不同廠家金剛石熱沖擊韌性隨測定條件的變化

崔雪偉, 李盟, 姜 豪, 魏德雙, 蘇 崇, 張建華

(鄭州華晶金剛石股份有限公司，鄭州 450001)

1 引言

金剛石是精密加工的利器，是當之無愧的工業(yè)牙齒，其在石材、機械加工、電子電器加工、鉆探與開采、寶石加工等方面已經(jīng)得到廣泛的應用。金剛石制品在實際使用中，其顆粒同時受到?jīng)_擊和磨損兩種作用，而金剛石沖擊韌性的測定模擬了金剛石顆粒在使用過程中的受力情況。金剛石沖擊韌性值有兩種表征方法：一種是半破碎即考察金剛石破碎50%時所經(jīng)受的沖擊次數(shù)；另一種是未破碎率即固定沖擊次數(shù)考察篩上物質(zhì)量與原始質(zhì)量之比[1]。目前國內(nèi)廠家大多采用未破碎率來表征金剛石的沖擊韌性，該操作減少了操作次數(shù)，比較簡單。

金剛石沖擊韌性測定過程中會有多種因素對測定值造成影響，包括設備本身、測試環(huán)境、篩網(wǎng)尺寸、沖擊罐使用次數(shù)、沖擊罐硬度、沖擊行程、鋼球質(zhì)量、沖擊次數(shù)及頻率、加熱溫度、人為操作等[2]。因此，金剛石的檢測是一項專業(yè)的、系統(tǒng)的工作，需控制好各個細節(jié)因素。本文采用某公司研制的XX-03型沖擊韌性測定儀，在恒定環(huán)境下，通過實驗，對四個廠家某批次的不同品級金剛石的沖擊韌性隨測定條件的變化進行了測定并探討，這對實際生產(chǎn)應用具有一定的指導意義。

2 實驗及分析

2.1 沖擊次數(shù)對四廠家不同品級金剛石熱沖擊韌性的影響

本實驗在相同的測試環(huán)境、鋼球質(zhì)量相同且其他條件相同的情況下，選用四廠家金剛石的粒度均為30/35、品級分別為D80、D40、D20的某批次樣品，研究沖擊次數(shù)對四廠家不同品級金剛石的熱沖擊韌性的影響，其結果見表1所示。

表1 沖擊次數(shù)對四廠家不同品級金剛石熱沖擊韌性的影響

觀察圖1～圖3我們發(fā)現(xiàn)，當沖擊次數(shù)增加時，四廠家各品級金剛石的TTI均在減少，且金剛石的品級越高，TTI隨次數(shù)的變化越小。這是因為金剛石在沖擊時，會產(chǎn)生一些微破碎和未破碎顆粒，沖擊次數(shù)增加時，隨著沖擊過程的繼續(xù)，微破碎和未破碎顆粒發(fā)生了越來越多的表面破碎，所以TTI的值在不斷地變小[3]。而金剛石的品級越高，其晶型完整度越高，晶型一致性越好，金剛石內(nèi)部結構也越好，發(fā)生的表面破碎也越少，所以品級越高其TTI隨沖擊次數(shù)增加的變化越小。

圖1 四廠家D80品級金剛石的TTI隨沖擊次數(shù)的變化圖Fig.1 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with impact times

圖2 四廠家D40品級金剛石的TTI隨沖擊次數(shù)的變化圖Fig.2 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with impact times

圖3 四廠家D20品級金剛石的TTI隨沖擊次數(shù)的變化圖Fig.3 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with impact times

觀察圖1～圖3我們還發(fā)現(xiàn)，四廠家相同品級的金剛石隨著沖擊次數(shù)的增加變化不同。在沖擊次數(shù)小于GB/T33144-2016標準的規(guī)定時，四廠家各品級金剛石的TTI相差不大。在沖擊次數(shù)大于GB/T33144-2016標準的規(guī)定時，四廠家各品級金剛石的TTI相差逐漸變大。整體來看，我們發(fā)現(xiàn)四廠家的金剛石的TTI隨沖擊次數(shù)的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。這可能跟金剛石整體的一致性相關，某些金剛石顆粒雖然在低沖擊次數(shù)下能達到相應的TTI，但是沖擊次數(shù)一旦增加，該部分物料則會破碎，導致TTI值下降較大。因此，各廠家為了保證金剛石的穩(wěn)定性，在對金剛石沖擊時，一定要選擇合適的沖擊次數(shù)。我們建議企業(yè)在制定內(nèi)部沖擊標準時，對沖擊次數(shù)的選擇不應低于國標規(guī)定。

2.2 四廠家金剛石熱沖擊前后鋼球質(zhì)量的變化

本實驗在相同的測試環(huán)境、其他因素相同時，將打毛后的鋼球用酒精清洗后自然風干，選取質(zhì)量為2.086g的鋼球分別編號，對四廠家某批次30/35粒度的D80、D40、D20品級金剛石進行沖擊，取出鋼球，再次用酒精清洗表面，自然風干后稱量，分別和沖擊前的質(zhì)量進行對比，每組實驗重復10次，其平均值變化見表2所示。

表2 四廠家各品級金剛石沖擊不同次數(shù)沖擊前后鋼球的質(zhì)量變化均值

觀察表2我們發(fā)現(xiàn)，對四廠家金剛石顆粒，當沖擊相同品級時，鋼球的質(zhì)量變化值隨著沖擊次數(shù)的增加而呈增加趨勢；當沖擊次數(shù)相同時，鋼球的質(zhì)量變化隨著金剛石品級的提高而增加。結合表1我們還發(fā)現(xiàn)，對四廠家相同品級的金剛石，沖擊次數(shù)相同時，金剛石TTI值越高則鋼球質(zhì)量的變化相對越大。

在沖擊過程中，金剛石顆粒與鋼球隨著試樣管一起做周期性的往復運動，沖擊次數(shù)增加時，在反復沖擊作用下，鋼球表面產(chǎn)生金屬疲勞形成裂紋或缺陷[4]，從而使得鋼球的質(zhì)量變小。

沖擊過程中，根據(jù)能量守恒定律，E=Ea+Eb+Ec(E為沖擊動能，Ea為沖擊后鋼球和金剛石的動能，Eb為金剛石破碎消耗的能量，Ec摩擦消耗的能量)，金剛石的TTI值越高，破碎所需要消耗的能量越大，該部分能同時對鋼球造成疲勞磨損，所以鋼球質(zhì)量的變化隨著金剛石TTI值的提高而增加。

2.3 沖擊頻率對四廠家各品級金剛石熱沖擊韌性的影響

本實驗在相同的測試環(huán)境、沖擊次數(shù)與鋼球質(zhì)量相同、且其他條件相同的情況下，選用四廠家的粒度均為30/35、品級分別為D80、D40、D20的某批次樣品，分別在2200r/min、2300r/min、2400r/min、2500r/min、2600r/min的條件下進行沖擊，研究沖擊頻率對四廠家不同品級金剛石熱沖擊韌性的影響，其結果見表3所示。

表3 沖擊頻率對四廠家不同品級金剛石熱沖擊韌性的影響

觀察圖4～圖6我們發(fā)現(xiàn)，當沖擊頻率增加時，四廠家各品級金剛石的熱沖擊韌性值均在變小，且金剛石的品級越低，熱沖擊韌性值隨頻率的變化越大。這是因為根據(jù)動量定理P=mv=ft，隨著沖擊頻率的增加，試樣管、鋼球和金剛石顆粒的運動速度加快，鋼球?qū)饎偸臎_擊力增加，鋼球與金剛石碰撞前的動量增加，碰撞時動能增加。由于金剛石合成時晶型有一定的缺陷及內(nèi)部有裂紋，隨著沖擊頻率的增加，金剛石的破碎方式由表面破碎為主轉化為體積破碎為主，隨著沖擊過程的繼續(xù)，金剛石未破碎和微破碎顆粒發(fā)生了越來越多的體積破碎，所以金剛石的沖擊韌性值在逐漸變小。觀察上圖4～圖6我們還發(fā)現(xiàn)，整體來看，TTI隨頻率的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。這跟金剛石缺陷的大小及分布相關，同時也跟金剛石的一致性相關。一致性相對較差使得沖擊力一旦增加，某些缺陷相對大的金剛石“一沖即碎”，導致TTI值下降幅度較大。

圖4 四廠家D80品級金剛石的TTI隨沖擊頻率的變化圖Fig.4 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

圖5 四廠家D40品級金剛石的TTI隨沖擊頻率的變化圖Fig.5 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

圖6 四廠家D20品級金剛石的TTI隨沖擊頻率的變化圖Fig.6 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with impact frequency

金剛石顆粒的一致性不僅會影響金剛石工具的制作，且金剛石工具在使用時，將受到一定的沖擊力，若金剛石的熱沖擊韌性隨沖擊力的波動較大，將會影響工具的鋒利度及其使用壽命，同時影響工具加工面的平整性，還會對設備的負載造成一定的影響。所以，金剛石顆粒的一致性對下游客戶來說至關重要。

2.4 加熱溫度對四廠家各品級金剛石熱沖擊韌性的影響

本實驗在相同的測試環(huán)境、鋼球質(zhì)量相同且其他條件相同的情況下，選用四廠家的粒度均為30/35、品級分別為D80，D40，D20的某批次樣品，分別在900℃、1000℃、1100℃、1200℃下加熱10min，研究加熱溫度對四廠家不同品級金剛石的熱沖擊韌性的影響，其結果見表4所示。

表4 加熱溫度對四廠家不同品級金剛石熱沖擊韌性的影響

觀察圖7～圖9我們發(fā)現(xiàn)，金剛石的TTI隨著溫度的升高而降低，且品級越低隨溫度的變化越大。這是因為人造金剛石在合成時觸媒金屬不可避免的包裹在金剛石內(nèi)部，造成金剛石的內(nèi)部缺陷。升高溫度使其內(nèi)部性能發(fā)生變化，升高溫度，金剛石的熱膨脹系數(shù)增加，包裹體觸媒的熱膨脹系數(shù)大大高于金剛石的膨脹系數(shù)，必然會產(chǎn)生內(nèi)應力，從而產(chǎn)生新的裂紋和促使裂紋擴展[5]。且品級較低時，金剛石內(nèi)部的雜質(zhì)含量較高，磁化率較高，所以其TTI受溫度變化的影響較大。

觀察圖7～圖9我們還發(fā)現(xiàn)，整體來看，TTI隨溫度的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。這可能跟各廠家金剛石內(nèi)部包裹體成分、大小及分布不同相關，導致金剛石內(nèi)部的品質(zhì)不同，熱穩(wěn)定性不同。

圖7 四廠家D80品級金剛石的TTI隨溫度的變化圖Fig.7 Variation of TTI of D80 grade diamond from four manufacturers with temperature

圖8 四廠家D40品級金剛石的TTI隨溫度的變化圖Fig.8 Variation of TTI of D40 grade diamond from four manufacturers with temperature

圖9 四廠家D20品級金剛石的TTI隨溫度的變化圖Fig.9 Variation of TTI of D20 grade diamond from four manufacturers with temperature

金剛石刀具在制作及使用過程中都會受熱，如果金剛石產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性低，會對金剛石組織結構產(chǎn)生不利影響，從而影響刀具的加工質(zhì)量，降低刀具的使用壽命，使生產(chǎn)效率下降，增加生產(chǎn)成本，所以金剛石的熱穩(wěn)定性對下游客戶來說同樣重要。我們建議企業(yè)在制定標準時，應嚴格控制金剛石的磁化率。

3 結論

(1)金剛石的TTI隨沖擊次數(shù)的增加而降低，且品級越低，TTI變化越大；整體來看，四廠家金剛石TTI隨沖擊次數(shù)的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。

(2)金剛石沖擊過程中，鋼球質(zhì)量變化隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，隨著沖擊金剛石品級的提高而增加；不同廠家相同品級的金剛石TTI越高，鋼球質(zhì)量變化相對越大。

(3)金剛石的TTI隨沖擊頻率的增加而降低，且品級越低，TTI變化越大；整體來看，四廠家金剛石TTI隨沖擊頻率的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。

(4)金剛石的TTI隨著加熱溫度的升高而降低，且品級越低，其TTI隨溫度變化越大；整體來看，四廠家金剛石TTI隨加熱溫度的變化為廠家一<廠家二<廠家三<廠家四。

(5)通過對比四廠家，我們發(fā)現(xiàn)金剛石的整體品質(zhì)依次為廠家一>廠家二>廠家三>廠家四。各廠家為了保證產(chǎn)品的一致性，需制定合理的企業(yè)標準，為了保證批次穩(wěn)定性，金剛石檢測的各個指標均需嚴格控制。