冯跃,骆颖,杨理清

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林 541004)

面向不同加工对象的绳锯串珠配方设计

冯跃,骆颖,杨理清

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林 541004)

分析了花岗岩、大理石和铸钢的化学成分、物理性能及微观组织,比较了这三种不同加工对象在化学成分、物理性能及微观组织方面的差异,提出了加工这三种对象的绳锯串珠配方设计思路。

金刚石工具;加工对象;绳锯;串珠;配方设计

1 引言

绳锯串珠由金属基体、金属结合剂和金刚石三部分组成。串珠配方设计是指针对不同的加工对象给定金属结合剂组成的设计和金刚石参数的设计。用于串珠的金属结合剂要求具有以下特点[1]:(1)良好的压制性能。压制性包括压实性和成型性两个方面,压制性反映压力与胚体密度之间的关系,而成型性反映压力与胚体强度之间的关系。生产实践证明,在采用冷压成型条件下,结合剂的良好成型性比压实性显得更为重要;(2)良好的粘结性能。结合剂对金刚石的粘接越牢固越好,可以充分利用和发挥金刚石的磨削作用;(3)烧结性能。结合剂的烧结性能对金刚石强度的变化和结合剂把持金刚石的牢固程度有重要影响。(4)与加工对象相适应。加工对象的硬度、微观组织特点决定了结合剂的硬度、强度、韧性等指标。串珠胎体中的金刚石参数包含下列几种:(1)金刚石的品级;(2)金刚石在胎体中的浓度;(3)金刚石的粒度分布。

绳锯在实际应用中所面向的加工对象千差万别,目前有代表性的加工对象主要有以下三大类:(1)花岗岩;(2)大理石;(3)钢铸件。在开发绳锯的过程中发现,针对花岗岩的串珠配方设计思路用于大理石和钢铸件的切割串珠配方设计完全行不通。这三类加工对象有什么区别,针对这些区别采用什么样的串珠配方设计思路,搞清楚这些问题对绳锯开发具有重要指导意义。

2 三类加工对象的对比分析

绳锯串珠的配方设计思路一定要针对具体的加工对象来确定,主要考察加工对象的化学成分、物理性能和组织分布特征。

2.1 化学组成

花岗岩是岩浆在地下深处经冷凝而形成的深成酸性火成岩,部分花岗岩为岩浆和沉积岩经变质而形成的片麻岩类或混合岩化的岩石。花岗岩主要由石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石和黑云母组成,属于硅酸盐类石材,其成分以二氧化硅为主,约占65%～75%。大理石是地壳中原有的岩石经过地壳内高温高压作用形成的变质岩,是地壳的内力作用促使原来的各类岩石发生质的变化过程的产物。大理石主要由方解石、石灰石、蛇纹石和白云石组成,其主要成分以碳酸钙为主,约占50%以上,其他还有碳酸镁、氧化钙、氧化锰及二氧化硅等。铸钢中除含硅和锰作为合金元素或脱氧元素外,还含有其他合金元素,有的还含有某些非金属元素。铸钢的分类方法很多,常用化学成分和使用范围分类,按化学成分可分为碳钢、中低合金钢和高合金钢。

表1给出了部分花岗岩和大理石的化学成分。从表1中给出的数据可知,(1)花岗岩主要由SiO2和Al2O3组成,其它氧化物的含量很少,岩石的烧失量很小;(2)大理石经过煅烧后主要由CaO组成,其它氧化物的含量很少,岩石的烧失量很大;(3)花岗岩中的CaO含量和大理石中的SiO2和Al2O3含量在不同地区会有较大变化;(4)通过测量岩石的烧失量和CaO、SiO2以及Al2O3含量可以对花岗岩和大理石进行区别;(5)花岗岩和大理石均由化合物组成。表2给出了部分铸钢的化学成分[2]。从表2中给出的数据可知,(1)铸钢的主要成分是Fe;(2)高合金铸钢中的合金单质含量很高;(3)铸钢主要是由单质组成的。通过比较花岗岩、大理石和铸钢的化学成分,可知花岗岩和大理石在化学组成上更为接近,二者与铸钢在化学组成上有着截然不同的区别。

表1 部分花岗岩和大理石的化学成分Table 1 Chemical components of some granites and marbles

表2 部分铸钢的化学成分Table 2 Chemical components of some cast steels

2.2 微观组织及物理性能

图1给出了花岗岩的显微组织。从图1中可以看出,花岗岩由多相组成,各相之间有清晰的界面,并且各相所占体积均不相同。花岗岩是深成岩,常能形成发育良好、肉眼可辨的矿物颗粒。图2给出了大理石的显微组织。从图2中可以看出,大理石由细小晶粒组成,晶粒尺寸很小大约几个微米。大理石中的方解石、石灰石、蛇纹石和白云石等晶粒尺寸一般很细小肉眼难辨。图3中给出了铸钢的显微组织。从图3中可以看出,铸钢的组织均匀,晶界清晰,晶粒尺寸约十几微米。花岗岩、大理石和铸钢三种材料中大理石与铸钢的显微组织特征比较相近,均为细晶组织,而花岗岩由肉眼可见的粗晶组成。

图1 花岗岩的显微组织Fig.1 Microstructure of granite

图2 大理石的显微组织Fig.2 Microstructure of marble

图3 铸钢的显微组织Fig.3 Microstructure of cast steel

表3给出了花岗岩和大理石的物理性能。从表中可以看出:(1)花岗岩的硬度比大理石大得多。花岗岩的莫氏硬度一般为6～7级,大理石的莫氏硬度一般为3～5级,这是由于花岗岩中含有大量的石英,而大理石中含有大量的碳酸盐;(2)石材的抗压强度和抗弯强度与硬度没有直接的关系;(3)花岗岩和大理石在其他物理性能上很难进行区别。表4给出了铸钢的机械性能[2]。铸钢与花岗岩以及大理石相比,最大的区别是铸钢具有一定的延伸率,而花岗岩和大理石是脆性材料。

表3 部分花岗岩和大理石的物理性能Table 3 Physical Properties of some granites and marbles

表4 部分铸钢的机械性能Table 4 Mechanical properties of some cast steels

3 不同加工对象的串珠配方设计原则

绳锯在工作过程中需要保持良好的工作状态,即具有较高的切削效率和较长的寿命。要满足这一性能要求,首先金刚石要稳定地发挥作用,其次金属胎体的磨损速度要与金刚石的磨损速度匹配即保证金刚石的及时出刃,最后金刚石的品质、浓度以及粒度分布也需要优化。具体到不同的加工对象,绳锯串珠的配方设计应具有针对性。

3.1 花岗岩绳锯串珠配方设计

花岗岩具有很高的硬度,并且组成岩石的各相粒度很大且硬度不一。绳锯在工作过程中转速很高,金刚石在对岩石进行磨削时受到脉冲载荷的作用,当金刚石磨削到石英时受到的载荷大,磨削到软质相时受到的载荷小。同时岩石粉末对金属胎体进行磨削,由于粉末中含有石英,因此金属胎体磨损得很快。根据上述分析,在设计花岗岩绳锯串珠配方时,金刚石的品级和浓度都要偏高,金刚石的粒度按粗、中、细的比例要合理搭配。较高品级和浓度的金刚石对串珠的寿命和效率都有贡献,金刚石的粒度按粗、中、细的比例合理搭配有利于金刚石的出刃。金刚石的品质、浓度以及粒度分布的设计还有赖于金属胎体的设计。金属胎体的硬度要与花岗岩的硬度相匹配,保证金刚石的出刃速度。金属胎体的抗弯强度要高,避免金刚石的过早脱落,影响到串珠的寿命。

3.2 大理石绳锯串珠配方设计

大理石的硬度要比花岗岩低很多,组成岩石的各相粒度很小且硬度相差不大。金刚石在对大理石进行磨削时受到的载荷与磨削花岗岩相比更加稳定。岩石粉末对金属胎体进行磨削,金属胎体磨损得很慢。根据上述分析,在设计大理石绳锯串珠配方时,金刚石的品级和浓度都要偏低,金刚石的粒度按粗、中、细的比例要合理搭配。大理石的硬度比花岗岩小得多,金刚石切大理石的磨损速度会比切花岗岩小。如果金刚石的品级高,当金刚石的刃角被磨平后很难再出刃,就会导致切割效率下降。金属胎体的硬度要与大理石的硬度相匹配,因此金属胎体的硬度要偏低,保证金刚石的出刃速度。金属胎体的抗弯强度要高,避免金刚石的过早脱落,从而影响串珠的寿命。

3.3 铸钢绳锯串珠配方设计

铸钢的硬度比花岗岩低很多,与大理石的硬度和晶粒大小比较接近。同花岗岩绳锯串珠配方设计思路相比,铸钢绳锯串珠的配方设计思路应与大理石绳锯串珠的配方设计思路更为相近。由于铸钢具有一定的韧性,而花岗岩和大理石均表现为脆性,因此在设计其绳锯串珠的配方时应充分考虑这一因素。金刚石绳锯在切割铸钢时,金刚石在铁的作用下容易碳化,金刚石的磨损速度很快。综合以上分析,在设计铸钢绳锯串珠配方时,金刚石的品级要偏低,而浓度要偏高。在动载荷的作用下,低品级的金刚石容易破碎,破碎后金刚石能够自锐。在动载荷的作用下,较高品级的金刚石不容易破碎,金刚石钝化后,出刃变得困难。金属胎体的硬度要与铸钢的硬度相匹配,保证金刚石的出刃速度。

4 结束语

从理论上说,每种加工对象的物理性能是不相同的,因此针对每一种加工对象均应开发与之相匹配的绳锯串珠配方,以保证绳锯最优的性能。然而,在实际生产中,显然无法满足这一要求,只能依据加工对象的物理性能对其进行较宽区间的分级,开发满足客户要求的绳锯产品。这就要求对串珠配方设计具有更为全面和深刻的认识,要做到这一点还有很长的路要走。

[1] 方啸虎,邓福铭,郑日升.现代超硬材料与制品[M].杭州:浙江大学出版社,2011.4.

[2] 常永坤,张胜来.金属材料与热处理[M].济南:山东科学技术出版社,2006.10.

Wire Saw Beads Design for Different Processing Target

FENG Yue,LUO Ying,YANG Li-qing
(China Nonferrous metal(guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin,Guangxi 541004,China)

Wire saw beads formula design solution for granite,marble and cast steel has been proposed through the analysis and comparison of the chemical component,physical properties and microstructure of these three types of processing targets.

The processing target;wire saw;beads;formula design

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0021-04

2015-05-26

冯跃(1958-),男,高级工程师,主要从事超硬材料研发和管理方面工作。

冯跃,骆颖,杨理清.面向不同加工对象的绳锯串珠配方设计[J].超硬材料工程,2015,27(4):21-24.