热压烧结锯片的制造.ppt
三、热压烧结锯片的制造 热压烧结是粉末冶金生产的一种特殊方式，由于加压、加温同时进行，促进了粉末之间的烧结及致密化，是一种活化的烧结方式。其特点是烧结温度低、升温速度快、保温时间短、产品质量好，尤其是对于保护金刚石有极大的优越性。因而在制造产品质量要求更高的3502200mm大锯片时，获得了广泛的应用。热压法生产金刚石锯片的工艺流程如图5-17所示。其基本程序是混料、热压烧结、磨弧、焊接和开刃等。,(一)混配料工艺及装备,锯片的配混料是用一定容量的混料罐，在专用混料机上进行，混料罐的尺寸一般为130150215mm。根据物料的抛落原理，要求混料机转动速度要合适，当转速太低时，金刚石和金属粉末沿容器筒壁上升至自然坡度角，然后滚落、混料不够充分。当转速太高时，金刚石和混合料会紧靠容器壁与筒一起转动。混料既不够充分也不会均匀。只有选用适宜的转速才能够保证金刚石与混合粉的充分混合。,图5-18所示为球磨混料筒转动时球体与粉末的几种情况。当球磨机的载荷不大和转速偏低时，球料只能发生滑动(图5-18a)，混合作用不明显；而在载荷较大和转速偏低时，发生滚动研磨(图5-18b)，球料随筒壁一起上升并沿倾斜表面滚落，有一定的混料作用。当转速提高到一定程度时球料随筒壁一起上升到一定高度，然后落下(图5-18c)，在这种情况下，由于物料本身的抛落、搅拌，混合效果最佳。当转动速度升高到临界转速时球料受离心力的作用，一直紧贴在筒壁上不能跌落(图5-18d)，此时粉末得不到混合。粉料的滚动和自由抛落是最有效的混合方式圆筒的转速一般确定为：0.60.75n临界。混料时间一般为24-48h，有时为了强化混料效果，还要加上一定数量的不锈钢球(810mm)，球与料的重量比为1：1。混料一般采用三辊式棒磨机。,(二)热压烧结工艺,对于焊接式大锯片来说，实际上热压的只是锯片的刀头，刀头尺寸按JB 3297-83标准要求，锯片形状如图5-19所示。热压模具采用高强石墨经机加工而成，要求石墨的常温抗压强度不低于29.4MPa(300kgf/cm2)，石墨的导热性好，其导热系数比一般非金属大100倍，比碳素钢大2倍，热压时整个模具传热均匀。石墨的线膨胀系数极小，在9001000时仅为5.410-6，模具在经受高温后冷却而不断裂、可重复使用多次。金属结合剂的膨胀系数比石墨大，冷却后易于脱模，也不易损坏模具。此外，在热压温度下石墨会产生CO相CO2气体，有隔氧和保护粘结剂及金刚石的作用。锯片刀头组装及热压模具组合分别见图5-20和图5-21。,热压法的加热方式有两种，一种是电阻加热，一种是中频感应加热。(1)电阻加热 其热压机如图5-22所示，电阻加热是利用石墨模具作为电阻元件，将低电压大电流通往石墨模具两端，在加热的同时加压，加热功率为 WI2RI2L/A 式中 I-为电流强度，A；-为石墨模电阻率，cm2；L-为石墨模具两端间距离，cm；A-为石墨模横断面积，cm2。当石墨的电阻率比较高时较为有利，模具上、下压头的石墨强度要高，导热系数要低。,(2)中频感应加热 其原理是，当中频电流通过用冷却水冷却的感应圈时，在交变电流的作用下，在石墨模具中产生涡流发热，其加热速度很快，但因有集肤效应，模具中间部分的粉末靠热传导加热，因而温度滞后，其加热功率越大，则温度滞后越多。两种加热方式，表测温度与胎体部位实际温度的比较如图5-23所示。由图5-23可见，中频加热的表测温度高于胎体部位的实际温度，而电阻加热则相反。在使用热电偶和远红外线进行测温时，必须考虑到这些情况。,(三)焊接工艺及设备,金刚石锯片刀头与基体的焊接采用高频钎焊。钢基体与结合剂中的部分材料为磁性材料，钎焊处的加热是依靠感磁材料在感应圈的高频交变磁场中产生的感应电流的电阻热来实现的，在感应圈的交变磁场中导体所产生的感应电流强度由下式确定：A(5-9)式中：B-最大磁感应强度，T;S-焊件受磁场作用的截面积，cm2;f-交变电流频率，Hz;-感应圈的匝数；Z-焊件的全部阻抗，,由式(5-9)可见导体内的感应电流与交变电流的频率成正比，即当电流的频率提高时，感应电流的强度增大，焊件的加热速度变快，但频率愈高，集肤效应愈显著!高频钎焊锯齿刀头的电流频率一般为200700kHz。锯齿高频焊接机一般选用天津高频设备厂生产的GP30和GP10型高频焊机、其附件包括焊接支架和感应圈。焊接支架的作用是调整不同规格锯片的位置，以便焊接操作；感应圈是加热和焊接的作业点。锯片刀头的高频焊接如图5-24所示。焊接温度一般为650800，该温度在金刚石的热稳定范围，对刀头胎体的性能没有影响。由于焊接时间短(仅数十秒钟)、所以对钢基体的组织和性能影响也不大。焊接的抗剪切强度应大于300MPa。,焊片选用厚度为0.2mm的铜-银-锌焊片，其成分为：34Cu十50Ag十16Zn，熔点约670。焊剂选用101或102钎焊剂，这种焊料适于低温焊接铜及铜合金、钢及不锈钢等，具有良好的流动性和填隙能力。焊接时间随着锯齿厚度的增加而延长。焊接好的锯片应按JB3297-83的尺寸标准进行检测。(四)修整与开刃 锯片焊接好后需要对锯齿和焊接钢体进行修磨，将锯齿间的轴向偏差修磨到最小，以使锯片工作平稳。然后修磨锯齿两侧，使金刚石出露，使新锯片一开始就具备良好的切割性能。,第三节 热压锯片的胎体材料,关于锯片胎体问题，在第二节(冷压烧结锯片)中已经做了某些介绍，而对于热压锯片，由于其直径大、厚度大、工作条件恶劣，因此，对其胎体的要求更高，更严。一、设计原则 人造金刚石锯片是将含有金刚石颗粒的胎体孕镶块(锯片刀头)焊接在钢基体的外圆周边上，而制成的一种石材切割工具。包镶金刚石的材料为胎体材料。通常我们把锯片中胎体材料的性能、金刚石的质量和钢基体的刚度称为保证锯片质量的三要素。,切割石材用的金刚石质量，按GB6406.3-86规定，选挥MBD6以上品级,切割花岗岩时应选择MBD8或SMD25以上品级。钢基体的选择按机械部标准JB3297-83进行，钢基体的刚度对于保证据片的正常工作也具有极为重要的作用，当钢基体和金刚石的品级选定之后，决定锯片性能的因素就是胎体材料了。胎体材料、加工对象以及金刚石之间有一定的制约关系，既要求胎体材料的性能要与所加工的石材相适应，又要求胎体材料能够牢固地粘结住金刚石，并保证其正常工作。因此，胎体材料的设计应该包括合适的硬度、足够的强度和高的耐磨性，以及对于金刚石良好的粘结性能。,胎体材料对于金刚石的粘结性能以及与此密切相关的对于金刚石的把持力是最关键的问题之一。如果胎体对金刚石的把持力足够高那么，一方面可以提高金刚石的利用率；另一方面，在锯片的切割过程中，金刚石的出刃高度就可以很高(如图5-25所示，出刃高度h2可以达到金刚石颗粒高度的2/53/5）,因此，切割效率就会很高，金刚石的出刃高度h2，是表征胎体材料对于金刚石的包镶性能以及金刚石工具的切割性能的一个重要物理量。显然，提高金刚石的出刃高度，有利于提高金刚石破碎、切削岩石的能力。如果胎体对金刚石的把持力不够、金刚石将会迅速脱落，金刚石的利用率以及工具的寿命就会大大下降。,金刚石锯片切割效率与切割寿命的协调统一还依赖于胎体耐磨性与金刚石磨损速率的一致。理想的胎体不仅仅是能够牢固地把持住金刚石，而且胎体的的磨损与金刚石的磨损必须相匹配，也就是说，能够使金刚石以合理地速度不断地脱落和出露，以接力”的形式连续不断地工作。若胎体耐磨性过高，在金刚石旧的切削刃磨损之后,新的切削刃不能够很好地出露，就会发生锯片表面钝化、出现所谓“打滑”现象，使锯片丧失切割作用。,合理的胎体配方是经过反复试验得到的，需要考虑多种因素，其中最主要的有三条：(1)实用性。能够制造出具有使用价值的工具，这包括既具有一般金刚石工具的通用性，又具有在某些特殊情况下使用的专用性。(2)安全性。锯片是高速运转的切割工具，必须安全可靠，保证操作人员的人身安全，因此，胎体必须具有足够的强度和韧性，防止冲击时碎裂。(3)经济性。在满足使用要求的前提下，要选择价格低廉、容易得到的原材料，以最大限度地降低成本。,二、胎体配方,与普通冷压烧结锯片不同，由于采用的是热压烧结工艺，在胎体中可以添加各种类型的粉末，以改善所需要的强度、韧性、耐磨性以及对金刚石的包镶性能。热压金刚石锯片胎体主要由粘结金属、硬质耐磨材料和用以调整胎体性能的添加剂组成。粘结金属包括铜、钴、镍、铁、青铜、黄铜等；硬质耐磨材料包括宏晶WC、渗碳WC、共晶WC、铸造WC、脱碳W、复式碳化物WC-TiC等；添加剂包括铁铬合金、镍铬合金、锡、铝、锌、硅锰合金、钼、碳化钼、碳化铬、硅、锰、硼、铬、银、钛和碳等。,最近的研究表明，一种新型的添加剂Ti(CN)、在金刚石工具的制造中取得了较好的效果这种Ti(CN)作为硬质材料其硬度比TiC稍低，比WC高。而且这种材料中有缺位、点阵缺陷大，易于烧结，还具有细化晶粒的作用。与使用WC或TiC相比，其胎体具有更高的强度、韧性和耐磨性，对于改善金刚石的粘结性能也有较好的作用。,(一)粘结材料 胎体粘结材料目前主要有五类：(1)钴基胎体。主要成分为钴和WC,含有少量镍，硬度范 围为HRB85HRC68。(2)钨基胎体 主要成分为钨和共晶碳化钨(WC/W2C)。含少量钢基粘结金属，硬度为HRC1436；(3)铁基胎体。主要成分为纯铁或铁合合金，部分共晶 WCW2C和铜基粘接剂硬度为HRC3264;(4)镍基胎体。主要成分为镍或镍基合金，部分WC/W2C 和钴，少量其他粘结合属，硬度为HRC2064。(5)铜合金基胎体。主要成分为青铜或者为黄铜，白铜、部分为钴、镍、少量锰、WC等该结合剂较软，硬 度为HRB3787。,(二）硬质耐磨材料,硬质耐磨材料主要有以下五种：(1)宏晶wc。由热熔方法生产，碳化程度高，理论碳含量为6.13%，致密度高、耐磨性好、粒度范围广(60目微粉)。(2)渗碳WC。采用在高温下金属钨粉与碳进行固体渗碳的方法生产，由具有亚结构的软质等轴多晶组成质软易于成型，其耐磨性低于宏晶wc，特别适于高金刚石浓度的热压工具。(3)共晶碳化钨WC/W2C。由真空熔炼法生产，颗粒近似球形，具有良好的流动性、充填性和热稳定性。(4)脱碳钨粉。在真空下由wc脱碳制得，平均粒度为265m，为致密的榴状晶粒,孔隙率极低，具有良好的润湿性和与金刚石的反应活性，易与金刚石反应粘结。(5)还原W粉。由氢还原氧化钨方法生产，粉末致密，纯度高。脱碳钨粉和还原钨粉均适用于在热压烧结金刚石工具胎体中作为耐磨性成分，或作为胎体中的硬质点。,(三)胎体材料,热压金刚石锯片胎体材料主要有五大类，因其各类材料的性能、特点不同，而适用于不同的加工对象。1.钴基胎体 由于钴的磨损特性与胎体材料在石材切割中的磨损特征十分吻合，因此，钴基胎体材料在国外锯片生产中被大量采用，广泛应用于切割大理石和花岗岩等。钴的含量从70到100，使用效果相当好。在我国的石材行业开始起步阶段，借鉴国外的经验，广泛采用了钴基胎体。,据奈迪希(Naidich)报导，在所有的金属中钴与碳是相容性最好的金属之一，与碳的接触角=500700。芒森(Munson)根据奈迪希的数据计算出钴能够完好地浸润金刚石和石墨，钴与金刚石的粘结功为2700尔格/cm2，是铜的(210尔格/cm2)的10多倍。钴在高温烧结时基本上不与金刚石发生化学反应，对金刚石的表面侵蚀性很小。研究资料表明；纯钴在热压烧结时，随热压温度的升高，胎体密度上升，到900时可基本上达到完全致密化，其胎体密度约为8.51g/cm3，抗弯强度达1279MPa；在胎体中添加35浓度的40/50目金刚石，经90021.6MPa4min热压后，含金刚石胎体的强度为1212MPa，与纯胎体的抗弯强度几乎相等，说明钴 基胎体对金刚石有良好的粘结作用，其内界面没有成为胎体的弱化因素。实际应用结果也充分证明了纯钴胎体在切割石材方面的优异性能。,但由于钴是战略物资，资源缺乏，价格昂贵，为大生产中难以承受。因此，在钴基胎体中加入铜、铁和镍等金属，降低钴的用量，而基本保持胎体的优异性能已成为胎体材料专家们研究的热点。钴的含量从100逐渐下降到60、50甚至20。这样，钴基胎体实际上已大部分转变为铁基、镍基或铜基胎体，到目前为止，钴基胎体的应用正日益减少。但这并不是性能问题，而是经济性问题。,2铁基胎体 出于经济原因，在元素周期表中与钴处于同一周期且位置相邻的铁基胎体便应运而生。因为铁、钴二者价格相差悬殊，钴粉价格1995年上半年为700元/kg。而铁粉价格则不足20元kg。这是专家们致力研制、推广铁基胎体的主要原因。铁基胎体由于出现较晚，也不太成熟。与钴基胎体相比，一是耐磨性稍差；二是对金刚石有一定侵蚀，于是切割效率较低。针对这些问题，专家们进行了专门研究，已有突破性进展。由于在元素周期表中铁与钴的位置相邻，且在同一周期，它们的化学性质颇为相近，故在化学上铁、钴和镍一起同称为铁系元素。表5-8给出了铁和钴两元素的一些物理力学性能。,就力学性能而言，铁、钴各有优劣，二者弹性模量相近、铁的抗拉强度比钴稍高，铁的塑性比钴好，而钴的硬度比铁高，铁、钴的熔点相差无几。根据粉末冶金原理，金属粉木的烧结温度为其熔点温度的0.70.8，所以在其他条件相同的情况下铁与钴对热压烧结温度的要求应无较大差别。铁和钴对金刚石或石墨的表面能和粘结功能见表5-9。由表5-9可知，在15500 c时，铁与金刚石之间的表面能比钴与金刚石之间的表面能低，因而铁与金刚石之间的粘合功比钴与金刚石之间的粘合功还要高。由理论分析看来，采用合适的铁基结合剂的锯片应能得到类似的或更优的锯切性能。,有关试验还对比了铁和钴的耐磨性以及铁和钴在高温状态下对于金刚石的侵蚀情况。试验结果证明，实际上，铁基胎体对于金刚石的侵蚀性比铬基胎体还低。其试验条件为：不同的温度(8001000)，不同的时间(1030min)；SDA100金刚石粒度为40/50目；胎体为80%Fe+20青铜、75WC25Co和纯Co。烧结后，测量金刚石的失重和强度的损失情况，所得结论为钴结合剂所造成的金刚石失重和强度损失最大，碳化钨钴次之，而铁/青铜最小。在700900热压烧结24min的工艺条件下，在铁基胎体中的金刚石失重仅为0.2%0.3%，由此可以断定，在特走的条件下，铁基结合剂对于金刚石表面的侵蚀是轻微的，对于金刚石工具的使用性能影响不大。,泉州华侨大学、冶金部燕郊金刚石工业公司等许多单位都已先后研制和生产出了性能优异的铁基胎体锯片通常是以5070的还原或雾化铁粉为基，添加1020%钴，10%20%663青铜，以及少量的锰、铬和镍、很有实用性。,3.镍基胎体,尽管镍基胎体的某些切削性能不如钴基胎体，在经济效益下不如铁基始体，但镍基胎体作为钴基胎体和铁基胎体的补充，由于其对于金刚石具有较强的附着力，又具有比铁基胎体更强的抗冲击性能，一定的粘滞性，使其成为加工特殊材质，例如钢筋混凝土等的锯片胎体材料。近几年，随着锯片技术的提高，镍基胎体的应用得到扩大，这是由于金刚石孕镶工具的所谓适应性决定的，钴基胎体的优异性能使其适应性具有广普的特征，但对付某些特殊的材料其性能就不如恰好“对症下药”的镍基胎体。金刚石切割工具的这种持性可以归结为：在有些情况下，适应面广的材料不见得优于适应面窄的材料。,镍基胎体的主要成分为镍或者镍合金，通常要加入少量的钴、WC或铜及铜合金。以便调节其综合力学性能及其对金刚石的粘结性能和对加工对象的适应性能。例如，在镍中加入铜、锌在热压时可形成Ni-Cu或Ni-Cu-Zn固溶体，使材料具有较好的力学性能。典型的镍基胎体成分为66Ni+21Cn+4Mn+5WC十4Zn。到目前为止，对镍基胎体所进行的专门研究还很少，根据多年制造金刚石锯片的生产实践和现场使用试验认为：由于镍既可作为粘结剂，又可作为骨架相，几乎能够与所有的低熔点金属互相浸润与粘结，特别是在与铜、锌互扩散合金化以后能够形成性能优异的“德银”白铜合金，这是目前粘结金属中效果较好的一类。因此，可以预计，镍基胎体的应用领域将会不断拓展，特别是在干式或湿式切割片的生产应用中，将会取得更好的效果。,4.钨基胎体,对于国内大部分金刚石工具制造厂来说，钨基胎体的概念都比较生疏，因为对于用于制造钨基胎体锯片的钨粉有着特殊的要求，因而国内生产应用较少。从理论上讲，钨是强度、硬度最高的金属之一，杨氏模量为648MPa，密度为19.3g/m3，熔点为3410，是较好的胎体骨架材料之一。由于生产方法不同，在型号众多的钨和wc粉中，只有一小部分适宜用做金刚石工具。一般的wc粉是采用固态扩散方法使钨增碳而形成的，钨粉则是用H2还原氧化钨或仲钨酸铵制得的，其形状不规则，流动性和填充性均差。某公司的专利产品-脱碳钨粉，由于是在高温下从结晶wc晶粒中将碳脱出生产的，从而形成了致密的、内孔隙很少的球状纯钨晶粒，因此它比普通钨粉具有更多的优点，非常适宜制做金刚石工具。,加拿大学者斯托克韦尔(B.H.stodswell)认为，钨是金刚石工具制造中最适宜的材料，作为一种渗碳金属，当钨与金刚石界面接触时，可以从金刚石表面吸引许多碳原子，在温度不高时即可在金刚石表面与钨表面中间形成一层极薄的wc粘结层，意味着w十c-wC反应的发生。由于钨的熔点很高在界面上形成这种碳化物粘结层，能够保护金刚石使其表面不受损伤(这种损伤在采用铁、钴或镍时是经常碰到的)，并且钨的耐磨性极好，还能够与经常作为金刚石工具粘结剂的铁、镍或钴以及铜合金形成良好的粘结。这就是说，钨和wc能够与金刚石粘结，粘结金属(如铁、钴和镍)能够与钨和wc粘结，从而使钨、金刚石和粘结金属三部分粘结为一体。,5.铜基胎体,迄今为止，不论是作为胎体骨架相，还是作为胎体粘结相，铜及铜基合金都是金刚石工具胎体材料中研究和应用最多的。事实上以上所讲的钴基、镍基、铁基和钨基胎体材料，有相当一部分都是以铜或铜合金作为粘结剂的，而且铜及铜基合金所占的比例都很高(一般都在30%40)。因此，应该将含有40以上铜或铜基合金的胎体统称为铜基胎体。就是说，铜基胎体包括各种以铜及铜基合金作为胎体主要成分的胎体，而不管它在胎体中是作为骨架相，还是作为粘结相。,铜在元素周期表中位于第三周期的副族，原子序号为29，密度为8.9gcm3，熔点为1083，对金刚石不浸润，粘附功仅为210尔格/cm2，具有良好的成形性和适宜的烧结温度，由于铜的熔点为1083，当使用铜作为骨架相时，T烧=0.70.8T熔点，在700900 进行热压烧结或无压烧结时，均可获得满意的性能。而使用铜作为粘结相时，所使用的是铜合金或铜加锡等低熔点金属的混合料，其出现液相的温度下降到900左右：业已证明，当加入纯金属时，胎体材料的烧结性能和对于金刚石的粘结性能都比较差；而加入合金，则是提高胎体材料强度、降低其熔点、改善其对于金刚石的粘结性能的重要途径。,铜合金的种类比较多，按组元分有：二元系铜合金和多元系铜合金。二元系铜合金主要有Cu-Ni、Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-Mn和Cn-Ga合金。Cu-Sn合金的熔点，随锡含量的增加而降低，同时强度和塑性也提高，当含15Sn时，强度达到最大值,而在12Sn时,塑性达到最大值。,Cu-Ni合金两组之间无限互溶，其共熔点随镍含量的增加而提高，合金的硬度和强度有所增加，如图5-26所示。,Cu-Mn之间可以形成低熔点的共晶合金该合金的熔点随锰含量的增加而降低、在共晶成分时其熔点最低，只有850。这种合金在工业应用中只作为中间合金使用，其性质强韧。其组分与性能的关系如图5-27所示。,Cu-Zn合金相图如图5-28所示。由图5-28可以看出，合金中随着含铜量的不同，冷却时经过几个包晶反应，出现一系列固溶体，合金的抗拉强度随含锌量的增加而提高，当达到相和相的量相等时，抗拉强度达到最大值。随着相量的增加，其塑性下降，当出现相时变为脆性。硬度随含锌量的增加而提高，当含锌量为60时达到最大值。,多元合金可选择范围更大，通常选用的有Cu-Ni-Zn、Cu-Ni-Mn、Cu-Sn-Zn-Pb合金等。Cu-Ni-Zn合金为锌白铜合金，其熔点为1040-l080，具有较高的强度和硬度，适宜用做浸渍金刚石工具。Cu-Ni-Mn合金又称为锰白铜，具有良好的力学性能和加工性能。如BMn3-12,其成分为23.5Ni，1113Mn，熔点为1010960、HB=120，即850MPa，工艺性能及力学性能均很优异，胎体具有良好的韧性。根据Cu-Ni-Mn三元合金的液相等温线图(图5-29)，将熔点低于1100 的一些合金的成分和物理性能列于表5-10，由表5-10可以看出，某些成分的Cu-Ni-Mn合金具有良好的力学性能和低的熔点。,研究发现，在从30Mn直到锰顶角的三角形区的合金，在作为金刚石工具胎体的粘结金属时，胎体容易粘石墨，且锰含量越高粘结越厉害，靠近镍顶角的三角形区的合金越接近顶角则熔点越高，因此，可以将Cu-Ni-Mn浓度三角形划分为几个成分区域，即脆性区、粘石墨区、高熔点区和优良的胎体粘结合金区(图5-30)，性能最好的成分区是2030Mn，1020Ni，其余为Cu。在这个区域内的合金熔点低、硬度和强度高、没有脆性相产生。,目前国内广泛采用ZQSn 663青铜作为粘结金属，其力学性能比较低(b=150200MPa，=810，硬度为HB60)，所粘结胎体的硬度也比较低，但通过添加镍、锰、钴和wc等成分，也可以获得性能优异的胎体。特别是可以获得适宜于不同加工对象的胎体性能，因此其应用范围逐步扩大。为了解决铜合金对于金刚石的粘结性能比较差的问题，已经进行过许多研究，如在铜合金胎体中添加碳化物形成元素铬、钛和钼等。,根据式57所示的内界面吸附理论，在胎体烧结过程中，碳化物形成元素可以在金刚石与胎体界面富集并发生反应生成相应的碳化物，从而改善了胎体对于金刚石的浸润性和粘结性，这样就弥补了普通铜合金对于金刚石粘结性能差的问题。新研制的含碳化物形成元素的预合金粉，如Cu-Sn-Ti、Cu-Ga-Cr等也同时获得了应用，金刚石锯片用金刚石及胎体类型的选择见表5-11。,第四节 固相接触形成碳化物的热力学条件分析 试验结果证明，在固相接触条件下形成碳化物的热力学条件并不苛刻。在热压烧结时，扩散可以加速胎体合金中的元素与金刚石生成碳化物的反应，此外热塑性流变所产生的空位流动和通电烧结时的电场作用也是重要的影响因素。众所周知，影响铁、钨、铬和钴形成碳化物的主要因素是烧结气氛。真空烧结和合适的真空度可以保证铁、钴、锰、钨、铬和铁生成碳化物的热力学条件。但在非真空条件下的烧结过程中，金刚石和金属形成碳化物的热力学条件就比较复杂，因为当在非真空条件下进行烧结时，有一部分金属会发生氧化反应，其反应通式为：M+O2MO2 式中：M一金属原子，其化合价为十4。,为了减少胎体中金属的氧化反应，必须采取措施控制胎体粉末中的氧含量，一是要对金属粉末进行充分还原，二是要做好新还原粉末的保护工作。即使如此，要完全避免胎体金属的氧化也是做不到的，因为金属本身总会吸附一定量的气体或者已经生成部分氧化膜。因此，必须探求其他措施，例如，在胎体成分中添加某些活泼金属元素(如稀土元素、碱金属和碱土金属等)，使形成这些金属的氧化物，这一方面可以直接降低自由氧的含量，另一方面可以通过置换反应将已经氧化的金属置换出来。而所添加的这类元素的氧化物细小、弥散、对胎体并没有不良影响，甚至还有可能提高胎体的性能。从而能够保证钛、铬、钨、钴等无素能够顺利地与碳反应，形成相应的碳化物。其反应式为：M十CMC(5-11),胎体中的含氧量有时也表现为胎体中的水蒸气含量和在烧结时石墨模具高温氧化所生成的co2含量。水蒸气和co2也可以使金属氧化，其反应式为：M+2H2O=MO+2H2 M+2CO2=MO2+2OC,氧化反应标准生成自由能可以表示为气体的分压：与氧气反应 与水蒸气反应 与CO2的反应式中：R-气体常数，R=8.317J/mol.k T-绝对温度，K PO2、PH2、PH2O、PCO、PCO2为气氛中各气体的分压,在自由能方程式中的气体分压下，金属和氧化物处于相互平衡状态，即金属氧化速度与氧化物分解速度相等。各种氧化物的分解压可根据不同温度下的标准生成自由能计算出来。例如，在胎体中加入纯净铝粉，由于铝极易氧化，生成AI2O3的标准自由能要比生成铬、锰、硅、铁、锌等的金属氧化物的标准自由能低得多。因此，铝会先于胎体中的钛、钴、锰等发生氧化从而使钛等元素保持活泼状态，不致影响其在与金刚石接触时生成TiC的反应，或发生下列反应：4A1十3Ti02十3C2 AI2O3+3TiC(5-17)Ti02可以通过钴与水蒸气的反应以及钛与CO2的反应生成。所以金属粉末要保持干燥、无氧化。即使是在氧气的保护下进行烧结，也要控制好氢气露点。,钨、钼、钴和铁等金属与金刚石发生生成碳化物的反应要比钛容易得多。因为钨、钼、钴、铁即可用H2充分还原 又可以通过溶液中金属盐类的氧化还原反应制得。所以彩用相应的办法使金刚石与钨、钼、钴和铁粉充分接触，经过一定温度和时间就可以生成MC、M6C、M2C(M3C)型碳化物。在1050以下的温度下，钛、铬、钨、钴和铁与金刚石接触生成碳化物的热力学条件并不苛刻，在多数场合下都可以与烧结制品时的热力学条件相吻合。在粉末冶金中，有关金刚石与金属反应生成碳化物机制的论述较少。有人认为，在固相下碳化物的生成是扩散和界面反应共同作用的结果。对互不影响的单个粒子，界面反应是控制其初期线性长大的因素当然，在界面反应的同时也伴随着扩散的进行，而后期的抛物线长大则由扩散来控制。,假定在不出现或微量出现液相的通电热压烧结过程中，塑性流变可以促使空穴运动和位错运动，诱发扩散的快速进行，电场作用也有利于扩散的进行，在通电热压烧结时的扩散方程可以粗略地写成为；(5-18)式中：n-扩散的原子个数；t-烧结时间，s；D1-扩散系数，cm2s；x-原子扩散的距离，cm；E-电场强度，V/cm；-原子在电场作用下(单位时间)的位移，cm/vs,烧结过程中，金刚石颗粒上碳的扩散和胎体中金属原子的扩散包括表面扩散、界面扩散和晶内扩散。因为表面扩散和界面扩散比晶内扩散的自由能低，所以表面扩散和界面扩散进行较快。在研究钴基胎体时曾发现，在含有2Ti的钴基胎体中，含金刚石胎体试样的抗弯强度高于相同成分不含金刚石的胎体试样。对于这一结果可以作如下解释；由于适量镇、铝粉的加入，使铁、铝与金刚石发生界面反应，生成钛、铝复合碳化物，改善了胎体对于金刚石的润湿性，提高了胎体对于金刚石的粘结强度；另一方面，由于界面反应的发生，为原子迁移提供了动力，加速了扩散过程，有利于舱体合金成分的均匀化、合金化，使胎体的力学性能提高。,第五节 金刚石锯片用金刚石的选择原则,金刚石的高硬度和耐磨性，使其具备了加工任何石材的能力。但由于合成工艺等的差别，金刚石的品级(质量)水平相差很大，将品级优、强度高的金刚石用于强研磨性材料的切割，可以保证金刚石是以切削磨损为主的形式实现正常消耗，若金刚石的强度低，则冲击磨损大，锯齿出刃少或钝化，锯片切割效率低，阻力大，甚至失去切割能力。但强度太高的金刚石在切割弱研磨性材料时，金刚石不易碎裂产生新的切削刃，锯齿工作面会变光滑。切割低研磨性材料可选择低强度金刚石，低研磨性材料对金刚石的冲击磨损较少，仍然是以切割磨损为主的正常消耗。,金刚石的粒度对于锯片的切割效率、使用寿命和被切割表面的光治度具有重要影响。粒度越粗、金刚石出刃越高、工作表面的容屑空间就越大，单位时间内的切割量和排屑量就越多，因此切割效率就越高。但粒度越粗，使用寿命却越短，这是因为粒度越粗在浓度相同的情况下，金刚石的颗粒数目就越少，在两相邻的粒度号之间，粗粒度号与相邻的细粒度号相比，其单位体积内的颗粒数目要少4060，锯齿工作面的金刚石单位颗粒所受的冲击力和压力就会增大4060%。另外是由于，粗粒度金刚石的出刃比较高，因此所受到的切割扭矩也就比较大。相反粒度越细，锯片的切割效率越低，但使用寿命提高。另外，使用细粒金刚石，由于其出刃高度比较低，出刃数量比较多，因此对加工表面的粗糙度比较低。金刚石粒度与切割效率和使用寿命的关系如图5-31所示。,为了获得比较好的切割效果，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。从而使在锯片的切割效率下降不大的条件厂，使寿命有一定的提高。,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。在一定的范围内，随着金刚石浓度的增加，锯片使用寿命相应延长，但锯片成本相应提高。因此，必须根据所切石材的具体情况来确定金刚石的浓度。若金刚石的浓度过高，则在节块单位体积内金刚石的颗粒数就过多，从而使参加切削的单颗粒金刚石对于石材的切削力减小，当其低于石材的抗压强度时则就不能产生切削作用。反之，若金刚石的浓度过低，则单颗粒金刚石所承受的压力就会过大，当达到或超过金刚石的抗压强度时，则就会把金刚石压碎，并产生破碎连锁反应。若用代表被加工石材的抗压强度，N为参与切割石材的金刚石的颗粒数，P表示金刚石所承受的总压力，代表单颗粒金刚石的抗压强度，则要保证锯切工作的正常进行，必须满足下式的关系。根据N的大小可以推断出金刚石的浓度范围。当金刚石的浓度比较低时应采用粒度比较组的金刚石。从自锐性的角度出发，采用混合粒度的金刚石比采用单一粒度的金刚石要好。图5-32是切割花岗岩时，金刚石浓度对锯片寿命的影响。,第六节 金刚石锯片性能测试,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等。随着锯片制造技术的不断完善和发展，对于锯片的性能进行定量评定，对于指导金刚石锯片的生产和应用具有重要意义。但是，到目前止，用某一项性能指标来评定锯片优劣的方法都带有一定的局限性，本节将详细论述不同测试方法在生产、科研中的应用情况、存在问题和发展方向。,一、胎体物理和力学性能测试 锯片胎体材料的硬度，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，则耐磨性越强，脆性越大，越适宜切割软质石材，反之亦然。由于硬度值可直接用布洛维硬度计测量，方法简单、操作方便，在生产检测中被广泛应用。但该法不能测量含金刚石胎体的硬度，也不能直接反映耐磨性的高低。胎体的抗弯强度，一般要求不能低干600MPa，采用标准试样(尺寸为5530mm)，使用三点弯曲法(图5-33)进行测量，按下列公式进行计算：MPa 式中 P-破坏载荷，N b和h-分别为试样的宽和高，mm L-支点间距，mm,胎体的耐磨性是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。胎体耐磨性的测定方法很多，最简单可行的方法是销盘磨损实验法，如图5-34所示。该法是选用一定粒度的刚玉砂布为磨粒放在转盘上，转盘转速为160r/min在载荷P的作用下，试样以每转4mm的速度自a向b前进，然后自b向a退回。Lab=90mm，要求每个试样的横截面积相同，所用砂布也必须相同，将每个试祥磨损后的失重作为材料的耐磨性或抗磨损性能的标志，显然，其失重量M越小，则耐磨性越好。,二、胎体对于金刚石的浸润性基粘结性测试,为了评定所选用胎体材料对于金刚石的粘结程度，必须测定其对金刚石的粘结力。最直接简便的方法是测量在相同的工艺条件下，添加金刚石前后胎体材料的抗弯强度，这是一种间接的方法，尚缺乏准确的判据，根据添加金刚石以后胎体材料抗弯强度的下降幅度，可以间接地、定性地推断胎体材料对于金刚石的粘结情况。直接测定胎体材料与金刚石粘结强度的方法有粘结抗弯试样法（图5-35)、抗压试样法(图5-36)、拉伸试样法(图5-37)和张力环试样法(图5-38)。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的，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。,张力环试样法试验比较复杂，图5-38b为张力环试样上的受力情况分析：对圆环状试样，其上有含有金刚石的胎体小块，试样通过受载锥体和传力环而受力。这样可将试样的受力情况视为厚壁圆环受到均匀分布的压力Pi、其应力为：式中：-切向应力，MPa i-径向应力，MPa ri-圆环试样内径，mm r0-圆环试样外径，mm r-应力点离中心的距离，mm Pi-均匀分布的压力，MPa。,通过受力分析和平衡原理可以求出Pi：式中：P-载荷、N；Mg-压头受载锥体重力，N；-锥体斜面角，(0)；h-圆环试样厚度，mm；f-锥体与传力环之间的摩擦系数，对于钢与钢：f=0.15。,令则胎体包镶金刚石的强度为：式中：K-实验常数。,圆环试样的破坏是由切向应力引起的，当rri时，其值最大，则：,三、金刚石锯片的切割性能测试,以上所述关于胎体力学性能的测试结果和胎体对于金刚石粘结强度的测试结果，距离科学评定锯片使用性能的要求还相差甚远。因为测定锯片切割性能的方法比较复杂，评定胎体适用性能的方法现在基本上还停留在根据用户所提供的使用报告来进行评定的阶段，该方法虽然最准确、方便，但试验周期长、成本高、切削量大。近几年来，国内外有关学者研究了许多快而方便的试验方法和试验装置，对于所选定的石材和胎体进行切割适应性试验，并据此来评定胎体材料及锯片性能的优劣。下面是几种模拟生产条件下的石材切割试验方法。,(一)单刀块锯片模拟试验法 这种方法是，在整个锯片上只采用一个刀块来锯切石材，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，其试验装置如图5-39所示。显然，采用单个刀块锯片，只需压制一个刀头，就可以测定胎体材料的磨削比Q，并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，准确地评定胎体材料和锯片的性能。,单刀块锯片模拟实验的合理性可以通过下列的推导而证明，设：单刀块锯片的走刀速度(即单刀块锯片的石材进给速度)为vs,刀块宽度为b，切割石材的深度为a，单位时间内切除石材的体积为V0 V0=abvs 5-26单化时间内经过切削区域的磨粒数为：5-27 式中：v-锯片速度；-金刚石颗粒平均间距；1/2-单位面积上的磨粒数；D-锯片直径；L-锯片刀块的长度。,每个磨粒切除石材的体积为：5-28对于整个锯片，每个磨粒切除石材的体积为：5-29式中:vs-全刀块锯片走刀速度。比较(5-26)式相(5-28)式，欲模拟全刀块锯片在走刀速度为vs时的磨粒的负载情况，必有q=q,于是就有：5-30忽略水槽部分的间隙，有D/LZ,Z为全刀块锯片的块数于是：5-31,从式(5-31)可见，将单刀块锯片的石材进给速度vs调整到等于整体锯片的石材进给速度vs的1/z,即可模拟整体锯片切割时的负载情况，并设计成可拆卸式，从而使得分析研究更为方便。磨削比Q表示锯片的寿命，vs表示锯片的适应性指标，金刚石出刃的大小表征胎体对于金刚石的粘结性能，所有这些均可以在实验中通过测量得到。5-32式中：M0、Mt-切割前后锯片刀体重量；m0、mt-切割前后的石材的重量。实验证明，单刀块可拆卸式锯片性能测定法，具有快速，准确，实用的特点，是研究锯片胎体材料的重要手段之一。,(二)径向磨损测量法,锯片在切割一定石材后，其径向尺寸的变化值，即可作为锯片磨损量的度量。径向磨损的测量可以彩用以基准面定位点尺寸变化的方式进行，为减少误差，可在一固定刀头上选若干固定点，最后取平均值，如图5-40所示。,其测量方法和步骤是：(1)在刀齿上沿其刀切长度方 向进行四等分，得到M1M5五个点的定位基线。(2)利用定位基准块A固定千分表的底座位置，调整千分表的高度、使其触头的轴线通过锯片中心、转动锯片依次测量M1M5五个点的读数（图5-40a)。(3)在定位基块A与千分表底座间加入精密量块。测量锯片上基准块P的读数（图5-40b)。(4)计算M1M5五个点读数的平均值，并与P表面的读效值进行比较，得出刀块表面距基准P表面的相对尺小。(5)重复上述测量10次，以测量的平均值作为最后的结果。由于锯片直径比较大(从数百毫米至数米)，直接测量其准确度很难保证，采用上述方法可以提高测量的准确性。但该法不够快捷、方便。,
