，晶粒界面結(jié)合強度越高，由于晶界結(jié)合強度增加，材料斷裂時裂紋不容易沿晶界擴展，所以，燒結(jié)體在斷裂前，晶粒發(fā)生明顯的塑性變形，形成韌窩斷裂的形貌。因此，單質(zhì) Co燒結(jié)雖然沒有產(chǎn)生合金體的固溶強化作用，但由于Co材料本身特性和粉末顆粒的燒結(jié)活性，燒結(jié)體具有較高的三點抗彎強度、致密度及硬度。

從圖3(d)可知：單質(zhì) Co胎體與金剛石界面有一定縫隙，縫隙尺寸達到 9.58 μm，金剛石顆粒表面粗糙，有附著物存在。

將金剛石從胎體內(nèi)取出，通過對金剛石表面的XRD分析，結(jié)果如圖3(e)所示，檢測為Co的單質(zhì)，說明 Co對金剛石表面潤濕性較好，形成了較為牢固的 Co的覆膜，提高了對金剛石的包鑲能力，這正是單質(zhì)Co燒結(jié)體抗彎強度損失率較低的原因。由于單質(zhì) Co胎體對金剛石顆粒具有較高的包鑲力，燒結(jié)體在彎曲斷裂時，金剛石在較大拉伸張力作用下，會產(chǎn)生移位與松動，因此，微觀觀察胎體與金剛石界面有一定的縫隙存在。

圖3 2種粉末燒結(jié)體的斷口形貌SEM圖Fig.3 Fracture SEM images of two kinds of sintered bodies

3.4 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的摩擦磨損特征分析

圖4 2種粉末燒結(jié)體的磨損表面及碎屑SEM形貌圖Fig.4 SEM images of wearing face and detritus of sintered bodies

圖4所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體分別與標準砂輪對磨后，燒結(jié)體被磨削表面和磨削產(chǎn)生的碎屑 SEM圖。由圖4(a)和圖4(d)可知：FeCoCu燒結(jié)體試樣被磨削表面單個磨粒切削槽寬度在 60～70 μm之間，稍大于單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣的切削槽寬度(40～50 μm)，F(xiàn)eCoCu試樣被磨削表面有少量的碎屑粘連，而單質(zhì) Co試樣被磨削表面切削槽邊界光滑，表面無碎屑粘連現(xiàn)象。從圖4(b)和圖4(c)可知：FeCoCu試樣被磨削的碎屑既包括長條狀整體碎屑，也包括圖4(b)圓圈內(nèi)放大圖所示的魚鱗狀堆積的塊體，而單質(zhì) Co試樣被磨削的碎屑主要為長條狀整塊碎屑。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生也是與燒結(jié)體試樣的物理力學性能相關(guān)聯(lián)的，F(xiàn)eCoCu燒結(jié)體試樣的硬度較單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣的硬度低，標準砂輪的磨粒壓入試樣表面深度更深，因此切削槽寬度更大，這也是FeCoCu燒結(jié)體試樣磨損質(zhì)量損失比單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣稍高的原因；另外，由于FeCoCu燒結(jié)體合金成分具有一定的脆性，在與標準砂輪對磨時產(chǎn)生的碎屑因為材料的脆性而更易斷裂，從而形成碎屑堆積的塊體，而單質(zhì) Co燒結(jié)體材料韌性相對更好，碎屑不易斷裂，因而形成長條狀整塊碎屑體。

3.5 繩鋸鋸切性能對比分析

圖5所示為分別以 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì) Co粉為骨架成分制作的金剛石繩鋸切割石材的鋸切性能曲線。圖5(a)所示為2種胎體成分金剛石繩鋸每切割86.8 m2后的切割效率對比圖，共切割 5刀，合計434 m2；圖5(b)所示為工具理論壽命計算結(jié)果對比圖。圖6所示為鋸切260.4 m2后不同胎體成分金剛石繩鋸串珠工作面形貌SEM圖。根據(jù)FeCoCu預(yù)合金粉的燒結(jié)特性，F(xiàn)eCoCu基胎體燒結(jié)溫度為840℃，保溫時間為5 min；Co基胎體燒結(jié)溫度為870℃，保溫時間為5 min。由圖5(a)可知：FeCoCu基胎體和單質(zhì)Co基胎體制作的金剛石繩鋸在石材鋸切的初期，鋸切效率相對較低，鋸切一定面積后，鋸切效率達到相對穩(wěn)定值，這是由于新開刃的繩鋸串珠表面金剛石磨粒未達到最佳出刃高度，切削刃數(shù)量也未形成最佳“匹配”，切割一定面積之后，胎體磨損量高于金剛石磨損量，出刃高度“過高”的金剛石磨粒提前脫落，形成脫落坑，串珠表面有效參與切削的金剛石數(shù)量基本維持在一定范圍內(nèi)，切割效率逐步保持穩(wěn)定。當鋸切至173.6～347.2 m2之間時，2種胎體的金剛石繩鋸鋸切效率都呈小幅上升的趨勢，這是由于隨著鋸切量逐漸增加，繩鋸逐漸消耗，外徑逐漸減小，鋸切阻力減小，鋸切效率逐步上升。鋸切至 347.2 m2以后，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸鋸切效率呈快速提升的趨勢，而 Co基胎體繩鋸鋸切效率呈小幅下降的趨勢，且FeCoCu基胎體繩鋸平均鋸切效率明顯比 Co基胎體繩鋸的高，達到 9.8 m2/h，而 Co基胎體繩鋸平均鋸切效率為8.4 m2/h，提高了16.7%。由圖5(b)可知：FeCoCu基胎體和Co基胎體金剛石繩鋸每切割86.8 m2所計算的理論壽命呈總體下降趨勢，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸理論壽命比Co基胎體繩鋸的稍低，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸理論壽命平均值為13.6 m2/m，而Co基胎體繩鋸理論壽命平均值為14.5 m2/m，壽命減少6.2%。由此可知，以FeCoCu預(yù)合金粉為骨架成分制作的金剛石繩鋸相對于傳統(tǒng)的 Co基結(jié)合劑繩鋸用于石材切割時，鋸切效率得到提升，而工具壽命相差較小，而FeCoCu預(yù)合金粉Co質(zhì)量分數(shù)只有25%，因此，工具原材料成本減少，產(chǎn)品性價比優(yōu)勢更加明顯。

圖5 FeCoCu基和Co基胎體繩鋸鋸切性能曲線圖Fig.5 Cutting property curves of FeCoCu base and Co base diamond wire saw

從圖6(a)和圖6(b)可以看出：FeCoCu基胎體中，金剛石磨粒沿切削方向，其兩側(cè)有較深的溝槽，磨粒后端“蝌蚪狀”支撐也較為明顯，胎體對金剛石磨粒的包鑲完整無縫隙，部分金剛石有破碎的形態(tài)；Co基胎體金剛石磨粒兩側(cè)溝槽相對較淺，胎體對金剛石的包鑲完整無縫隙，但出刃高度相對較小，金剛石磨?；緹o破碎現(xiàn)象。由于2種串珠的金剛石參數(shù)設(shè)計完全相同，因此，串珠表面鋸切后的形貌特征是與胎體性能密切相關(guān)的，而金剛石工具胎體性能在添加劑成分組成相同情況下，是由骨架相成分的性能所決定的[25]。FeCoCu燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失比Co燒結(jié)體的高，因此，F(xiàn)eCoCu基胎體耐磨損性能比Co基胎體的低，故串珠表面溝槽相對較深，根據(jù)前述hc計算公式及胎體設(shè)計理論，屬于胎體磨損稍快于金剛石磨損的情形。由于FeCoCu對金剛石包鑲能力較強，金剛石不易脫落，因此，金剛石出刃高度相對較高，提高了金剛石的“容屑空間”[26]，繩鋸切割效率得到提升。正是因為金剛石出刃高，鋸切石材時金剛石磨粒受到的力矩更大，當力矩大于金剛石的斷裂強度時，金剛石易產(chǎn)生破碎，且金剛石斷裂方向沿鋸切作用的反方向，如圖6(b)所示。由于 FeCoCu基胎體耐磨損性能比Co基胎體的稍低，且金剛石破碎比例相對較高，因此，其工具壽命比 Co基胎體的低。綜上所述，串珠表面形貌與其鋸切性能是相對應(yīng)的，同時，在其他條件相同時，串珠胎體骨架相成分的機械性能與工具鋸切性能有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過研究骨架相成分的機械性能，能預(yù)判工具的鋸切性能，也可為骨架相成分的設(shè)計特別是代Co預(yù)合金粉末的設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖6 FeCoCu基和Co基胎體繩鋸工作面形貌圖Fig.6 Surface morphologies of FeCoCu base and Co base diamond wire saw of beads

4 結(jié)論

1)共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉為近球形，粉末晶粒粒徑與H2還原法單質(zhì)Co粉粒徑相近；FeCoCu預(yù)合金粉不但存在Fe和Cu的單質(zhì)相，還存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，在燒結(jié)時能起到固溶強化的作用，以期達到代Co的效果。

2)FeCoCu燒結(jié)體的硬度、相對密度、抗彎強度都與單質(zhì)Co燒結(jié)體的接近；FeCoCu燒結(jié)體的抗彎強度損失率η達到19.0%，具有較高的對金剛石磨粒的包鑲性能；其磨損質(zhì)量損失為1.412 g與單質(zhì)Co燒結(jié)體的較接近，具有相近的匹配巖粉磨損的性能。

3)FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口為沿晶斷裂和穿晶斷裂的混合型斷口，屬于脆性斷裂特征，F(xiàn)eCoCu胎體包鑲金剛石的界面緊密接觸，金剛石顆粒表面光滑；單質(zhì) Co燒結(jié)體斷口主要為韌窩斷裂，屬于塑性斷裂特征；Co在金剛石表面形成牢固的覆膜，提高了包鑲能力。

4)2種繩鋸樣品鋸切效率都呈整體上升的趨勢，工具壽命都呈逐漸降低的趨勢，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸平均鋸切效率達到9.8 m2/h，相對于Co基胎體繩鋸提高了16.7%，理論壽命達到13.6 m2/m，相對Co基胎體繩鋸只降低6.2%，而FeCoCu預(yù)合金粉相對于Co粉原材料成本降低，產(chǎn)品性價比優(yōu)勢更加明顯。