杨 栋，陈治强，王晓东，武玺旺

(1.湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082;2.河南黄河旋风股份有限公司，河南 长葛 461500)

花岗石板材典雅华贵，色泽美观，坚固耐用，广泛应用于建筑、机械行业中。但花岗石结构致密，材质坚硬耐磨，难于加工，其加工成本占其总成本的绝大部分[1,2]。在其加工过程中，提高金刚石锯片的锯切效率即锋利度，是降低加工成本最为关键的方法。

为提高锯片的锋利度，需要适度弱化胎体，即适当降低胎体的耐磨性，确保切割过程中下层金刚石可以借助胎体的磨损而及时出刃，代替上层已经破损、磨光、脱落的金刚石及时参与切割，从而保证切割效率与稳定性。胎体弱化并非一味地降低胎体的强度，否则会导致其对金刚石的把持力大幅降低，造成金刚石过早脱落。目前，弱化胎体的方法主要有：工艺控制法、添加剂法及粗化晶粒法。最有效的做法是加入适量添加剂，适当降低胎体耐磨性的同时确保胎体耐磨性能够与金刚石的使用寿命相匹配，实现二者同步磨损，保证下层金刚石及时出刃，提高金刚石工具的锋利度[3]。

实验所用添加剂资源丰富，制备简单，价格适中，冷压成形性好，烧结容易。因此，本实验探讨了该添加剂对金刚石工具性能的影响，确定了较优的添加量，以期为工业生产提供借鉴。

1 实验方法及过程

本实验采用Fe基配方，以本公司生产的预合金粉HFY-01为参照，根据添加剂含量的变化，设计如表1的配方，考察该添加剂对Φ112mm锯片性能的影响。

表1 配方组成(wt)

将上述各配方粉末先行混匀，再加入体积浓度12%的金刚石与石蜡继续混匀后，在自动热压烧结机中于830℃烧结制成规格为40mm×8.0mm×3.2mm的标准试验块。采用LFSC型万能材料试验机测试其抗弯强度，HR-150A洛氏硬度计测试其硬度，采用钢研纳克NI300C型金属摆锤冲击试验机测试其冲击韧性。另一部分于黄河田中科美冷压机下100T成形，而后于钟罩炉中热压烧结。利用郑州大华ModelI型自动切割试验机检测该锯片的锋利度及耐磨性。切割对象为山东五莲产花岗石，花岗石板长80cm，厚度为2cm，每块切割20刀，切割总长为16m。切割方式为干式顺切。

2 实验结果及讨论

2.1 添加剂含量对含金刚石胎体抗弯强度及硬度的影响

图1为6种配方含金刚石烧结样块的抗弯强度及硬度值。从图中可以看出，当添加剂添加量从0增至10%时，胎体的抗弯强度逐渐减小，减小值约为200MPa，减小幅度大于25%，胎体的抗弯强度弱化明显。胎体的硬度则不断增大，在6%时达到最大值，此后虽有缓慢下降，但幅度不大。图2为添加剂含量分别为0，4%、10%时含金刚石胎体的断面图，随着添加剂含量的增多，胎体对金刚石的把持力先增大后减小。添加剂为0时，金刚石和胎体之间有裂缝，而且裂缝较大，把持力不够高。添加剂为4%时，金刚石和胎体包镶良好，金刚石周围没有裂缝产生，金刚石本身有轻微刻蚀，表明胎体对金刚石的把持力较好，胎体烧结组织致密均匀。这从图3亦可得到进一步证明。当添加剂为10%时，金刚石周围有裂缝，而且周边有1/2处于断层上，胎体与金刚石结合不牢。

图1 添加剂含量对含金刚石胎体抗弯强度及硬度的影响Fig.1 Effects of additives content on the bending strength and hardness of matrix

图2 胎体对金刚石的包接性Fig.2 Inclusion of matrix to diamond(a)添加剂含量为0 (b) 添加剂含量4% (c) 添加剂含量为10%

图3 添加剂含量为4%时胎体包裹金刚石的断面图Fig.3 Cross-section of matrix-encapsulated diamond with 4% additive content

2.2 添加剂含量对含金刚石胎体冲击韧性的影响

图4为表1中的不同配方原料与金刚石混匀在自动热压烧结机中于830℃烧结制成规格为40mm×8.0mm×3.2mm的标准试验块，采用钢研纳克NI300C型金属摆锤冲击试验机测试其冲击功值。图中可见，随着添加量的增加，该材料韧性逐渐降低，脆性逐渐增大。结合图1，可得该胎体材料硬度与脆性大致相关，即硬度增大，脆性亦即增大。因此，可以得出，该添加剂的加入有利于降低胎体的韧性及耐磨性，一定程度上有利于提高用其制成锯片的锋利度。

图4 添加剂含量对胎体冲击韧性的影响Fig.4 Effects of additives content on the impact toughness of matrix

2.3 添加剂含量对锯片性能的影响

将上述6种配方制作成规格为Φ112mm的金刚石圆锯片。其中金刚石粒度为35/40目，体积浓度为12%，冷压成型压力为100t，采用钟罩炉热压烧结方式，烧结温度为930℃，保温时间为60min。烧结后测得每种锯片的刀头硬度如图5所示。随着添加剂含量的增加，刀头硬度先升高后降低，在4%时达到最大值，之后有所下降，但幅度不是很大。超过8%时，硬度下降的趋势较为明显。这与前述图1中对含金刚石胎体硬度的影响较为类似。

图5 添加剂对锯片刀头硬度的影响Fig.5 Effects of additives content on the hardness of segments

将上述锯片进行切割花岗石试验，实验结果如图6所示。值得一提的是，当添加剂含量在10%时，在切割至第2刀时，锯片就产生大的火花，出现烧片现象，切不动，设备停止运行。再次重新启动设备后锯片可以使用，但伴有火花产生，最后产生大的火花，锯片又出现切不动现象，刀头烧毁严重。结合图1、图2、图3及图4 ，可以认为，伴随着添加剂的增多，胎体的强度及韧性不断降低，对金刚石的把持力下降。在锯片工作时，胎体不足以应对来自外部坚硬花岗石的冲击载荷及研磨，金刚石脱落严重，导致胎体与花岗石直接摩擦，锯片失去切割能力，金刚石锯片锋利度严重下降，出现打火烧片现象[4]。因此图6不再对配方6进行说明。

图6 每种配方的切割平均电流及重量损耗曲线Fig.6 The average cutting current and weight loss curve of each formulation

由图6可见，随着添加剂在配方中含量的增加，其重量损耗有所上升，但总体增加幅度并不甚大，当含量超过8%，其重量损耗明显上升，是不加添加剂的6.8倍，锯片耐磨性明显下降。从电流曲线来看，含量超过8%时，其锋利度并没有明显的提升。当添加剂含量为2%时，锯片的锋利度与没有添加剂时基本一致，但其耐磨性有下降明显，当含量在4%左右时，锯片的锋利度有明显的提升，之后又开始缓慢下降，下降的原因可能是因为随着添加剂的增多，胎体对金刚石的把持力下降，金刚石出刃高度逐渐下降所致。由图1、图6可见，抗弯强度过高、过低时，锯片的锋利度并不是很好。硬度与锯片耐磨性或寿命没有必然联系，胎体硬度高低不是其耐磨性强弱的表征，这和文献[5，6]的实验结果是一致的。当添加剂含量为4%左右时，锯片的锋利度及耐磨性较好。

2.4 添加剂弱化作用机理的探讨

当正常工作的金刚石颗粒被磨损或撞击碎裂之后，其出刃高度将下降,工作面与石材之间的容屑间隙就会随之变小。这时，如果包镶金刚石的胎体不能及时磨损掉，工具的切割能力就会逐渐降低直至失效。为了保证工具保持良好的切割性能，就必须保证胎体能够同时磨损掉相应高度，既保证金刚石的出刃高度基本保持在刚工作磨损时高度，又使得新的金刚石出露，凸出过度的金刚石颗粒正常脱落，可见，金刚石工具胎体性能弱化的机制必须依靠适当降低胎体的耐磨损性能才能获得。

五莲红花岗石石英含量高，金刚石的宏观破碎率较高，完整晶形少，磨损较快。因此，需要通过添加剂适当弱化胎体，加速金刚石的脱落出刃，才能不断提高金刚石锯片的锋利度，提高花岗石的加工效率。

从上图6可得，适量添加剂的加入之所以可以提高工具的锋利度，其主要原因在弱化胎体，降低胎体的抗弯强度、韧性及耐磨性，使得胎体与金刚石磨损相匹配。当添加量少时，金刚石出露不高，且胎体的磨损过慢，导致金刚石过度服役，被宏观破碎进而磨圆而失去切割能力，下层的金刚石又不能及时出刃，锯片的锋利度就不足。当添加适量时，胎体对金刚石把持较好，且胎体韧脆性适中，金刚石出刃、工作、脱落彼此匹配良好，切割效率及连续性优良。但当继续增加添加量时，胎体的抗弯强度、韧性又会不断下降，对金刚石的把持力较差，切割石材时，金刚石脱落严重，打火、烧片、甚至出现切不动现象，胎体耐磨损性太差，金刚石可能没有工作就已脱落，工具的锋利度太差。

3 结论

(1)Fe基结合剂中加入添加剂可以弱化胎体，即降低胎体的抗弯强度、韧性、耐磨性，同时增加了胎体的硬度及锋利度。该添加剂的添加量在3%～5%之间为宜。

(2) 抗弯强度太高，不利于锯片锋利度的提高，太低则对金刚石的把持力不足，底限应能保证锯片工作时绝对安全。参照加工对象，胎体适宜的抗弯强度、硬度、韧脆性、耐磨性是胎体设计优劣的关键。

(3) 硬度与锯片的锋利度及耐磨性并无必然联系。