石材切割用金刚石工具胎体材料的优化研究

1、石材切割用金刚石工具胎体材料的优化研究(超硬材料与工程)1999年第2期石材切割用金刚石工具胎体材料的优化研究.,o2,f;1脯七1)雩?11,下-,f北京有色金属研究慧院),忆1本文根据检测及评定不同胎体金刚石工具切割性能的需要,首先自己设计并安装制造了一台金刚石锯片切割石材性能试验机,该试验机能够实现测试中105×2mm圆锯片切割性能时,线速度在0-80米/秒范围的无圾变速及切割载荷在010内的任意设定.而且运转及进给平稳,可达到模拟实际切割过程中的加工工艺条件和快速测定锯片磨损量的目的.为了对切割试验结果进行分析比较,建立了相应的数据记录系统,分别记录在锯片切割石材过程中,锯片

2、的转速变化及电机的电压和电流变化.定义了切割指数Z=v,(M×t),表示单位时间内t,单位工具磨损重量M时,工具所切割的石材量可以看出,切割指数z是反映工具切割速度,寿命和磨损程度的综合性能指标,可用其分析评价工具切割性能的优劣,并以此作为优选工具胎体材料的依据.研制出了用于切割花岗岩荒料的金刚石圆锯片专用预台金胎体粉末(编号为丑).该粉末以FeNcu为主要材料,并添加了适量的其它特种元素,采用中频熔炼,高压水或雾化的方法生产.该粉末具有如下特点:a)熔点低,T熔=920TZ:b)含氧量低,采用气雾化时,可低到300ppm;c)对金刚石粘结牢固;d)烧结性能好.研究了热压烧结10YH

3、1粉末及添加Cu一&l台金,(663)青铜合金及G.粉后,对YH1基胎体或含金刚石YH1基胎体的性能的影响,对比分析了YH1胎体与G0基和(663)青铜胎体的性能特点.研究结果表明,YH1合金粉末胎体可与金刚石表面发生接触反应,在800"C85O时,Fe对金刚石的反应刻蚀深度约为0.2微米,这种反应对金刚石的强度没有不利影响,而由于这种反应产生的牢固地粘结,可提高工具的切割效率和耐用度.随着在YH1粉末中添加的(663)青铜和粉含量的提高,胎体的性能变化规律为:在胎体耐磨损性能降低的同时,胎体的抗弯强度有所提高,使YH1胎体的某些性能达到了纯G.基胎体的性能.这种作用

4、使得YH1基胎体工具的切割指数z分别增大16%和3%(切割石岛红和威海红),分析YH1基胎体提高工具性能的原因后认为.胎体耐磨损性能的降低及胎体对金刚石粘结性能的提高,提高了工具金刚石颗粒的凸出高度,即金刚石的出刃高度,从而提高了金刚石颗粒的破碎岩石的效率.为了提高切割花岗岩的切边锯片的性能,研究了在(663)青铜基胎体中,分别以La)和cuCe合金的形式添加稀土元素La和Ce后,对胎体材料性能的影响,研究结果表明,随着稀士元素或ce的加八.胎体材-,(超硬材料与工程)19年第2期料的组织显着细化,使得胎体的抗弯强度得到改善.而过量【上或ce所形成的第二相质点,造成的组织不均匀,又使得胎体材料

5、的耐磨损性能下降,这种作用对提高工具的切割速度很重要.La的加入对改善胎体对金剐石的粘结作用显着,使得odia大于o.显微组织分析表明,适量【上的存在,可通过净化金刚石与胎体的界面,使得铜基胎体在金刚石表面形成薄膜状粘结层,从而显着改善胎体对金刚石颗粒的粘结状态.当【上和ce的添加量分别为0.75%和0.9%时,该铜基胎体的工具的切割指数z分别提高4%和12%(切割石岛红),因而这种铜基胎体材料适宜于切割象石岛红一类的花岗岩石材.由于软质大理石中不含石英颗粒,且组织细密,研磨性弱,切割试验结果表明,一般的胎体材料工具在切割这类石材时,都表现出了较高的耐磨损性能,即胎体材料的磨损速度低,金刚石不

6、能及时出刃,因而工具的切割性能差.单纯调节金属成分不能达到降低胎体的抗弯强度材料耐磨损性能的要求.为了满足切割这类软质大理石对工具胎体的性能要求,研究了在Cu基台金中添加非金属元素石墨c和玻璃粉BL对胎体热压烧结性能的影响,研究表明:随着石墨C及玻璃粉BL的添加.铜基胎体耐磨损性能急剧下降,而胎体的硬度值变化不大.铜基胎体耐磨损性能急剧下降的机理是:石墨和玻璃粉的加入,在胎体中以夹杂的形式存在,是薄弱相,使胎体的脆性增加,磨屑由连续变为断续,耐磨损性能大大下降,同时胎体的抗弯强度也有所下降.试验证明,当石墨C粉的添加量为3%时,胎体的磨屑长度缩短90%,胎体的磨损失重量m由0,21克提高到0.

7、76克,提高3.6倍.在切割工艺条件为8OOO转/分和20k载荷时,切割软质大理石(西班牙米黄)时的工具切割指数z从266提高到463,提高了5g%;切割速度从13.3厘米/分增加到324厘米/分,提高140%.同时胎体的强度也从580M降到3791Vlaa,降低35%.研究表明,胎体的强度接近4001vlPa时还可使用.这一重要结论,突破了传统的金刚石工具胎体设计中,要求胎体的抗弯强度必须在6o0800/vl以上的界限.通过对不同金剐石锯片的切割性能测试和磨损表面形貌观察,建立了工具中金刚石颗粒的磨损形态与工具胎体的磨损性能之间的关系及其对工具切割性能的影响.提出工具磨损表面上的金剐石磨损可

8、分为五种磨损形态,即初期形态,局部破碎形态,大面积破碎或整体破碎形态,抛光形态和脱落形态.其中韧期形态即金刚石新出刃状态,由于局部破碎与大面积或整体破碎形态之间没有严格的界限,通常可归为一类统计.研究结果表明,金刚石颗粒的这五种磨损形态的产生及其比例,与胎体材料的耐磨损性能密切相关,井直接影响着工具切割石材的性能.其中磨平或抛光形态的金刚石对工具的切割性能不利,而新出刃和局部破碎的金刚石形态,则可使金刚石颗粒作为擞切削刃工作时,不致于被磨钝或抛光,因而有利于提高工具的切割性能.胎体的耐瞎损性能越高,则金刚石越不容易出刃,同时正常工作金刚石被抛光的可能性越大,反之亦然.因此,降低胎体的耐磨损性能

9、,是提高初期和局部破碎形态金刚石比例,提高工具切割性能的有效方法.利用定义的切割指数z,实现了对工具切割性能的正确评价及胎体材料性能的优化选择,在实际应用中得到验证.试验证明,随着工具胎体材料的耐磨损性m值的增大,则工具切割过程中金刚石的出刃高度hc提高,工具的切割指数z也同时提高.根据研究的结果,首次提出了金刚石工具胎体性能的"弱化"概念.为了提高金刚石工具的切割性能,特别是切割速度,应该有目的的降低工具的某些性能,如耐磨损性能.以保证金刚石颗粒能够及时出刃(下转37页)11(超硬材料与工程)1999年第2期研磨速度("fn/n)2O50o1O00('C

10、,研磨板温度图7首先,将研磨金刚石1置于加热器上,同时将研磨板与旋转马达4联上,用扩散泵1O将真空室11减压至0.5帕斯卡,由控制器9控制加热器热源7.由加热器3将金刚石1由500加热至1000.在该状态下,移动台6怍水平移动,撞针5同时将研磨板12压向金刚石l,在极高速条件下完成研磨.测定此时的研磨板温度与研磨速度的关系,如图7所示.曲线是采用本发明实例C.,FQ陶瓷板的结果.为了比较,将Fe板用作研磨板,研磨板温度与研磨速度的关系如曲线所示.从比较可以看出采用本发明金属氧化物,可以完成极高速的研磨,上述实例虽然选用C.Q陶瓷板等,然而金属氧化物也可以适当选用.(发明效果)根据本发明方法,将金属氧化物用作触媒,使金刚石边氧化边可以进行高速研磨.图面简单说明:l金刚石;2.研磨板;P.0粉末:3研菪板i4旋转马达;5,撞针;6.移动台;7.加热热源;8电偶;9.控制器;10.扩散泵:11.真空室.魏民编译自日本专利特开平115791(上接l1页)并以较高的出刃高度切割石材.利用工艺控制法或添加剂法,可以达到这种胎体性能弱化的要求.研究结果表明,利用切割指数z,可以综合评价工具切割性能的优劣.因而在此用切割指数Z作为胎体性能弱化效果的参量,而胎体的耐磨损性能m则可以看作胎体性能弱化程度的参量.这样,利用切割试验机,能够很