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    金刚石锯片金属胎体配方选择原则

    关键词 金刚石锯片|2022-12-20 10:18:22|技术信息|来源 中国超硬材料网
    摘要 金刚石工具材料是采用粉末冶金方法将细小颗粒金刚石与金属粉末热压烧结而成的复合材料烧结体,分布在胎体中的金刚石由金属基体粘结而固定。当表层金刚石在磨削过程中逐渐磨耗的同时,内层金刚石...

           金刚石工具材料是采用粉末冶金方法将细小颗粒金刚石与金属粉末热压烧结而成的复合材料烧结体,分布在胎体中的金刚石由金属基体粘结而固定。当表层金刚石在磨削过程中逐渐磨耗的同时,内层金刚石不断露出,包镶金刚石的胎体材料既要牢固地粘结金刚石,又要与被加工体协调磨损,以保证金刚石颗粒的不断出刃和充分利用,从而保证金刚石工具高的切削速度和质量,这就要求包镶金刚石胎体材料的包镶力和致密性都比较好。所以包镶金刚石颗粒的胎体材料就成为影响金刚石工具性能的关键因素之一。

           刀头胎体的作用就是牢固把持金刚石,有效且充分地发挥金刚石的切削效果。在金刚石锯片研究与生产中选择刀头胎体重点需要考虑的有:

           (1)胎体对金刚石的把持能力;

           (2)对特定加工对象,胎体与金刚石的磨损匹配性;

           (3)合适的制造工艺条件;

           (4)合理的成本。

    微信截图_20221220101626.png

           胎体对金刚石的把持力有机械结合力和化学结合力两种。

           机械结合力产生于胎体对金刚石的镶嵌作用,它主要由胎体弹性模量所决定。提高材料弹性模量的元素如Cr、Mn、W或WC硬质相,均能提高胎体对金刚石的把持力,同时也会增加胎体耐磨性。然而,胎体耐磨性过分提高又不利于金刚石出刃。另外,烧结冷却中胎体的不均匀收缩会对金刚石形成应力缠绕,加强对金刚石的镶嵌作用,提高把持力。有的工艺热压后强制冷却刀头就是这个道理。

           化学结合力是由金刚石与胎体“焊接”联结或化学键形成的。它不仅能提高刀头寿命,而且能使刀头表面金刚石突出胎体高度增加,形成较大的容屑空间,提高切削效率。提高化学把持力就是要增加胎体对金刚石的润湿性和键合性。强碳化物形成元素Ti、Cr等能诱导胎体润湿金刚石,并能与金刚石键合形成碳化物,增加结合力。但这些元素也浸蚀金刚石,如形成的碳化物较粗大容易产生裂纹或空隙,恶化切削性能。研究表明,强碳化物元素的最佳添加量应低于0.1at%。对金刚石表面镀覆有利于提高化学把持力,但应注意与相应工艺的配合,解决控制好碳化物的形成和界面的相互协调。否则金刚石表面金属化难以发挥作用。

           胎体在牢固把持金刚石充分发挥切削效能的前提下,还要与金刚石协调一致磨损以形成新的切削刃,保证切削的不断进行。提高胎体机械把持力的许多因素都制约协调磨损。金刚石、胎体、加工对象三者协调,这是金刚石刀头制造最难掌握和控制的,也是金刚石锯片胎体一个最特殊的属性。它与加工对象的耐磨性,所用金刚石的品级、加工方法等有关。下表是加工石材时三者的相互关系。当石材的硬度越高和密度越大,所选用的金刚石的强度就要越高、粒度越细、浓度越低,而胎体的硬度就要相应减低,耐磨性减小;当石材的耐磨性高时,所选用金刚石的强度要高、粒度要粗、浓度要高,相应胎体的耐磨性和硬度都要高;反之亦然。其它许多因素也会影响它们之间的关系。如随着锯片直径增大,锯切力增加,需要较高品级的金刚石,胎体的耐磨性也要相应的提高。

    金刚石、胎体、加工对象之间搭配关系

    微信截图_20221220101607.png

           在实际研究或试验中可依据以下两条原则,通过观察刀头表面的磨损判定胎体的适应性:(1)金刚石大部分被磨钝,则应降低胎体的耐磨性;(2)金刚石大部分脱落且脱落凹坑较浅,应增加胎体的耐磨性,如凹坑较深,说明胎体把持能力差,应着重改善它的化学结合力。

           以上说明胎体配方的确定首先应满足胎体的耐磨性必须与金刚石以及被加工材料的研磨能力相匹配,以保证金刚石锯片的胎体在切割过程中既能使金刚石充分出露,又不会因露出太高而导致过早脱落。“太软”的胎体的磨损速度大于金刚石,通常会引起金刚石的过早脱落。与此相反,耐磨性过高的胎体由于其磨损速度小,当金刚石磨损脱落后将导致金刚石不能充分出刃,最终导致金刚石被磨平抛光而失去工作能力。而胎体的耐磨性是由胎体配方中的各组成元素和胎体粉末的烧结工艺确定的。

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    △油田专用青铜烧结锯片

           常用的刀头胎体有钴基、铁基和铜基。钴由于它对金刚石具有好的润湿性、高的弹性模量和高温强度,烧结温度又适中,容易满足胎体对金刚石把持力和对金刚石换层协调磨损的要求。在金刚石工具制造中,尤其是刀头要求重负荷高效率切削时,具有不可取代的地位。但其价格相对较高;铜或青铜基胎体成本低,工艺性能好,但它不润湿金刚石,自身强度又低,对金刚石的把持能力较差,只适合软质材料的轻负荷或做磨削工具。铁弹性模量中等,对金刚石有较好的润湿性,加之低廉的价格,是胎体材料的较佳选择。铁基胎体在加工高耐磨性的材料时表现出优异的性能,但铁容易对金刚石产生过度浸蚀,损害金刚石的强度,且其高温性能差,使得铁基胎体与金刚石、加工对象的适应范围变窄。

           所以,如何选择金属胎体成分,要综合研判,合理选择。

           参考资料:《金属基金刚石复合材料的粉末冶金烧结工艺》 刘晓慧

     

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