石材切割用金剛石工具胎體材料的優(yōu)化研究

1、石材切割用金剛石工具胎體材料的優(yōu)化研究(超硬材料與工程)1999年第2期石材切割用金剛石工具胎體材料的優(yōu)化研究.,o2,f;1脯七1)雩?11,下-,f北京有色金屬研究慧院),憶1本文根據(jù)檢測(cè)及評(píng)定不同胎體金剛石工具切割性能的需要,首先自己設(shè)計(jì)并安裝制造了一臺(tái)金剛石鋸片切割石材性能試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試中105×2mm圓鋸片切割性能時(shí),線(xiàn)速度在0-80米/秒范圍的無(wú)圾變速及切割載荷在010內(nèi)的任意設(shè)定.而且運(yùn)轉(zhuǎn)及進(jìn)給平穩(wěn),可達(dá)到模擬實(shí)際切割過(guò)程中的加工工藝條件和快速測(cè)定鋸片磨損量的目的.為了對(duì)切割試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較,建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),分別記錄在鋸片切割石材過(guò)程中,鋸片

2、的轉(zhuǎn)速變化及電機(jī)的電壓和電流變化.定義了切割指數(shù)Z=v,(M×t),表示單位時(shí)間內(nèi)t,單位工具磨損重量M時(shí),工具所切割的石材量可以看出,切割指數(shù)z是反映工具切割速度,壽命和磨損程度的綜合性能指標(biāo),可用其分析評(píng)價(jià)工具切割性能的優(yōu)劣,并以此作為優(yōu)選工具胎體材料的依據(jù).研制出了用于切割花崗巖荒料的金剛石圓鋸片專(zhuān)用預(yù)臺(tái)金胎體粉末(編號(hào)為丑).該粉末以FeNcu為主要材料,并添加了適量的其它特種元素,采用中頻熔煉,高壓水或霧化的方法生產(chǎn).該粉末具有如下特點(diǎn):a)熔點(diǎn)低,T熔=920TZ:b)含氧量低,采用氣霧化時(shí),可低到300ppm;c)對(duì)金剛石粘結(jié)牢固;d)燒結(jié)性能好.研究了熱壓燒結(jié)10YH

3、1粉末及添加Cu一&l臺(tái)金,(663)青銅合金及G.粉后,對(duì)YH1基胎體或含金剛石YH1基胎體的性能的影響,對(duì)比分析了YH1胎體與G0基和(663)青銅胎體的性能特點(diǎn).研究結(jié)果表明,YH1合金粉末胎體可與金剛石表面發(fā)生接觸反應(yīng),在800"C85O時(shí),Fe對(duì)金剛石的反應(yīng)刻蝕深度約為0.2微米,這種反應(yīng)對(duì)金剛石的強(qiáng)度沒(méi)有不利影響,而由于這種反應(yīng)產(chǎn)生的牢固地粘結(jié),可提高工具的切割效率和耐用度.隨著在YH1粉末中添加的(663)青銅和粉含量的提高,胎體的性能變化規(guī)律為:在胎體耐磨損性能降低的同時(shí),胎體的抗彎強(qiáng)度有所提高,使YH1胎體的某些性能達(dá)到了純G.基胎體的性能.這種作用

4、使得YH1基胎體工具的切割指數(shù)z分別增大16%和3%(切割石島紅和威海紅),分析YH1基胎體提高工具性能的原因后認(rèn)為.胎體耐磨損性能的降低及胎體對(duì)金剛石粘結(jié)性能的提高,提高了工具金剛石顆粒的凸出高度,即金剛石的出刃高度,從而提高了金剛石顆粒的破碎巖石的效率.為了提高切割花崗巖的切邊鋸片的性能,研究了在(663)青銅基胎體中,分別以L(fǎng)a)和cuCe合金的形式添加稀土元素La和Ce后,對(duì)胎體材料性能的影響,研究結(jié)果表明,隨著稀士元素或ce的加八.胎體材-,(超硬材料與工程)19年第2期料的組織顯著細(xì)化,使得胎體的抗彎強(qiáng)度得到改善.而過(guò)量【上或ce所形成的第二相質(zhì)點(diǎn),造成的組織不均勻,又使得胎體材料

5、的耐磨損性能下降,這種作用對(duì)提高工具的切割速度很重要.La的加入對(duì)改善胎體對(duì)金剮石的粘結(jié)作用顯著,使得odia大于o.顯微組織分析表明,適量【上的存在,可通過(guò)凈化金剛石與胎體的界面,使得銅基胎體在金剛石表面形成薄膜狀粘結(jié)層,從而顯著改善胎體對(duì)金剛石顆粒的粘結(jié)狀態(tài).當(dāng)【上和ce的添加量分別為0.75%和0.9%時(shí),該銅基胎體的工具的切割指數(shù)z分別提高4%和12%(切割石島紅),因而這種銅基胎體材料適宜于切割象石島紅一類(lèi)的花崗巖石材.由于軟質(zhì)大理石中不含石英顆粒,且組織細(xì)密,研磨性弱,切割試驗(yàn)結(jié)果表明,一般的胎體材料工具在切割這類(lèi)石材時(shí),都表現(xiàn)出了較高的耐磨損性能,即胎體材料的磨損速度低,金剛石不

6、能及時(shí)出刃,因而工具的切割性能差.單純調(diào)節(jié)金屬成分不能達(dá)到降低胎體的抗彎強(qiáng)度材料耐磨損性能的要求.為了滿(mǎn)足切割這類(lèi)軟質(zhì)大理石對(duì)工具胎體的性能要求,研究了在Cu基臺(tái)金中添加非金屬元素石墨c和玻璃粉BL對(duì)胎體熱壓燒結(jié)性能的影響,研究表明:隨著石墨C及玻璃粉BL的添加.銅基胎體耐磨損性能急劇下降,而胎體的硬度值變化不大.銅基胎體耐磨損性能急劇下降的機(jī)理是:石墨和玻璃粉的加入,在胎體中以?shī)A雜的形式存在,是薄弱相,使胎體的脆性增加,磨屑由連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù),耐磨損性能大大下降,同時(shí)胎體的抗彎強(qiáng)度也有所下降.試驗(yàn)證明,當(dāng)石墨C粉的添加量為3%時(shí),胎體的磨屑長(zhǎng)度縮短90%,胎體的磨損失重量m由0,21克提高到0.

7、76克,提高3.6倍.在切割工藝條件為8OOO轉(zhuǎn)/分和20k載荷時(shí),切割軟質(zhì)大理石(西班牙米黃)時(shí)的工具切割指數(shù)z從266提高到463,提高了5g%;切割速度從13.3厘米/分增加到324厘米/分,提高140%.同時(shí)胎體的強(qiáng)度也從580M降到3791Vlaa,降低35%.研究表明,胎體的強(qiáng)度接近4001vlPa時(shí)還可使用.這一重要結(jié)論,突破了傳統(tǒng)的金剛石工具胎體設(shè)計(jì)中,要求胎體的抗彎強(qiáng)度必須在6o0800/vl以上的界限.通過(guò)對(duì)不同金剮石鋸片的切割性能測(cè)試和磨損表面形貌觀(guān)察,建立了工具中金剛石顆粒的磨損形態(tài)與工具胎體的磨損性能之間的關(guān)系及其對(duì)工具切割性能的影響.提出工具磨損表面上的金剮石磨損可

8、分為五種磨損形態(tài),即初期形態(tài),局部破碎形態(tài),大面積破碎或整體破碎形態(tài),拋光形態(tài)和脫落形態(tài).其中韌期形態(tài)即金剛石新出刃狀態(tài),由于局部破碎與大面積或整體破碎形態(tài)之間沒(méi)有嚴(yán)格的界限,通?？蓺w為一類(lèi)統(tǒng)計(jì).研究結(jié)果表明,金剛石顆粒的這五種磨損形態(tài)的產(chǎn)生及其比例,與胎體材料的耐磨損性能密切相關(guān),井直接影響著工具切割石材的性能.其中磨平或拋光形態(tài)的金剛石對(duì)工具的切割性能不利,而新出刃和局部破碎的金剛石形態(tài),則可使金剛石顆粒作為擻切削刃工作時(shí),不致于被磨鈍或拋光,因而有利于提高工具的切割性能.胎體的耐瞎損性能越高,則金剛石越不容易出刃,同時(shí)正常工作金剛石被拋光的可能性越大,反之亦然.因此,降低胎體的耐磨損性能

9、,是提高初期和局部破碎形態(tài)金剛石比例,提高工具切割性能的有效方法.利用定義的切割指數(shù)z,實(shí)現(xiàn)了對(duì)工具切割性能的正確評(píng)價(jià)及胎體材料性能的優(yōu)化選擇,在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證.試驗(yàn)證明,隨著工具胎體材料的耐磨損性m值的增大,則工具切割過(guò)程中金剛石的出刃高度hc提高,工具的切割指數(shù)z也同時(shí)提高.根據(jù)研究的結(jié)果,首次提出了金剛石工具胎體性能的"弱化"概念.為了提高金剛石工具的切割性能,特別是切割速度,應(yīng)該有目的的降低工具的某些性能,如耐磨損性能.以保證金剛石顆粒能夠及時(shí)出刃(下轉(zhuǎn)37頁(yè))11(超硬材料與工程)1999年第2期研磨速度("fn/n)2O50o1O00('C

10、,研磨板溫度圖7首先,將研磨金剛石1置于加熱器上,同時(shí)將研磨板與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)4聯(lián)上,用擴(kuò)散泵1O將真空室11減壓至0.5帕斯卡,由控制器9控制加熱器熱源7.由加熱器3將金剛石1由500加熱至1000.在該狀態(tài)下,移動(dòng)臺(tái)6怍水平移動(dòng),撞針5同時(shí)將研磨板12壓向金剛石l,在極高速條件下完成研磨.測(cè)定此時(shí)的研磨板溫度與研磨速度的關(guān)系,如圖7所示.曲線(xiàn)是采用本發(fā)明實(shí)例C.,FQ陶瓷板的結(jié)果.為了比較,將Fe板用作研磨板,研磨板溫度與研磨速度的關(guān)系如曲線(xiàn)所示.從比較可以看出采用本發(fā)明金屬氧化物,可以完成極高速的研磨,上述實(shí)例雖然選用C.Q陶瓷板等,然而金屬氧化物也可以適當(dāng)選用.(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明方法,將金屬氧化物用作觸媒,使金剛石邊氧化邊可以進(jìn)行高速研磨.圖面簡(jiǎn)單說(shuō)明:l金剛石;2.研磨板;P.0粉末:3研菪板i4旋轉(zhuǎn)馬達(dá);5,撞針;6.移動(dòng)臺(tái);7.加熱熱源;8電偶;9.控制器;10.擴(kuò)散泵:11.真空室.魏民編譯自日本專(zhuān)利特開(kāi)平115791(上接l1頁(yè))并以較高的出刃高度切割石材.利用工藝控制法或添加劑法,可以達(dá)到這種胎體性能弱化的要求.研究結(jié)果表明,利用切割指數(shù)z,可以綜合評(píng)價(jià)工具切割性能的優(yōu)劣.因而在此用切割指數(shù)Z作為胎體性能弱化效果的參量,而胎體的耐磨損性能m則可以看作胎體性能弱化程度的參量.這樣,利用切割試驗(yàn)機(jī),能夠很