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金刚石工具胎体合金特性的探讨

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金刚石工具胎体合金特性的探讨

发布日期:2017-02-08 作者: 点击:

摘  要: 简介了金刚石工具胎体合金的发展等状况;对胎体合金的作用及影响其“把持力”与“耐磨性”两个关键性能的因素作了分析。在此基础上归纳出胎体合金的特性,并介绍了如何取此特性,用以指导选用与研制胎体合金时作为参考。

关键词:胎体合金 把持力 切屑厚度 耐磨性


  1. 前言 


  历经二十多年的发展,我国金刚石工具的产量,已位居世界第一,但是在开发高质量与高附加值产品等方面,与先进国家还有不少的差距。为了早日改变这一局面,人们针对产品的设计、制造工艺与装备以及使用等环节存在的问题,展开了技术攻关,并在近年来用于石材、建材市场(如圆锯片与薄壁钻)等品种上,己经取得并正在取得可喜的进展[1]。


  胎体合金在金刚石工具中的作用既重要又复杂,因而倍受关注。至今已有较多的文献,论述了添加不同金属元素(或合金)对胎体合金机械物理性能的影响,但大多止步于此。其原因可是缺少作进一步实用性的测试,或是依文献[2]所说:“目前金属胎体的性能表征都还是采用抗弯强度、硬度、冲击韧性等指标,由于不一定对应工具的实际使用性能等致”,从而导致此类的研究报告难以进一步阐明,变更胎体合金配方之后对刀具实际使用性能的影响。


黑龙江P62  初期介入金刚石圆锯片刀具技术时,最令笔者感到“迷惑”又觉得它甚具“挑战性”的,便是其“胎体合金”。它一反质量监督的“常规”,允许无需制定与实施其胎体合金及金刚石材料质量的“行业标准”或“企业标准”,便可大量予以生产与使用;此外,为了更好地满足实际使用的需求,产品设计制造者,总是常常忙碌于探试新的胎体合金及金刚石用料的方案。这些问题,不由地令笔者常为之思考并关切其发展动向。可是拖至今日,似乎还难以顺利掌控,只好寄托于通过本文能起到抛砖引玉的作用,而提出如下的几点初浅看法,不妥之处,还望各位指正。


2.从胎体合金呈现多样化现象说起


  至今已被用作金刚石工具胎体合金的材质体系,在热压工艺制造的品种上,自上世纪六十年中日本已采用的铜基、铁基[3],到了七、八十年欧美等国普遍发展为钴基。此后,为了节约稀缺资源与降低生产成本,并通过对锯片的锯切力的测试与研制[4],我国在量大面广的圆锯片刀头上,便大批量采用了以铁为主的铁铜基材料。与此同时,欧洲一大金刚石制品公司(Boart Longyear),在选择替代稀缺金属钴作为工具粘结剂时,曾拟定采用元素性质与金属钴最相近的镍、铁,但后来发现镍与钴一样,均被列入致癌可疑物的清单中,这就需要在生产与使用上严加控制。因此该公司便大力开拓铁作为胎体合金的材料。后于1997年曾以当今世界金刚石工具跨入“铁时代”为标题,报导了他们已有一半的采石与切割制品,采用了“以铁代钴”所取得的进展,并声称“在工业金刚石业务中发动了一场革命” [5]。


  纵观胎体合金的发展,还发现以下有趣的现象:即在制造同一种产品(如1.6米刀头),加工同一类材料(如某牌号花岗岩),甚至用于相同的用户、相同的切机及加工规范下,倘若对不同厂家提供的刀头胎体组份的进行调查分析,不难发现如下二个特点,一是,在选用相同材质时,不同厂家的元素品种大多不尽相同;二是,既使有些厂家选用的元素品种相同,但各自采用的配比(W %),通常也有差异。此外还发现,有不少的厂家曾历经了由简到繁(如从钴—碳化钨发展到多达7-8种元素的复杂配方),而后有的厂家却又回归到仅用二三种元素的趋势。


黑龙江P62  与此同时还了解到,既使不同厂家采用同一种配方(含元素种类及其配比),由于各厂家所选用的制造工艺参数以及粉末原材料质量的差异(含杂质及氧含量、粒度组成、形状以及是否预合金化等等),依据合金性能受到加工工艺制约的原理分析,那么,由各厂制造出来的每一种胎体合金,其各自的机械物理性能(包括密度、抗弯强度、硬度与韧性等)及其相对耐磨性,其绝对值通常也不相同,甚至存在不小的差异。但是,它们却同样都被大批量地生产与实际采用。这表明,这些“多样化”的胎体合金都具有其特定“性价比”----即,由它们各自包镶了不同质与量的金刚石及基体而构成的刀具,具有相同(或十分相近)的使用适用性。否则,它们便不可能为用户所连续接受。


  如上所述,如果将这些所研制并批量应用的胎体合金,分别授以它们一个“合金牌号”(企标)的话,那么此类“合金牌号”的数量之多,真是琳琅满目或可谓“不计其数”。

  胎体合金为何呈现出如此多样化的特性,正是本文所关注的问题之一。


3.胎体合金的作用、性能及其影响因素


3.1胎体合金的作用

  金刚石工具能直接承担切磨效能的,只是经开刃后裸露于表层的金刚石。为了有效发挥金刚石的利用率,胎体合金必须具备的性能:

  一是,要有足够大的包镶金刚石的把持力,以确保金刚石受到冲击力时,不使其过早地脱落而失效;

  二是,要有适当的耐磨性。即其磨损率总是要适当地超前于金刚石的磨损,以确保金刚石具有适当的“裸露”高度,从而形成一个合适的“容屑空间”。这一空间不仅确保了金刚石切磨的锋利度,同时又使得磨损产物能流畅地排出,以此才能保持切磨的状态继续,直至刀头寿终。如果胎体的磨损率过大,金刚石被把持的容积过少,金刚石容易脱落而提前失效,导致工具耐用度的急剧降低。


3.2影响胎体合金性能的因素

  胎体合金上述两项的作用也就是其性能,系为确保刀具正常地使用的需求而提出的。既然如此,那么“使用中的工具”,笔者认为,应视之为一整体的“动态工作系统”,它不仅有胎体合金、金刚石以及承载刀头的基体而构成的工具本身,还应包括使用中与之相关联的条件,如切机及其加工参数、润滑条件、被加工的材料等等。由于这些条件不仅相互依存更存在着相互制约的复杂关系,因而它们对胎体合金的这两项性能均产生了不同程度的影响,兹分述如下。


3.2.1胎体合金包镶金刚石的把持力

黑龙江P62  文献[6]指出,胎体对金刚石把持力的大小,除了取决胎体合金与金刚石在热压时有可能产生某种程度“冶金化合粘结力”外,主要取决于合金材料对金刚石的“机械包镶力”。进一步研究表明,这一机械包镶力与胎体合金的“弹性模量”关系最为密切,而其他物理力学性能的影响很小。

  测定金属合金的“弹性模量”的方法已有标准,但在实践中基本不用。一方面是由于胎体合金的把持力还取决于难以测定的“冶金化合粘结力”等因素,从而令其失去了完整而准确的意义。而更大的难度还在于对于某一特定使用场合的工具(如圆锯片),胎体合金应该预设多大的把持力,才能满足实际使用要求,这是件非常困难的工作。兹说明如下:

  基于胎体合金的把持力是为了应对金刚石受到切磨冲击力的需求,那么在设定刀具胎体合金前,便得先求出这一冲击力的大小。研究表明此冲击力主要受到金刚石切削力的支配,而这一切削力则决定于金刚石切削岩石的厚度。为了求出金刚石切削岩石的厚度,经由磨削几何学的推导,已获得金刚石切削岩石的平均厚度 hc的计算公式[7]:

hc=[(Vf•Vs -1)•(C•入•ξ)-1•(a p•d s-1)1/ 2]1/ 2

  从计算公式可知,影响hc值大小的因素很多,包括锯片单位表面上参与切削的金刚石数量C值(与粒径与浓度有关)、切深(a p)、锯片的转速(Vs)、走刀速度(Vf)以及锯片直径(d s)、锯齿长度与锯齿间距之比值(入)、系数ξ(与切屑截面形状有关)等等。除此之外,金刚石受力的大小,还与切机的功率以及被切磨的材料硬度有关。

  判定用于同一使用场合的刀具,在使用中的金刚石受力大小,并不完全在于精确计算上的困难,而是在于此类锯片(刀头)在制造与使用时,因计算式中的绝大多参数并未标准化,因而可在一定范围内变动。于是,由这些不同参数量进行排列组合,便演生出很多的参数组合方案。用这些不同的方案去制造并被使用的刀具,各自的金刚石的受力大小,也便不尽相同,有的甚至有较大的差别。由此可见,用于同一使用场合的刀具,对胎体合金的把持力的要求并非一个方便于预先计算或设定的量值。这便是造成胎体合金应该设定具有具备多大的把持力的困难所在,并正是至今尚难以掌握选用与研制胎体合金的基本规律主要难点之一。


3.2.2胎体合金的耐磨性

  胎体合金的磨损并非直接参与切磨岩石而致,主要是受到被切磨下的“岩粉”与冷却液组成物的“冲刷”而磨损的。文献[8]详细论述了,导致运动中的摩擦副的磨损有多种方式(如,有磨粒磨损、接触磨损、冲蚀磨损、高速以及高温磨损等九种类型),并指出,由于摩擦副的磨损方式不同,对摩擦副材料的性能要求也不相同。例如,欲增大抵抗“磨粒磨损”的能力,要求合金必须具备高的硬度,以抵抗磨粒的嵌入而减少磨损;而抵抗由冲刷而产生的“冲蚀磨损”时,起主导作用却是材料的“韧性”。因为韧性高的材料能有效地消耗“岩粉流”的“冲击功”,既起到抑制系统的温度的上升,又因其有较好“退让性”而减少了自身的磨损程度。此外也避免了金刚石受到冲击力时,因胎体产生永久性的塑性变形而产生位移,被逐渐地松动而过早地脱落,而导致刀具耐用度的降低。

  问题的复杂化,在于“岩粉流”对胎体的冲蚀磨损程度,还与切磨产生的岩粉的粗细及其冲击力大小与方向等有关。而影响产生磨损物(岩粉流)这几种状态的因素,又与刀具在切磨过程中决定金刚石“切屑厚度”的各个因素基本相似。这么一来,使得判定胎体合金的耐磨性,变得同样的复杂化。即,影响胎体合金的磨损率的因素,不仅取决自身固有的性能,而且还取决于工具“工作系统”中其他三子项的众多因素。由此可见,对胎体合金耐磨性的如上分析,与摩擦磨损学所揭示的基本规律是一致的,即,要评判一组“磨擦组合件的耐磨性”,若不在同一工作条件下(如压力、相对滑磨速度及润滑状态等等)进行比较的话,其结果(即耐磨性大小)是没有实际的比较意义。如同人们在比较刹车材料的耐磨性时,通常以实用中能够承受最多的刹车次数作比较。倘若仅仅取自行车与飞机的刹车材料承担的刹车次数多少,而脱离了各自的使用工况,于是便会得出,以橡胶为主的自行车刹车材料其耐磨性高于飞机刹车材料(如铜基粉末冶金摩擦材料等)的错误结论。

  由上可见,影响胎体合金耐磨性因素的复杂性,也便成为选用与研制胎体合金的另一个主要的难点。


4.胎体合金的特性及其应用


4.1通过以上分析,对胎体合金的特性作如下的归纳:

  一是 “相互制约性”。即胎体合金的把持力与耐磨性,固然与其固有的性能相关,但它们的作用效果并不一致,甚至此长彼消。例如,提高胎体合金的“弹性模量”,可增大对金刚石的把持力,从而改善了刀具的锋利度,但与此同时也会改变胎体合金的相对耐磨度。当其增幅超过一定的范围,便会打破原先两者之间为兼顾双方需求的“平衡状态”,于是便恶化了刀具的使用性能(如降低了耐用度)。为此,通常又得调试新的胎体合金(当然还可采用其他措施),以使它达到新的“平衡”,从而确保刀具的正常白使用性能,或得到进一步的提高。如此反复循环地调整或研制新的胎体合金,便成为金刚石刀具设计制造者的常有任务。

  二是“相互依存性”。决定刀具的整体使用性能的优劣,包括其他四大因素,胎体合金、选用的金刚石、刀具的结构及其使用工况条件等,而胎体合金在刀具使用中,只是起到恰如其分的“适应性”辅助角色。因此企图在“静态”状态下测定胎体合金自身的性能(如密度、硬度、抗弯强度等)去表征刀具的使用性能,已起不到实质的作用。进而言之,对于只起到间接作用的胎体合金,继续延用经典金属学的原理,“通过研究合金的组分、组织结构和性能之间的内在联系,以达到控制与预测该合金所具有的各种性能,以便去满足其实际使用的要求”,业已无法解决工具胎体合金的选用与研制实践中的矛盾。这或许便是导致,“建立金属胎体性能的表征及评价体系”的研究[2],至今尚难以获得突破的结症所在。

黑龙江P62  如上所述,便不难解释胎体合金所呈现的“多样化”的原因。即,刀具在制造与使用时,在选用的金刚石质与量、尺寸与结构以及使用时红切磨参数允许有多种选择,由于这些因素排列组合产生的方案极其繁多,为了使用的匹配性,必然要一一研制出与使用性能相适应的胎体合金,这是主导因素。其次是,胎体合金的“热压烧结”合金化,其烧结动力系以“塑性流动”机制为主,其致密化的过程显得更加强烈而快速,使得热压烧结的合金元素可组成的“合金”的种类,不仅远多于“冶炼法”,而且也多于“无压烧结法”。这是为胎体合金的多样化提供了更为充分的条件。


4.2正确掌握胎体合金的特性,用以指导选用与研制胎体合金。


  在缺少更为便捷的手段与具有全局指导性原则及方法的情况下,通过业内多年来的实践,就如何采用及研制新型胎体合金,业已摸索出了行之有效的相应方法。即,不管是直接选用法(即采用某一优秀的胎体配方)或仿制法(即参照相应的样品),都得依据上述胎体合金的两项特性而为。即,不仅要详细掌握胎体组份、金刚石用料的质与量以及制品各工序的加工工艺参数与相应的质量检测规范,还必须详细了解制品的使用适应性,包括各项的使用条件(如切机、加工规范、被加工材质…)以及性价比等。只能通过实际检测与考核,当上述各项要求都一一达到了,那么直接采用配方及仿制样品法之成功性便有了保证。

  至于自行研制法,则需先通过自行设定配方小样试制的筛选,再转入扩大试制及试用并逐步加大批量投产等程序,由于过程的检测尤其实际使用考核等工作量大、周期长、人物力投入也大,为此多采用“局部改进法”,即仅对现有较优良的胎体配方进行改进,在每轮试验时只变更一二个因素。考虑到严格保持制品的加工工艺参数,特别是使用工况重复性的考核难度较大,既使采用专门设计制造的切割试验机(台),进行摸拟使用工况的考核,但与实际使用条件还是有一定的差距,因此多在批量生产过程中进行一定量的样品试制。然后将其分别投放到多个用户进行实际使用的考核。若大多数用户表现出某种改进的效果,则可表明取得了初步成功,并经重复试验与核实,便可推广用于批量生产中。


参考文献:

黑龙江P621. 侯家祥 程文耿.有序排列金刚石工具产业化技术的新进展[J]工业金刚石,2010.No2

2。 。谢志刚 贺跃辉 等 。 金刚石制品金属胎体的研究现状。[J]。 金刚石与磨料磨具工程 2006 No。3 

3.(日)松山芳治 等. 粉末冶金学(中译本).[M].科学出版社, 1978

黑龙江P624。 陈先 等。 锯功力与合刚石强度的合理选择。 1991年全国粉末冶金会议论文。 桂林 

5. Diamond tools enter iron age. [J]Metal Powder Report.Vol.52.12. Dec. 1997, 

黑龙江P626. 罗锡裕 等.金刚石工具性能的研究与启示.第四届郑州超硬材料及制品国际研讨会论文集. 郑州 2003 

7. 李享德等  锯切参数与花岗岩适应性研究[J]磨料磨具与磨削1995.No.2

8. 刘家浚. 材料磨损原理及其耐磨性 [M]清华大学出版社 1993.11 


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