金属结合剂金刚石工具的胎体组织结构与力学性能设计

孙双双,张洪喜, 乔翠娅, 冯海洲,董书山

(1.吉林大学超硬材料国家重点实验室，吉林 长春 130012;2.秦皇岛市雅豪新材料科技有限公司，河北 秦皇岛 066206)

1 前言

我国是超硬材料及制品大国，石材加工是超硬制品消费量最大的应用领域。圆盘锯与绳锯是石材荒料加工制板的主要加工工具，而低成本的铁基胎体是超硬制品发展的主旋律。锋利度是金刚石制品的首要性能指标，而铁基胎体的最大优势是成本低，最大的问题是锋利度调整难度大。胎体对金刚石的把持力及其与金刚石相适配的磨损性是金刚石工具的两个关键因素，把持力与磨损性的和谐统一，是金刚石制品的设计与制造核心，与材料选择、配方设计、工艺管控等诸多因素有关，涉及胎体的烧结致密度、强度、硬度、磨损性、润湿性、红硬性等众多性能指标[1-4]，而制品的应用性能则是这众多因素的集成体现，任何一个因素的变化，都可能对刀头的性能产生影响，因而加大了制品的设计、生产、管理难度，对产品的质量稳定性造成极大影响。在看似纷繁复杂的影响因素之下，最终决定刀头性能的因素可简单归结为4个字——组织性能。因而，如何调控刀头的组织性能是刀头的设计与制备关键。目前，多数制品厂家依然采用经验型的“试验堆砌”开发方式，只是对试验结果进行经验型的分析判断来调整配方，囿于经验的丰富程度及正确与否，往往难以对试验结果得出准确的分析判断，抓不住开发关键技术要点，因而也就难以开发出符合需求的配方体系，常常陷于往复无益的重复试验循环之中，经常导致无功而返，甚至前功尽弃的结果。究其原因，是这种“经验堆砌”的开发方式，缺乏对影响工具性能关键要素的深入理解，无法对关键性能指标进行明确化、定量化与归一化，因而，也就无法从把控关键技术的角度出发来进行产品开发。换言之，只有全面、深入地掌握基础理论，并将理论与实践经验相结合，真正做到理论联系实际，从纷乱繁杂的试验表象中凝结提炼出关键影响因素，并对之实施量化分析与调控，使产品设计从半定量的“经验型”转化为对关键要素的“定量化”设计与调控，才能真正掌握设计核心与调控手段，开发出符合设计需求的产品，保证批量生产的质量稳定性。简单说，如何获取可定量化控制的组织性能，是超硬制品的设计核心。本文从组织性能的调控角度出发，通过控制烧结组织的致密化、晶粒度、润湿性、强度、硬度等性能指标，设计开发花岗岩圆盘锯刀头，以揭示组织性能对工具使用性能的影响与功效。

2 实验方案

实验目的是获取高性价比的Fe基花岗岩大刀头。以Fe-Cu合金体系为主，通过控制胎体的合金化程度、晶粒度、强度、硬度及润湿性等性能指标，调控冶金因素(配方设计)及工艺因素(工艺设计)来获取组织晶粒细化的高致密度、高强度及高润湿性的胎体组织结构。以提高金刚石的“有效利用率”为核心，以设计强度为主要考量指标，在确保胎体对金刚石具有良好把持力的同时，再通过调控物相组配及组织晶粒度来调整磨损性，从而实现关键要素——金刚石把持力与胎体磨损性的合理匹配，以达到锋利度与寿命间的良好适配。

采用秦皇岛雅豪公司的3种细颗粒水雾化预合金粉末：YA412(Fe-Cu-Ni-Sn系，-400目)、FeCu30(-400目)、超细CuSn15(激光中位径粒度D50:7-10μm)及单质Sn粉(-300目)进行组合应用，调整组合比例见表1：

表1 试验配方成分体系

在上述组分范围内，通过优化试验，不加金刚石，在820℃～900℃温度范围内进行烧结试验，烧结制备30 mm×12 mm×6 mm的抗弯试样，烧结压力为250 MPa。测试试样的烧结致密度、抗弯强度及硬度，从试验结果中选取致密度>99%、抗弯强度>1300 MPa、硬度在HRB95-108的成分组配，并采用扫描电子显微镜(SEM)观察分析断口组织，分析晶粒度。

对筛选后的配方，加入体积浓度为10%的40/45粒度金刚石，在确定的温度下进行烧结，从中再次选择致密度>98.5%、抗弯强度>1040 MPa、硬度>HRB95的配方体系。考量重点为加入金刚石后，试样的抗弯强度下降值<20%，以保证胎体对金刚石具有足够的把持力，由此，确定刀头的配方组分(见表2)。

表2 优化试验所确定的刀头配方

采用优化配方制备13片组的组锯刀头，在石材加工厂运行测试刀头的实际性能状态。

3 结果分析

金刚石工具的核心是有效发挥金刚石磨粒的功能，因而，胎体对金刚石的把持力是第一要素；其次，胎体与金刚石间的磨损适配性是保持锋利度的重要保障。提高胎体对金刚石把持力的有效途径：一是采取镀覆金刚石的“金刚石界面化学键合+胎体机械卡固”的方式；二是采用简单的非镀覆金刚石的“胎体机械卡固”方式；三是采取调控胎体组分活性而在烧结过程中实现非镀覆金刚石的“界面反应键合+胎体机械卡固”的方式。无论采取何种方式，都离不开“胎体机械卡固”的作用，而胎体的机械卡固能力则取决于胎体的组织性能。

Fe基金属结合剂是现今及今后的主导体系，主要以单质Fe粉及Fe-Cu合金为主。Fe基刀头的性能及批量化生产过程中的质量稳定性波动性较大，主要与粉末原材料质量及与之相配套的制备工艺有关，可体现在对刀头的机械性能的影响——对刀头的烧结致密度、强度、硬度、磨损性及润湿性等方面的影响。刀头的机械性能是由烧结体的组织性能所决定的，因而，如何设计、控制胎体的组织结构与性能，是金属结合剂金刚石工具的技术关键，只有深入了解胎体的微观组织结构与机械性能间的关联，才能从根本上掌握产品的设计核心。

材料与工艺是配方设计的基础，若要获取高性能的胎体组织，首先需要准确选材，然后再根据材料的特性，合理设计制备工艺，这才能保障材料特性的充分发挥。

选材需要考虑的因素是：成分、性能、粒度、氧含量及价格因素等；配方设计，即材料组合，以功能调控为主要参考，需要考虑性能、粒度、烧结活性等方面的匹配。在材料性能选择上，本文重点以强化胎体对金刚石的机械把持力为核心，主料选择较高强度的细颗粒预合金粉末组合；含低熔点组分的促进致密相以超细CuSn15为主，辅以少量的单质Sn粉，以便促进烧结过程中的液-固致密化，并使烧结工艺简便易控。胎体的磨损性则依靠合金化程度、物相结构及晶粒度的控制来进行调控。在工艺设置方面则是以不同物料间在升温过程中物相结构及力学性能的变化为主要考量因素，特别是重点控制在设计强度下的胎体组织晶粒度，以获取软-硬相间布的组织结构，调配适宜的磨损性，保证锋利度。本文选择以通用的细粒度水雾化FeCu30为基础相；以可调配合金化能力、致密度、强度及润湿性的Fe-Cu-Ni-Sn合金体系的YA412为强度调整相；以超细CuSn15辅以单质Sn粉为促进合金化与致密化的烧结液相及脆性调节相。图1为FeCu30的烧结致密度随温度的变化曲线，图2为其抗弯强度与硬度随温度的变化曲线。

图2 FeCu30烧结样块的抗弯强度与硬度随温度的变化曲线Fig.2 The curve of bending strength and hardness changed with the temperature of sintering FeCu30 sample

从图中可以看出，在830℃～910℃的较宽温度范围内，FeCu30的抗弯强度均不高于1400 MPa，所以当其与其它的单质Fe、Cu、Sn、Zn等粉末和金刚石一同烧结后，配方的烧结强度会大幅度下降30%～50%，甚至更多。由于胎体强度的大幅度降低，会大大削弱胎体对金刚石的把持力，降低金刚石的有效利用率，从而恶化刀头锋利度与使用寿命。

当采用高温烧结强度较高的YA412作为强化相与FeCu30配合使用后，配方的烧结强度会大幅度稳定提高，可极大地增强胎体对金刚石的有效把持力。表3为YA412的主要成分，图3及图4分别是YA412的烧结致密度、抗弯强度与硬度随温度的变化曲线。

表3 YA412的主要成分

图3 YA412的烧结致密度随温度变化曲线Fig.3 The curve of the density changed with the temperature of sintering YA412 sample

图4 YA412的烧结强度与硬度随温度变化曲线Fig.4 The curve of the bending strength and hardness changed with the temperature of sintering YA412 sample

按表2的配方进行烧结，加入10%体积浓度金刚石试样的烧结致密度>98.5%，抗弯强度为1200 MPa左右，达到了设计要求，可大幅度增强胎体对金刚石的把持力；胎体硬度可达HRB96-103，具有良好的耐磨性。图5为刀头胎体对金刚石的包镶状态，图6为金刚石脱落坑状态。

从图5及图6可以看出，胎体对金刚石的包镶良好，金刚石脱落坑呈“麻面”状态，此麻面系镀覆金刚石表面形成凸起化学键合物并粘附胎体组分后所形成的。由此可见，胎体对金刚石实现了“化学键合+机械卡固”的双重把持，可有效提高金刚石的利用率，并以此实现工具寿命的保障，而非单纯依靠增加胎体的耐磨性来提高寿命。致密、细腻、高强度的组织结构是保障胎体机械性能的基础要素，图7及图8是胎体组织结构特征的SEM形貌，图中可见胎体呈细密的网纹结构，组织晶粒边界清晰，亦即细颗粒粉末间未形成大面积的烧结重结晶长大，由此，既可以保证胎体具有足够的强度，又可以调整胎体的磨损性，使之与金刚石的磨损相匹配；同时，组织断口在宏观上呈现脆性断裂特征，而在微观区域则呈现出具有一定韧性的致密亚结构，这是胎体组织既可保持足够的强度及把持力，又具备合适磨损特性的组织特征。在实现了胎体组织结构及机械性能设计要求后，通过调配金刚石的粒度、强度及浓度，即可有针对性的设计生产适应不同石材及工况条件要求的刀头，使锋利度与寿命间达到合理的匹配，满足实际应用的需求。

图5 胎体对金刚石的包镶SEM形貌Fig.5 The SEM morphology of the impregnated diamond

图6 金刚石脱落坑SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of the pit of drop-off diamond

图7 胎体的低倍组织SEM形貌Fig.7 The SEM morphology of the matrix under 500 times magnification

图8 胎体的高倍组织SEM形貌Fig.8 The SEM morphology of the matrix under 2000 times magnification

按设计方案生产制备13片组的花岗岩圆盘锯，切割莫氏硬度在7～8级的硬质花岗岩，在满足用户锋利度要求的条件下，刀头的寿命超过1.8m2/粒，整体切割过程顺畅平稳，切板质量良好，可较好地满足用户需求。图9与图10分别是刀头切割工作刃面及侧面的金刚石出刃状态，金刚石把持状态较好，具有合适的出刃高度。

4 结论

(1)金属结合剂金刚石工具的性能主要取决于胎体的组织性能，获取高致密度、高强度、高润湿性及合适磨损性的组织结构是工具设计的技术要素。

(2)以组织性能为设计核心，通过调控组织结构及机械性能指标来获取具有合适综合性能的胎体，可以摆脱传统的“经验型”设计习惯，实现工具的“定量化”设计，实施设计指标的有的放矢，大幅度提高设计水准。

(3)采用细颗粒的合金粉末组合，并配以与粉末特性相适应的烧结工艺，可以获得具有高强度、高把持力、磨损性合适的胎体组织，可显著提高生产质量的稳定性，满足实际工况需求。

(4)金刚石工具的使用寿命应首先以提高金刚石的有效利用率为先决条件，据此开展配方及工艺设计，而非依靠增加金刚石浓度或胎体的磨损性来提高寿命，由此可减少金刚石用量，显著降低生产成本，实现产品的高性价比设计。

图9 刀头切割刃面金刚石出刃状态Fig.9 The exposed diamond grit on the blade cutting surface

图10 刀头侧面金刚石出刃状态Fig.10 The exposed diamond grit on the blade side surface