（材料学专业论文）金刚石圆锯片的质量评价体系的建立.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文针对国内暂无金刚石圆锯片产品的系统评价体系的现状，开展了评价 圆锯片质量的理论分析与试验研究。 首先采用数学方法和基于理想状态，构建了金刚石圆锯片切削过程的理论 模型，并对锯片刀头的主要参量进行了计算，初步建立了锯片性能与刀头配方、 参数间的定量关系，以此作为刀头原材料优选和配方设计的依据。 在国家标准的基础上适当改进了金刚石圆锯片基体的化学成分，优化了热 处理工艺。并提出选择锯片用金刚石的主要性能指标和量化的依据。 在制造金刚石圆锯片的工艺方面，优化了混料工艺，变更了投料的顺序， 改进了混料装置，并提出了一种评价混料均匀性的简便方法。从烧结设备、烧 结工艺两个方面对锯片的热压烧结工艺进行了改进，并制定出烧结工艺曲线。 采用与国内其它厂家同类型优质产品进行对比切割的试验方法，客观地评 价了不同金刚石圆锯片的锋利度、切割效率和使用寿命等主要指标。 结果表明，在湿切的工况条件下，自制圆锯片的锋利度、切割效率和使用 寿命明显优于国内其它同类产品；但在于切的工况条件下，自制圆锯片的锋利 度欠佳，使用寿命偏低。分析认为，主要原因是自制圆锯片的刀头硬度偏高， 导致刀头的磨损与金刚石的磨损不匹配；当金刚石失效或脱落后，新的金刚石 难以出刃，锯片的自锐性降低；同时，由于金属胎体与被加工材料的过分摩擦， 产生较多的热量，容易造成糊齿。 对自制圆锯片的刀头进行了组织和物相分析，结果验证了上述分析的客观 性。同时发现，虽然胎体成分中没有添加昂贵的钴，但从刀头的组织和物相分 析结果看，达到了与添加钴的圆锯片刀头样品相近的效果。由此说明，在胎体 材料设计思路中以多元合金化代替钴是完全可行的。 山东大学硕士学位论文 b s t r a o t t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t hl h e 蛐o n 酬u a t et h cq u a l i t ya n dp r o p e r t i 髂o f d i a m o n dw h l ss y s t e m i e a l l yo nb a s i so f t h e t i l a l i t yt h a tt h e i sn of o r m a l 刚u a t e s t a n d a r di nc h i n an o w a st h cf i r s ts t c p 。t h i sp a p e ra d v a m c 龋l h el h e o f e d c a lm o d eo fd i 锄o n dw h l s c u t t i n gw o i i 【1 1 ”m a l k 趣a l i c a lm e t l a o di se m p l o y e dt ob r a i d 也cr e l a 廿s h i p b l e i t w e e l l 也ep r o p 硎髂o f d i 锄o n dw h l 锄dt h ec o m p o n e n tp 猢e t 盯so f b l c e ，褐 w e l l 船t oc a l c l n a t c 础a t ep h y s i c a l 咀s t 勰t so fd i a m o n dw h e e l 8c u t 血l gw 讲kt h e c a l e u l a t e 删t s 撇璐e d 雒m eg u i d et 0p r o m o t em e 鲫删a n dm ep r o d u c e t e c l m o l o 盯o f d i 锄彻dw h e e l s e e o n d a r i 耽m em a i nr a wm 删a l sf o rp r o d u c i n gd i 锄o n dw h e e l 哪a l s o p 聆f 细t i a l l ys e l t c d t h ec h e m i c a lc m n p o n e n t so fs t e e lm a t r i xa r em o d i f i e d b 勰i so ft h en a t i o n a ls t a n d a r da n di t sh c a t 协l a l m e mt e c h n o l o g yi sa l s op r o m o t e d 1 1 l i sp a p 盯g i v 龋t l 圮m a i np r o p e r t i 髂a n d 础e s p o n d i n gq u a n d t a t i v ci n d 甑o f d i a m o n da b r a s i v et h a ts h o u l db ec o m i d e r e df 0 rp 1 o 删 t h i r d l xt h i sp a p 盯p m o t e st h em 触t u r et e c h n o l o g yo fd i 锄o n dw h lb y a l t e r i n gt h co r d e f m a c h i n e 勰dl h em e t h o dt o 锱t i m a t ec 、r 锄州络sd e g r e eo ft h em i x m a t 砌s 船w e l l 够m eh e a tp r 船s i i l gs i n t e rt e c h o l o g y 趾dm a k e st h e 础c u r 代 1 1 l e m e t h o d ，p r n e t i e a lc u t t i n gt e 吒i se m p l o y e dt o 酬u a t et h es h a r pd c 乒， c u t t i l l ge f f i c i e n c y 距dl i f e s p 纽o fd i 锄o n dw h e e lc o m p a f i n gw i i ht h es a n l et y p e p i o d u c em a d eb yo t h e r s 缸锄髂 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es h a r pd e 伊e eo fo t l rd i 锄o n dw h e e li sn o tp e r f c c t 卸d i t sh f b s p 姐i s 幽o n 盯血孔t h a to fo m 盱p r 妣e s 诵t h o u tc o o l i n gw 姗l h o l l g hi t s 训n ge 伍c i e n c y 卸p a c h 髂o t h 盯p r o d u e c s h o w e v m ec l i t t i n ge f f i e i 锄e ya n d h f e 印锄o f o l l rd i a m o n dw h l 咖eo b “o 璐l yj nt h ec o n d i t i o fc 0 0 1 i i l gw a t 盯 p r e s e n t s t h eh a r n e s so f b l u ei st o oh i g hm a y b e m er e a s o nf b ra f f c c t i n gm es h a r p d e g r e e 锄【dc u t t i n ge f f i e i e n e yo fd i a m o n dw h l - i td a m a g e s 廿1 cm 砷c hb e t w e e nt h e b l u em a l r i xa n dt h ed i 锄o n da b r a s i v e m 锄m ed i a m o n d 曲r a s i v eh a sl o s t1 1 ”w o r l 【 c a p 曲i h 饥t 1 1 eb l a d cm a t r i xi sj u s tw o i ed o w n1 i t t l e i ti sd i 蚯e u l tf o rt h ed i a m o n d 弧d 盯t h es u r f a c et oc 锄eo u ti e t h ep r o p e r t yo fs e l 乒s h a 印e ni sb a d m e 卸w l l i l e ，t h e c x e 锱s i v e 衔e f i o np h e n o m e n o nc a e sm u c hh e a ta n dt h eb u r n i n gd a m a g eo fb l u e t h ed 艇l l a c t e r i z a t i o nr e s u l t so f s t r u c t u r ea n dp h a s ea l s os u p p o r t 也ea n a l y s i sa b o v e t h e r ei s 聃c o b a l ti nn 地b l a d em a t r i x ，b m l ee 船c 协a p p m ht h a to fc o b a l t p r e s 钮t m g c o r d i n gt ot l l ec h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t so fs t r u c t u r e 粕dp h a s e t h a t s u g g 酏f b ei d e at h a tm m gm u l f i v 豳ta u o y i n g t os l l _ b s t i t l l t ec o b a l ti s 觚i b l e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三q 立豳、日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：基l ! 蔓生：i 导师签名：论文作者签名：硷l ! 堑生：i 导师签名：日期：丝江业? ， 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 金刚石锯切工具的发展历史十分久远早在1 8 8 5 年就有法国人j a e g i l i n 采 用粗颗粒天然金刚石作为锯齿，装镶在带燕尾槽的基体周边焊接制成世界上第 一个金刚石圆锯片。2 0 世纪3 0 年代以后，人们开始采用粉末冶金和高频焊接方 法制造金属结合剂的金刚石圆锯片“3 。2 0 世纪5 0 年代人类首次合成金刚石成功 ”，极大地推动了金刚石工具的发展。金刚石锯切工具也在这种大趋势下获得了 较快的发展。到9 0 年代中期的统计数据表明，金刚石锯切工具所耗用的金刚石 数量在国内外工业金刚石总量中均上升到第一位，占6 0 左右。 图1 1 人造金刚石的应用领域 2 0 世纪6 0 年代以后，圆锯片的制造技术获得了迅速的发展。适用于各种切 割对象、各种不同结合剂类型、各种不同切割方法的圆锯片相继问世，各种制 造锯片的工艺方法也日臻完善，不少国家的的锯片产品已形成完整的产品系列 供应市场。比较有名的厂家有比利时包尔特，意大利布兰顿，美国诺顿等。 金刚石锯切工具广泛应用于石材、建材、地质、煤炭、石油、矿山、化工、 电力、交通、国防等部门。其中石材与建材加工是金刚石锯切工具最大的应用 领域。据我国超硬材料协会统计的数据，我国石材加工类金刚石制品约占制品 总量的5 5 8 ，而石材加工用制品中金刚石锯片占8 5 ，也就是说金刚石锯片 占整个金刚石制品的4 7 4 。 2 0 0 5 年我国石材进出口总额为3 0 5 5 亿美元，约占世界石材贸易总量的 第1 章绪论 6 0 。我国已成为仅次于意大利的世界第二石材生产与出口大国。1 。石材工业起 步晚，起点高，石材产品直接面向国际市场，为了提高石材的加工效率和加工 质量，对于人造金刚石锯切工具的要求愈来愈高，包括切割效率，工具寿命及 锯切综合成本等m 。 金刚石圆锯片的制造历史悠久，工艺较为成熟，应用较为广泛。但是目前 国内外对于金刚石圆锯片的质量缺乏总体的、定量的分析与评价。1 9 9 0 年由机 械电子工业部颁布的金刚石圆锯片国家标准只是规定了金刚石圆锯片的名称、 代号、产品分类以及在尺寸方面的一些要求，并没有涉及金刚石圆锯片的基体、 胎体、粘结剂以及金刚石具体的性能评价旧 因此，从总体上对金刚石圆锯片的制造和使用性能进行量化的分析与评价，建立金刚 石圆锯片的质量评价体系，必将会进一步规范金刚石圆锯片的制造工艺，提升其技术水平 和质量，对于作强作大金刚石圆锯片产业，乃至提升我国金刚石制品工业的总体水平也有 十分重要的意义。 1 2 金刚石圆锯片基体的质量评价 目前，国内生产金刚石锯片的基体材料主要有：5 0 m n 2 v 、7 5 c r l 、6 5 m n 和3 0 c r m o 四种材质。规格从m 1 0 5 m m 起始，最大可达0 3 0 0 0 m m 。国内用于制 造0 1 0 5 2 5 0 m m 金刚石圆锯片的基体材料主要为6 5 m n t 6 1 。 锯片以高速旋转对石材进行切割，通常切割花岗石的线速度为2 5 4 0 m s ， 切割大理石的线速度为4 5 6 0 m s 。具有一定振动频率的基体，在切割过程中振 动频率增加，会产生共振现象。这就要求基体具有高的弹性极限和曲强比。其 次，由于基体的不平度，或是锯片安装不良，切割时产生侧压力使基体反复弯 曲，导致基体刚度降低，或发生疲劳破坏。所以基体还应具有高的刚度和疲劳 强度。再者，锯片在切割过程中，基体要承受高速旋转产生的离心力，水槽部 位承受循环的切割压力和冲击力，因此，基体还应具有高的抗拉强度和一定的 冲击韧度忉。 在选用金刚石圆锯片基体材料应考虑以上所述的性能要求。我国国家标准 g b l l 2 7 0 一8 9 金刚石圆锯片要求基体材料应符合( g b l 2 2 2 ) ) 对于6 5 m n 钢的 要求。硬度要求为3 7 4 2 h r c 。 2 山东大学硕士学位论文 对于金刚石圆锯片基体的性能分析主要从以下几个方面进行嘲： 1 ) 基体的尺寸与化学成分； 2 ) 基体的硬度； 3 ) 基体的抗弯强度； 4 ) 基体的平直度； 5 ) 基体的热处理工艺嗍； 6 ) 基体的张应力“”。 表1 - 1我国金刚石圆锯片基体技术要求规定o ” 1 3 圆锯片用金刚石的选用原则 圆锯片所用金刚石的粒度、浓度、强度、冲击韧性等性能指标必须与所切 材料的硬度和磨蚀性相对应“”。对圆锯片用金刚石主要性能指标的技术要求为： 1 ) 粒度； 金刚石的粒度直接决定了金刚石在锯切工具表面的出露情况或凸出高度， 从而影响切割工具的材料切除率和切割效率一般粒度粗，金刚石出刃高度高， 切割效率较高，但是使用寿命较短“”。 为了获得较好的切割效果，多选用混合粒度的金刚石，即在粗粒度金刚石 中加入一定比例的细粒度金刚石。从而使在锯片切割效率下降不大的条件下， 使寿命有一定的提高。 国内，对于人造金刚石粒度检定有专门的国家标准( g b t 6 4 0 6 1 9 9 6 ) 就检测 方法进行了细致规定“”。国外金刚石生产厂家一般采用每克拉颗粒数( p p c ) 来表征金刚石粒度“”。 2 ) 冲击韧性与热稳定性； 第1 章绪论 金刚石锯片在使用过程中会与被加工材料产生摩擦和冲击，从而生热“”。为了 提高金刚石锯片的使用寿命与切割效率，必须保证金刚石拥有足够的冲击韧性 和高温情况下基本的性能指标良好的稳定性，即较好的热稳定性。表征金刚石 热稳定性的主要指标就是金刚石在不同温度下冲击韧性的差值“”。 图1 - 2 金刚石粒度与切割效率和使用寿命的关系 我国的机械行业标准( j b 1 6 5 7 1 - 9 3 和j 1 3 t7 9 8 9 1 9 9 7 ) 对锯片级( s m d 级) 人造金刚石的冲击韧性测定方法和技术条件作了详细的规定“”。但是，一 直以来在国内金刚石行业还存在一种以一定冲击次数下为破碎率来表征金刚石 冲击韧性的测定方法“”2 “。 表1 之锯用国产合成金刚石” 此外，锯片用人造金刚石还有对晶体形状、表面粗糙度、内部质量( 杂质 与包裹体含量) ，静压强度等方面性能要求。常用的金刚石表面镀覆方法有： 化学法和物理法。 1 4 金刚石圆锯片胎体材料的性能评价 4 胎体在金刚石锯切工具性能方面的主要作用为： 山东大学硕士学位论文 1 ) 分散和把持金刚石； 2 ) 使金刚石有一定的出露，提供相匹配的磨损； 3 ) 防止晶粒过早脱落； 4 ) 充当散热体，将工作产生的热量迅速散出； 5 ) 当金刚石受到冲击时，能够承受和分散所产生的冲击和载荷。 因此，一般由单金属或合金组成的胎体应满足适应锯片工作特点的技术要 求，同时还要兼顾锯片生产的工艺特点和要求嘲。一般胎体应具备以下性能： 1 ) 胎体对金刚石良好的粘结性； 2 ) 胎体应具有良好的耐磨性和冲击韧性； 3 ) 胎体成分对金刚石无侵蚀或只有轻微的侵蚀； 4 ) 胎体要求的烧结温度不能太高； 5 ) 工艺稳定性好嘲； 6 ) 应具有良好的压制工艺特性； 7 ) 不能造成公害。 目前，金刚石锯切工具应用的胎体类型主要有：铜基、钴基、铁基、镍基和 铝基。由于世界金属价格上涨，所以以铁基胎体代替钴基和镍基已成为必然趋 势。铁基胎体的主要优点为：较高的力学性能，如抗弯强度、硬度等；对金刚 石有较好的润湿性；可成型性、可烧结性好；成本低廉；对骨架材料的润湿性 好等删。 由于金刚石与几乎所有金属或合金之间都有较高的界面能，因此不能为几 乎所有的金属或合金浸润和粘结。为了提高胎体材料与金刚石之间的粘结特性， 人们开始采用电镀等方法对金刚石进行表面改性o ”删 1 5 金刚石在胎体材料中的浓度 所谓浓度就是金刚石在粉末胎体中所占的比例。有重量百分比浓度和体积 百分比浓度两种。其中体积百分比浓度规定，以每立方厘米立体内含有4 4 克拉 金刚石时的浓度为1 0 0 。由于金刚石的密度为3 5 2 9 c m 3 ，相当于1 7 6 克拉沁m 3 ， 所以当体积百分比浓度为4 0 0 时，是金刚石的理论密度。而当体积百分比浓度 为1 0 0 时，金刚石所占的体积为胎体总体积的2 5 。体积百分比浓度由于比较 第1 章绪论 直观，易于计算，所以常用。 胎体的金刚石浓度对于锯片的使用寿命和经济效益具有较大的影响。在一 定范围内，随着金刚石浓度的增加，锯片的使用寿命相应延长，但是锯片的成 本会相应提高。要保证锯切工作的正常进行，金刚石浓度需满足下式： k p ，n 61 - 1 1 式中卜被加工材料的抗压强度； n 一参与切割的金刚石的颗粒数； p 金刚石所承受的总压力； 6 一单颗粒金刚石的抗压强度。 图1 3 金刚石浓度对锯片寿命的影响 1 6 金刚石锯片的性能测试h 订 金刚石锯片刀体作为一种特殊复合材料，其基本性能应包括胎体本身的力 学性能，胎体对金刚石的粘结性能以及锯片对加工对象的切削性能。在分析金 刚石圆锯片的性能时应综合考虑以上几种性能。 1 ) 胎体物理和力学性能的测试 胎体材料的硬度在一定程度上反映胎体材料的耐磨性和脆性通常，胎体 的硬度值越高，则耐磨性越好，脆性越大，越适宜切割软质石材。 胎体的抗弯强度一般要求不能低于6 0 0 m p a ，采用标准试样( s x s x 3 0 m m ) ， 使用三点弯曲法进行测量，按下列公式进行计算： t r = 3 p l 2 b z h ( m v a )1 - 1 ) 式中p 一破坏载荷，n ； 6 山东大学硕士学位论文 b 和h - - 分别为试样的宽和高，m i l l ； l 一支点间距，m m 。 胎体的耐磨性在一定程度上可以反映锯片的使用寿命和时效，在保证正常 使用的前提下，锯片切割速度越高，则寿命越短，反之亦然。最简单可行的测 定胎体耐磨性的方法是销盘磨损实验法。 所谓销盘磨损测试法是选用一定粒度的棕刚玉砂布为磨粒放在转盘上，转 盘转速为1 6 0 r m i n ，在载荷p 的作用下，试样以每转4 m m 的速度自a 向b 前进， 然后自b 向a 退回。l a b - - - 9 0 m m ，要求每个试样的横截面积相同，所用砂布也必 须相同，将每个试样磨损后的失重作为材料的耐磨性或抗磨损性能的标志。其 失重量a m 越小，则耐磨性越好。 l 一2 一辅一精神4 - - 曩 i i i 一，布 一压耳一# 量 图1 _ 4 销盘磨损示意图 2 ) 胎体对于金刚石的浸润性及粘结性能测试 测量胎体对金刚石的粘结力的大小，间接的方法为测量在形同的工艺条件 下，添加金刚石前后胎体材料的抗弯强度。根据添加金刚石后胎体材料抗弯强 度的下降幅度间接推断胎体对金刚石的粘结情况。但是这种方法不直接，误差 较大。 直接测定胎体材料与金刚石粘结强度的方法是有粘结抗弯试样法、抗压试 样法、拉伸试样法和张力试样法。前三种方法都是使用聚晶或者石墨来代替金 刚石进行测试，所测量的破坏载荷p 即可视为金刚石与胎体之间的粘结强度。 3 ) 金刚石锯片的切割性能测试 目前，金刚石圆锯片切割性能的测试一般依据用户提供的使用报告来进行。 这种方法虽然最准确、方便，但是实验周期长、成本高、切削量大。近几年来， 国内外陆续出现了许多快而方便的实验方法和实验装置。 7 第1 章绪论 a 单刀块锯片模拟试验法 这种方法是整个锯片只采用一个刀块来锯切石块，并测量其切削力和磨削 比，据此来分析锯片的磨损及胎体适应情况。这种方法一方面可以测定胎体材 料的磨削比q ，同时可根据其切割石材的效率、质量、磨损情况以及金刚石的 出刃情况，准确的评定胎体材料和锯片的性能。 b _ 径向磨损测量法 锯片在切削一定石材后，其径向尺寸的变化值，既可作为锯片磨损量的量 度。 径向磨损量的测量可以采用以基准面定位，用千分尺测量固定点尺寸变化 的方式进行，为减小误差，可在一固定刀头上选若干固定点，最后取平均值。 1 7 本文的目的和主要研究内容 本文主要结合金刚石圆锯片具体的制备工艺，对圆锯片原材料的选择与分 析、胎体对金刚石的浸润和粘结性能以及锯片的切割性能进行总体的量化分析 与评价，争取建立一整套针对金刚石圆锯片的质量评价体系，为提升我国金刚 石制品工业的总体水平作出自己应有的贡献! 本文主要研究内容为： 1 依据金刚石圆锯片切削工作原理，建立金刚石圆锯片工作状态的理论模 型，完成相关物理量的定量计算。 2 根据计算结果，对生产金刚石圆锯片的主要原材料基体、金刚石和胎 体材料进行了成分优化设计和优选。 3 在传统冷压烧结法制备金刚石圆锯片工艺的基础上，结合原材料优选的结 果，对金刚石圆锯片的烧结工艺进行优化，并制定相应的工艺规范； 4 将试制出的金刚石圆锯片成品与国内知名厂商的产品进行对比锯切试验， 获取锯片实际工作数据，及时对原材料选择和制备工艺进行调整。 5 对经过锯切试验之后的金刚石圆锯片刀头组织与相结构进行系统的表征， 作为进一步优化原材料选择与制备工艺的依据。 山东大学硕士学位论文 2 1 试验材料 第2 章试验材料与方法 本文在试验中所涉及的材料主要包括两部分： 1 ) 制造金刚石圆锯片所需的主要原材料，包括基体、金刚石和胎体材料； 2 ) 进行金刚石对比锯切试验所需的国内其他厂家的成品锯片和不同种类、 不同型号的石材； 2 1 1 制造金刚石圆锯片所需原材料 2 1 1 1 圆锯片基体材料 本文制造金刚石圆锯片选用窄槽干切型基体( 1 a l r s s c ：，锯齿无波纹) ， 实物如图2 - 1 所示，主要规格尺寸如图2 - 2 和表2 1 所示嘲。 图2 1 窄槽干切型基体实物照片 图2 2 窄槽干切型基体规格型号示意图 9 第2 章试验材料与方法 表2 1 窄槽干切型基体规格尺寸 为了满足实验要求，向厂家订购产品时提出了对基体成分优化的设计要求， 厂家只负责冲制成形，我们自行进行热处理和后续加工。 2 1 1 2 圆锯片用金刚石 试验所需的锯片用金刚石主要来自外购，向国内知名的三大金刚石单晶生 产厂家直接订货。主要应用的粒度范围为：3 5 4 0 、4 0 1 4 5 、4 5 5 0 、5 0 1 6 0 、6 0 1 7 0 。 产品到货之后自行对产品的性能进行检测，主要检测的性能指标包括：单 颗粒静压强度、冲击韧性( t i 、t r d 、磁化率以及形貌指数。 1 ) 单颗粒静压强度 使用d k y - i 型金刚石单晶静压强度测定仪进行测定，以单晶颗粒破碎时所 施加的负荷表征静压强度。试验分组进行，每组测试4 0 粒，每个样品测试5 组。 图2 - 3d k y - i 型金刚石单晶静压强度测定仅 2 ) 冲击韧性 冲击韧性采用c y c j 0 4 a 型冲击韧性测定仪配合c y c j - b 型t 1 1 热冲击韧 性加热炉进行测定，以4 0 0m g 试样冲击2 0 0 0 次后的未破碎率表征冲击韧性， 测试温度分别为常2 ( 2 5 ) 和1 1 0 0 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 - 4c y c j - 0 4 a 型冲击韧性测定仪( a ) 和c y c j - b 型加热炉( b ) 3 ) 磁化率 磁化率主要用于衡量金刚石单晶的磁性大小，采用j c c - b 型金刚石磁化率 分析仪进行测试。 图2 - 5j c c - b 型金刚石磁化率分析仪 4 ) 形貌指数 金刚石单晶的形貌指数采用f a c t 公司生产的d i a s h a p e 系统进行检测，量 化的得出金刚石单晶的圆度、椭圆度、表面粗糙度、纯净度、透光性等性能指 标，对金刚石的品质作出判定。 2 1 1 3 圆锯片胎体材料 金刚石圆锯片的胎体材料主要是金属粉末，包括：铁粉、镍粉、铜粉、锡 粉等等，所需的主要原材料规格粒度以及型号见表2 - 2 。 粉料购进之后都要进行粒度分析和氧含量检测，以确保主要原材料的型号 以及含氧量符合设计要求。 第2 章试验材料与方法 表2 - 2 圆锯片用胎体材料明细表 2 1 2 圆锯片对比锯切试验所需原材料 2 1 2 1 用于对比的国内知名厂家的产品 为了增强对比的效果，选择了国内知名的三家金刚石圆锯片生产厂家的产品 进行对比。为了增强对比性，选用的锯片型号与自制产品一制，均为o l l 4 m m 匙形孔圆锯片。 2 1 2 2 锯切用石材 锯切用石材选用厚度为2 0 m m 的将军g ( g 3 7 5 2 ) 花岗岩板材，其主要成分如 表2 - 3 所示。 表2 - 3 将军红( ( 3 3 7 5 2 ) 花岗岩成分分析 2 2 试验方法 本文首先从理论计算入手，采用数学方法，基于理想状态对金刚石圆锯片 在工作时相关的量进行理论计算，建立金刚石圆锯片工作的理论模型，依此为 依据，优化制造锯片的主要原材料和烧结工艺。在优化过程中设计几种对比的 试验方案制造出成品，进行对比锯切试验，以锯切试验的效果作为衡量成分与 工艺优化的依据，并对锯片刀头进行成分与结构的表征，深入探讨提高锯片性 能的原理与方法。 1 2 山东大学硕士学位论文 第3 章金刚石锯切理论模型的建立与相关量的计算 3 1 金刚石圆锯片的切削工作原理 金刚石圆锯片切割石材实际是刀头对石材磨削和破损的过程，而圆锯片基 体是承受力的支体，如图3 1 所示。 图3 - 1 金刚石圆锯片的工作状态 l 一锯片基体；2 一刀头；3 一输送冲洗液的弯管；4 一岩石。 锯片的主要工作元件是金刚石，金刚石具有锋利的尖刃，被节块合金胎体 包镶和支撑，在锯片高速旋转及横向给进力的共同作用下刻取并破碎岩石，从 而实现切削。 锄 图3 - 2 单颗金刚石切削原理图 首先是进入工作状态，有两种情况：一种是锯片刚开始切割时，如图3 - 2 ( a ) 所示，金刚石在横向给进力和切向力的共同作用下直接压入岩石表面，使岩石 表面产生微破碎，金刚石逐渐刻入岩石中。另一种是如图3 2 ( b ) 所示，金刚石由 空转状态进入工作状态的瞬间对岩石产生冲击破碎，从而进人切削状态。此时 岩石对金刚石冲击力的大小，主要与同一切削线上相邻两颗金刚石的间距h 有 关。k 越大，金刚石水平位移越大，需要断取的岩石厚度越大，因而金刚石需 第3 章金刚石锯切理论模型的建立和相关量的计算 要承受更大的冲击力去破碎岩石。图3 - 2 ( c ) 是金刚石进入工作状态后切削岩石的 过程。类似耕犁作用，金刚石在高速旋转所产生的切向力矩作用下，克服岩石 的抗剪强度，实现对岩石的切削。在实际切割过程中，金刚石刻取岩石与耕犁 岩石是同时进行的，即图3 2 ( c ) 中重复了图3 - 2 ( a ) 中所示的过程。 3 2 圆锯片切削工作相关量的计算 本章主要综述前人依照金刚石圆锯片切削工作原理，采用数学方法， 按照理想状态对圆锯片切削工作过程中相关的量进行计算的研究进展，依 此作为对原材料和制备工艺优化的依据。相关的计算主要包括：实际参与 工作的金刚石颗粒数，锯片锋利性与金刚石浓度的关系，同一刀头上相邻两颗 金刚石最大间距，锯片胎体材料对金刚石的把持能力等四方面。 3 2 1 实际参与工作的金刚石颗粒数h 3 1 刀头工作面上单位面积( 1 c m 2 ) 金刚石总颗粒数n s 的计算公式为： m 一学 。m 矗撼一气1 、 式中：c 一金刚石体积浓度( 4 0 0 制) ； k 一金刚石的脱落系数，一般k = 1 3 ； d 一金刚石的粒径( m m ) 。 但实际参与工作的金刚石颗粒数要少得多。当金刚石的脱落系数为l 3 时， 实际工作金刚石的比例系数、i ，的计算公式为： 妒_ ( 1 一学) ( 1 一警) 3 - 2 1 式中：王i o 一金刚石的工作间隙，一般取金刚石的平均出刃值( m m ) ； d 一金刚石的直径( 姗) 。 一般情况下，金刚石平均出刃值可取1 s d ，代人公式( 3 2 ) 中可得v = 2 4 ， 即金刚石锯片实际工作颗粒数只占理论计算所得总粒数的2 4 基于以上结果，可以依据锯片的工作原理图计算出实际参与工作的金刚石 总颗粒数。 1 4 山东大学硕士学位论文 图3 - 3 金刚石圆锯片工作原理图 ( 图中0 为工作弧区对应角度，r 为锯片半径，叩为进刀量) 以o l l 4 m m 金刚石圆锯片为例，一副锯片共有8 个刀头，则工作弧区内刀 头个数n 为： n ：去8 3-3)360 n = 一 。 c 0 80 ：垦：! 13 胡 r 占：躺c o s 堕：眦c o s 坐。2 4 2 3 - 5 ) r5 7 将公式3 - 5 ) 的计算结果代入公式3 - 3 ) 可得n = 0 5 3 7 3 每个刀头工作面面积约为s o = 3 7 2 c mx0 6 c m = 2 2 3 2 e m 2 ，则工作弧区内 刀头工作面总面积为： s = n s o = 0 5 3 7 3 2 2 3 2 = 1 2 03 - 6 ) 由此可得，锯片切割过程中，实际参与工作的金刚石总粒数n 口的计算公式 为： n t - - - v n s s = 2 4 熹x 1 2 0 “s s 舌 s 一乃 即在锯片切割岩石过程中，参与切削的金刚石总粒数与刀头金刚石浓度成 正比，与金刚石粒径的平方成反比。 3 2 2 锯片锋利性与金刚石浓度的关系h 3 1 由材料力学知识可知，锯片切削时所产生的力矩m 为： 笫3 章金刚石锯切理论模型的建立和相关量的计算 p m = 9 5 5 0 x 二- 3 - n 式中：m 一锯片切削时的力矩科m ) ； 卜锯片切削时的总功率o ( w ) ； n 一锯片的转速( r r a i n ) 。 锯片作用在岩石工作面上的切向力t 为： t ：一m ：竺! 三q 1 3 - 9 ) 式中：卜锯片作用于岩石表面的切向力( n ) ； r - 一锯片的半径。 假设锯片工作时，每颗参与切削的金刚石的切向作用力相等， 刚石切削所消耗的功率p 也相等，则锯片消耗的总功率p 为： p = n 自p 假设每颗金刚石对岩石的切向力f 。也相等，则f ，可以表示为： 因此每颗金 3 - 1 们 f 。：竺! ! 旦2 ：! ! ! 垒3 - 1 1 1“ n r n n 簋r “， 锯片切割过程中，在功率p 相同的情况下，单颗金刚石切削力的大小与实 际工作颗粒数ne 成反比，即金冈4 石颗粒数越少，单颗金刚石的切向作用力越大。 3 2 3 同一刀头上相邻两颗金刚石最大间距“3 1 由以上分析可知，在保持金刚石粒径不变的情况下，减少金刚石浓度，可 提高锯片锋利度，但并非浓度越小越好。前面已经阐述，当金刚石由空转状态 进入工作状态时，金刚石冲击破碎岩石，在这一瞬间，金刚石所要承受的反作 用力大小与所剪断的岩石厚度有关，而这部分岩石的水平厚度即为锯片旋转时 相邻两颗金刚石对应弧度的时间内，锯片的水平位移量，如图3 4 所示。用箭 头表示相邻两颗金刚石l 和金刚石2 ，l l 表示胎体基面，k 表示金刚石2 刚接触 岩石时胎体基面l 1 移动到的新位置，由于相邻两颗金刚石间距很小，因此胎体 基面可以近似用直线来表示，而且l l 应与下面的弧线相切。要使锯片正常工作， 金刚石之间必须满足一个最大间距 l d 】，以保证胎体不参与切削岩石，否则锯片 1 6 山东大学硕士学位论文 锋利性大大降低，甚至岩石会抵住胎体而使锯片无法进刀图3 - 4 中所示，是 假定金刚石由空转状态到接触岩石的同时，岩石刚好抵触到胎体，这时相邻两 颗金刚石之间的间距即为最大间距【k 】。 ， 图3 - 4 同一刀头上相邻两颗金刚石最大间距示意图 由图3 - 4 可知，【= 一f a ；一c d = 一a b = 一b c c o t0 。由图3 - 3 可知。 为锯片工作弧区所对应的角度，二7 = 一b c s f i n o ，5 7 为金刚石的出刃高度i 王o 。 l 1 运动到k 所用时间为： t = 等= 南i n = 鲁s 1 1 1u s m ， v1 ，s ， 式中：v 一锯片走刀速度( r a m r a i n ) ； 则： 矿2 x r 扣兰篙鲁313)sln 1 ， 阻】- 万= 矿+ 万= h 。c o t 护+ 警= 业竺号去产s 一，4 ) ，锄伊 ，s m 式中k 一金刚石的出刃系数，一般k = l 5 。 从以上分析可以看出，为提高锯片锋利度，可减少节块中金刚石的浓度， 但金刚石浓度不能无限止的减少，必须保证节块中相邻两颗金刚石之间的间距 在最大间距【k 】范围内。即使相邻两颗金刚石的间距在【k 】范围内，由于间距越 大，需要冲击破碎的岩石厚度越大，对金刚石的冲击反作用力也就越大，金刚 石越容易破碎，金刚石破碎率不断增加，金刚石间距也逐渐加大，最终导致锯 片钝化，无法进刀。 1 7 第3 章金刚石锯切理论模型的建立和相关量的计算 3 2 a 锯片胎体材料对金刚石的把持能力“们 金刚石圆锯片是采用粉末冶金方法，将金刚石颗粒与结合剂( 金属粉末) 混合 后经压制烧结所制得。金刚石与金属之间存在很高的界面能，金属对金刚石的 润湿性差，金刚石与金属之间很难形成化学冶金结合，导致很难获得高的金刚 石与金属界面结合强度。 结合剂对金刚石的把持力不外乎有三种：机械镶嵌力、物理吸附力和化学 结合力。物理吸附力很小，可以忽略不计；机械镶嵌力的大小取决于胎体的烧 结合金化程度、孔隙率及胎体的强度和硬度等；化学结合力最强，但具有共价 健的金刚石和金属之间有很高的界面能，一般金属胎体与金刚石之间较难形成 化学冶金结合，而是以机械镶嵌作用为主。 胎体材料对金刚石的把持力一般难以通过定量测量的方式得到，但可以借 助于理论分析计算的方式得出近似值。 为了便于分析和计算，将金刚石颗粒假想为球状，设i c m 3 的胎体内金刚石 颗粒数为p 3 ，即1 0 m m 的高度上应有p 层金刚石。将这个计算出的金刚石层数 定义为标准层数，根据金刚石在胎体中的理想分布( 如图3 5 所示) ，每个标准层 的厚度h 为： 矗；玉q p 3 - 1 5 ) 图3 5 金刚石在胎体中的理想分布 这样在每个标准层内金刚石的颗粒数应为p 2 ，而每个标准层内的p 2 粒金刚 石并不是位于一个理想的平面内，而是位于理想平面上下浮动区( 如图3 - 6 所示) 。 从微观上看，每颗金刚石都不会与另一颗金刚石处于同一平面内，但每颗 金刚石都属于自己的平面，即每一标准层内有p 2 个这样的平面，相邻平面之间 的距离定义为y 。当一个新锯片开始锯切时，刀头胎体每磨损一个y ，就有 山东大学硕士学位论文 i 一颗金刚石出露。胎体磨损至金刚石的脱落高度声时( d 为金刚石的粒径；1 3 为 一常数) ，再磨损一个y ，则在漏出一个新金刚石的同时就会有一颗旧的金刚石 脱落( 露出高度超过脱落高度都。达到这一状态后，胎体工作面上的金刚石颗 粒数将不再增加，如图3 7 所示。 图3 - 6 金刚石在标准层内的分布 图3 - 7 胎体工作面上金刚石颗粒数恒定示意图 量 盘璺熬如盆重 j 靠一型毪 1 0 户，f 2 p 3 - 1 6 ) 式中：n 一刀头胎体工作面单位面积上的金刚石颗粒数； c 锯片刀头的金刚石浓度( 体积分数) ； d 金刚石的粒径。 实际上公式( 3 - 1 6 ) 中的b 即代表了胎体对金刚石的把持能力。但由于公式 ( 3 一1 6 ) 是建立在金刚石为球形的假设上的，实际金刚石晶体形状并非为球形， 所以需要对其进行必要的修正： n = k 篝 ，彻 霄4 一口11 1 、 式中：k 修正系数，k i ； 这样在已知刀头设计参数的前提下，即可根据胎体工作唇面上实际金刚石 1 9 墨 芷里宝| ， 一 叽 n 立衄 互 令 第3 章金刚石锯切理论模型的建立和相关量的计算 颗粒数定量表示出胎体对金刚石的把持力，即： p2i 6 0 0 丙k c 3 1 8 1 在刀头设计参数一定的前提下，增加金刚石的浓度和减小金刚石的粒度局 可以提高胎体对金刚石的把持力。 3 3 本章小结 本章主要基于圆锯片的切削工作原理，采用数学方法，在理想状态下对锯 切过程中主要的量进行了量化计算，得出了以下结论： 1 ) 金刚石圆锯片的切削过程实质是被节块合金胎体包镶和支撑的金刚石在锯 片高速旋转及横向给进力的共同作用下刻取并破碎岩石的过程。 2 ) 通过量化计算，建立了锯片性能与刀头配方参数间的定量关系，可以作为原 材料优选和配方设计的依据。 3 ) 在锯片切割岩石过程中，参与切削的金刚石总粒数与刀头金刚石浓度成正 比，与金刚石粒径的平方成反比。且在功率p 相同的情况下，单颗金刚石 切削力的大小与实际工作颗粒数n4 成反比，即金刚石颗粒数越少，单颗金 刚石的切向作用力越大。即降低刀头的金刚石浓度可以相应提高锯片的锋利 度。 4 ) 但是金刚石浓度的减少不能使同一刀头相邻两颗金刚石之间的间隙大于 【k 】，且金丹石的浓度还直接影响胎体材料对金刚石的把持力。计算发现， 在刀头设计参数一定的前提下，增加金刚石的浓度和减小金刚石的粒度局可 以提高胎体对金刚石的把持力。 山东大学硕士学位论文 第4 章金刚石圆锯片生产所需原材料的优选 本章主要针对金刚石圆锯片生产所需主要原材料进行优选，以从根本上保 证试制锯片的质量。 4 1 金刚石圆锯片的基体材料 基体是金刚石锯片用来支承锯齿( 金刚石刀头) 的主体，同时又是连接在 设备上实现切割的刚性部件。 金刚石圆锯片所用基体必需具有足够的强度、韧性和硬度。基体除了要求 化学成分上需要满足钢材要求外，在加工过程中，必须消除变形力，微裂纹， 确保基体的张应力平衡、平直度及其他形位要求和表现、内在质量要求，使得 工具工作时不开裂、振动小、能平稳轻快的切割。 基体加工的一般过程为：钢板冲裁一铣水n - - * - 热处理一校平一磨加工一检 测。为了从原材料入手把握锯片的质量，我们向厂家提出了优化基体化学成分 的部分要求，并自行进行基体的热处理，在避免基体变形的同时，努力提高其 硬度。 对基体的检测主要包括外观、硬度、尺寸偏差、形位误差、内应力等方面。 4 1 1 基体化学成分的选择 根据对基体性能的基本要求，参照国家标准( g b l l 2 7 0 8 9 金刚石圆锯片 中对基体材料的要求，我们提出了一套优化基体化学成分的方案，见表4 1 。 表4 - l 基体材料优选后化学成分与国家标准对照表( 质量百分数，呦 优化方案主要是适当增加了碳、硅、锰、铬的含量。钢中加入硅可以显著 的提高弹性极限和屈强比，并能提高回火的稳定性，但是，硅含量过多，易促 使脱碳。锰的加入可以提高钢的硬度和耐磨性，而不会损害塑性。此外，锰还 2 l 笫4 章金刚石圆锯片生产所需原材料的优选 可以提高钢的淬透性，减少刚淬火后的变形量。但锰含量过高，会增加钢的热 敏性，易使晶粒粗化，增加工件淬火后产生裂纹的倾向。 4 1 2 基体热处理工艺的优化耵 国家标准g b l l 2 7 0 - 8 9 金刚石圆锯片中对基体要求硬度为：3 7 4 2 h r c ， 平整度在士1 5 岫1 之间。从微观金相组织而言，基体使用组织应为回火屈氏体。 目前常规的基体热处理工艺为自由淬火+ 加压回火，即在盐浴炉中加热至 8 4 0 后油淬，然后进行5 4 0 ，5 h 的加压回火。在加压回火中，平面度和硬度 相互矛盾，为了抵消基体的淬火变形，达到平面度的要求，就必须提高回火温 度或增加回火次数，但会造成硬度的下降，而且回火后的组织一般会变成回火 索氏体