金刚石锯片使用性能与结合剂之间的关系

1、? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第18卷第3期郑 州工 业高等 专科 学校学 报2002年9月Vol. 18No. 3JOURNAL OF ZHENGZHOU PO LY TECHNIC INSTITUTESept.2002收稿日期:2001 - 12 - 30基金项目:河南省科技攻关项目(971130205)作者简介:王秦生(1942) ,男,河南叶县人,教授,从事超硬材料及制品制造技术研究。金刚石锯片使用性能与结合剂之间的关系王秦生,左宏森,

2、宋 诚(郑州工业高等专科学校材料工程系,河南 郑州 450007)摘要 :加工石材金刚石锯片的性能,既取决于金刚石 ,更取决于由金刚石与结合剂适当配合而构成的复合材料的整体性能。不同结合剂的类型、 成份配比 、 相对密度 、 力学性能,均有着自身的特点和各自的适用范围。关键词 :金刚石锯片;使用性能 ;金属结合剂中图分类号:TQ164.8文献标识码:A文 章 编 号 :1008 - 7419(2002)03 - 0001 - 030 前言金刚石锯片的性能与金刚石密切相关,但是并不仅仅取决于金刚石,而是取决于金刚石与结合剂适当配合而构成的锯片刀头复合材料的整体性能 。这涉及结合剂的类型、 成分配

3、比、 相对密度 、 金相组织 、 力学性能以及结合剂与金刚石之间的结合力的形式。本文根据研究结果和生产实践经验 ,分析了与结合剂有关的这些因素对金刚石锯片使用性能的影响。1 结合剂类型对锯片使用性能的影响不同类型结合剂的金刚石刀头分别适用于不同石材的加工,见表 1。1. 1 铜基结合剂特点 :这类结合剂包括铜基、 青铜 、 黄铜 ,以及钴青铜 、 钴黄铜等 。他们以铜为主成份,还可能同时或部分含有Zn、 Co、 Ni 、 Fe等金属 ,其硬度较低,强度较低,韧性较高,与金刚石结合强度较低(化学亲和力和机械把持力都弱),但价格低廉。适用范围 :宜与锋利性好的金铡石相配合,以大理石 ,软质花岗石等

4、为主要加工对象。1. 2钴基结合剂特点 :以钴为主要成分,配以适当数量的铜,此外常常添加少量Ni、 Sn、 Zn 等成份 。这类结合剂硬度适中,强度适中,韧性适中,自锐性较好,与金刚石结合强度适中性能稳定,但价格昂贵 。适用范围 :适用范围广,可以与中等强度以及高强度的多种牌号金刚石相配合,广泛用于各种花岗石和大理石的锯切加工。表1 结合剂与被加工材料对照表被切割、 钻孔、 铣削的材料结合剂系统非研磨性材料玻 璃铜基、 钴青铜软大理石钴黄铜可切削耐火材料钴基非研磨性到低研磨性材料低密度耐火材料铜基硬大理石钴青铜、 钴黄铜石灰石钴基低研磨性到中研磨性材料中密度耐火材料钴基致密钢筋养护混凝土钴青铜

5、、 钴黄铜辉长岩、 长麻岩、 闪长岩钨基正长岩(黑花岗石)钨基花岗石钨基中等研磨性到高研磨性材料高密度耐火材料钴基养护混凝土钨基轻质钢筋混筋土铁基花岗石钴青铜、 钴黄铜高研磨性到极高研磨性材料铸造或高密度耐火材料钴基沥 青钨基未固化混凝土铁基钢筋混凝土镍基砂镍基干切割镍基混凝土、 砖、 耐火材料、 花岗石铜基、 钴基、 钨基、 铁基1. 3 铁基结合剂特点 :以铁为主要成份,与适当数量的铜、 镍配合使用,还常常掺入加Sn、 Zn、 C o 等成份 。这类? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rig

6、hts reserved. http:/结合剂的力学性能,例如硬度 、 强度与钴基结合剂类似 ,所制成的锯片的自锐性比钴稍差,对金刚石的化学作用比钴明显。铁基结合剂性能随着合金配方和烧结温度等工艺条件的变化会发生较多的变化,性能不够稳定,价格最低,只有钴的3 %5 %。适用范围 :与钴基结合剂基本相同,在国内用于替代钴 。某些铁基结合剂锯片在加工红色硬花岗石时可能比钴基更为耐用。而如果锯片配方或烧结工艺不当,则在加工软质石材时常表现出不够锋利的缺点。1. 4 钨基结合剂特点 :以 WC、 W2C或 W 粉的形式使用,配以适当数量的Cu、 Sn、 Zn、 Fe、 Co、 Ni 等成份 。这类钨基

7、结合剂硬度最高,所制成的锯片的自锐性最差;对金刚石有一定的化学作用;烧结温度也最高,因此要求高耐热性金刚石与之配合使用。适用范围 :适于加工高硬度、 高密度 、 高石英含量的难加工的红色花岗石以及混凝土,尤其是钢筋混凝土之类的难锯切材料。除上述四类常用结合剂之外,还有镍基结合剂 (例如 ,国外一种小锯片结合剂含镍95 %以上),但较少使用。镍通常是在上述各类结合剂中配合使用,用来调整结合剂的力学性能。2 结合剂中添加成份对锯片使用性能的影响这里所说的添加成份是与合金中的主成份相对而言的,是泛指除主成份之外的其它组元。添加成份一般用量较少,但有些添加成分用量可能相当高 。例如铜,在 Co 基 、

8、 Fe基 、 WC 基结合剂中,用量都相当高,含量常常仅次于主成分而居于第二位 ,因而这三类结合剂其实也可以分别称为C o - Cu 基 、 Fe- Cu基 、 WC - Cu基结合剂 。添加成分按其在结合剂中所起作用可以大致划分为以下几类。2. 1 粘结成分主要是指Cu、 Sn、 Zn 等熔点低、 硬度低的金属 。这些金属在烧结过程中较早熔融,成为液相,使结合剂具有液相烧结的一切特征,在较低的温度下发生位移、 扩散 、 致密化 、 合金化等一系列烧结过程中的物理化学变化,从而得到我们希望的烧结体 。因此 ,粘结金属起着必不可少的重要作用 。例如 Sn、 Zn ,虽用量很少,但作用不可低估,它

9、们的成份和用量即使只有2 % - 5 %的变化 ,也会对烧结工艺条件(温度 、 压力 、 时间 )和烧结体性能 (密度 、 硬度 、 韧度 ) 产生显著的影响。2. 2 骨架成分这是指结合剂中硬度高、 熔点高的添加成分。它可以提高结合剂的硬度和耐磨性。在 Cu基 、 Co基 、Fe基等非钨基结合剂中,W、WC、W2C就是骨架金属 。在 Cu基结合剂中,Fe、 C o、 Ni 也起骨架金属的作用 。通过调节这些成分,可以调整产品性能和适用范围。2. 3 强化成分这主要是指只要少量添加即可显著提高合金强度的那些金属元素,例如 Mo、 Be 以及 Ce 等稀土元素 。在 Cu基结合剂中加入1. 5

10、%左右 Be ,可以提高强度和硬度3(5 倍 。同时 ,塑性显著降低,这意味结合剂的自锐性亦即锯片的锋利性将显著提高 。2. 4 亲和成分这是指能够增强结合剂对金刚石化学亲和力的成份 。对金刚石能够产生化学亲和力的金属有两类 。一类是Fe、 Co、 Ni 等过渡族金属。它们在高温下是碳的溶剂,能够溶解金刚石,但不能与之生成稳定的化合物。另一类是Ti 、 Zr 、 Hf、 V、 Nb、Ta、Cr、Mo、W等碳化物形成元素,它们对金刚石有更强的亲和力,能够在高温下与之生成稳定化合物 。这两类金属的作用不仅在于它们本身对金刚石的亲和作用,还有另外一个作用 它们的加入可能改善结合剂金属整体对金刚石的亲

11、和性能 ,提高对金刚石的浸润性,增强结合剂对金刚石溶剂化作用。3 结合剂力学性能对锯片使用性能的影响作为锯片的金属结合剂,其力学性能要符合锯片的使用要求。锯片要求既要耐用,又要锋利 ;结合剂既要求有足够高的硬度和强度,又要求有足够的脆性,以便在锯切过程中适时磨损,保持金刚石有足够的出刃高度,从而保持锯片自锐性。因此,对锯片的结合剂而言,其力学性能指标与普通的金属材料有所不同,并非强度和硬度越高越好 ,而是要适当;韧性更不允许太高,而是要有一定脆性 。有人对此提出不同于通常强化金属材料要求的所谓 “弱化”的概念 。但应注意,并非越“弱” 越好 ,而是强度 、 硬度 、 脆性都要适当。对于不同用途

12、 、 不同种类的锯片,这些指标各不相同,要求有各自适当的范围。一般的规律是,加工坚?2?郑州工业高等专科学校学报2002年 第18卷 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/硬的可锯性差的石材,要求硬度 、 强度 、 韧性高一些 ;而对于加工可锯性好的软质石材而言,则这些力学性能指标相应宜低一些。生产实践中,普遍使用铜基结合剂加工大理石及软花岗石,使用WC基结合剂加工硬花岗石,使用 Co 基结合剂加工中等硬度石材。顺便指出,那种加工硬石材宜用软结合剂的说

13、法,似手缺乏足够的理论根据,也不符合生产实际。从原材料的角度讲,为了保证结合剂的机械性能 ,不仅要确定适当的成份配比,还要注意各种金属粉末的粒度、 表面状况 (氧化程度等 ) 、 加入形式 (单金属粉末,预合金粉末等 ) 。粒度不可过粗,主成分应细于200 目 ,添加成分一般应细于300目 ,Ti 、 Cr 等少量添加成分粒度应更细一些。否则 ,在结合剂中的分散程度不够,尽管加入量达到了配方要求,实际上也起不到应有的作用。4 结束语本文主要分析了原材料中的结合剂因素与锯片使用性能之间的关系。锯片影响因素是多方面的 。从原材料角度看,金刚石和基体也是重要因素 ,基体与金刚石和结合剂并列为锯片的三

14、大原材料 。从锯片制造角度看,除了原材料因素外,制造工艺及工装设备仪器,同样也是至关重要的因素 。从影响锯片性能和使用效果的全局来看,制造因素仅是一个方面,另一方面,使用因素也是同等重要的因素,本文限于篇幅,对后面这些因素未作深入分析 。根据锯片生产厂家数十年来的实践经验和教训 ,通过对影响锯片使用性能的诸多因素进行系统的综合分析,总结出了一些带有规律性的认识和体会 ,可以归纳为如下的四 “是” 箴言 :原料是前提,配方是基础,烧结是关键,检测是保证 。最后 ,需要指出一个普遍存在而应当普遍关注的问题,制造厂商不仅要制造出性能优良,适销对路的各种锯片,向系列化和专用化方向发展,而且还要对售后技

15、术服务的工作引起足够的重视,给予足够的人力、 财力的投入,积极主动地指导、协助 、 配合用户,针对不同石材,合理选择并且正确使用锯片,使锯片的性能和作用得以充分发挥,从而获得良好的使用效果。参考文献:1 徐湘涛.金刚石锯切工具与钻探工具制造M.郑州:机械工业部机床工具工业局,1990.2 王秦生等.烧结工艺对金刚石锯片新型节块无钴结合剂机械性能的影响J .金刚石与磨料磨具工程,1997 ,(1) .3 王秦生.金刚石锯片刀头结合剂性能试验研究J .石材,1997 ,(4) .4 孙毓超.金刚石工具与金属学基础M.北京:中国建材工业出版社,1999.5 王秦生.金刚石烧结制品M.北京:中国标准出版社,2001.About the Relation betweenthe property of di2amond saw blade and the binderWang Qingsheng,Zuo Hongsen,Song ChengAbstract :Thefunctionsof diam ond sawsapplyingto stonelie notonly on diam ond gransbut m ore als o onthe com pound material s performancesformed by ap2pro