劉志環(huán)，張紹和

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

金剛石繩鋸已廣泛應(yīng)用于石材礦山開(kāi)采工程、深基坑支撐梁拆除工程中，具有切割面積不受限制、鋸路規(guī)整、切割損傷小等優(yōu)點(diǎn)[1–4]。串珠是金剛石繩鋸的主要工作部件，一般采用粉末冶金方法制造，通過(guò)串珠內(nèi)部合理分布的金剛石顆粒，在繩鋸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，采用“以磨代切”的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工對(duì)象的切割與分離[5–6]。采用粉末冶金法制造金剛石繩鋸串珠，要求胎體材料具有較好的包鑲金剛石顆粒的能力外，還需要具備與金剛石顆粒磨損相匹配的磨損性能以及一定的強(qiáng)度等[7–9]。繩鋸串珠胎體材料的組成成分一般包含骨架材料、黏結(jié)相、改性成分等，骨架材料決定了胎體材料的主要性能特征；金屬鈷(Co)是優(yōu)質(zhì)的繩鋸串珠結(jié)合劑材料，具有很好的對(duì)金剛石顆粒的潤(rùn)濕性，而且燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度高，高 Co含量金剛石繩鋸?fù)哂休^好的綜合使用性能，但 Co價(jià)格昂貴，而且屬于國(guó)家戰(zhàn)略性物質(zhì)，因此，研究可代 Co的預(yù)合金粉體材料成為目前金剛石繩鋸主要的研究方向之一[10–13]；近年來(lái)，行業(yè)較多集中于FeCoCu預(yù)合金粉的制備與應(yīng)用技術(shù)的研究，而關(guān)于FeCoCu代Co機(jī)理的研究鮮有報(bào)道[14–16]。本文作者從金剛石繩鋸串珠胎體材料設(shè)計(jì)原理入手，研究共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，并與單質(zhì) Co燒結(jié)體的相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比，探討Fe基預(yù)合金粉替代Co粉的可行性；分別以FeCoCu和單質(zhì)Co為骨架材料制作金剛石繩鋸用于石材礦山開(kāi)采，研究Fe基預(yù)合金粉與單質(zhì) Co粉對(duì)切割性能的影響規(guī)律，同時(shí)探討結(jié)合劑材料的物理力學(xué)性能與繩鋸切割性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 粉末的制備

FeCoCu預(yù)合金粉采用共沉淀法制備。按表1所示各元素質(zhì)量配比稱取相應(yīng)氯化物原材料，分別溶于去離子水中，形成 FeCl2·4H2O，CoCl2·6H2O 和CuCl2·2H2O等水化合物，混合配制成濃度為1.0 mol/L的草酸溶液，將金屬鹽溶液和草酸溶液通過(guò)加液釜以相同速率分別加入到反應(yīng)釜中進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，反應(yīng)溫度為50℃，充分?jǐn)嚢韬蠹尤氚彼芤赫{(diào)整反應(yīng)溶液的pH，使其保持在2左右，反應(yīng)20 min后再靜置沉淀 2 h，獲得 FeCoCu復(fù)合草酸鹽沉淀物，沉淀物經(jīng)過(guò)過(guò)濾、清洗、煅燒和還原，得到所需要的預(yù)合金粉。單質(zhì)Co粉采用草酸鹽氫還原法生產(chǎn)，將高純Co礦通過(guò)萃取形成Co的草酸鹽，再通過(guò)高壓H2還原、破碎、篩分，得到所需要的單質(zhì)Co粉。

表1 預(yù)合金粉中各元素名義成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of pre-alloyed powder %

1.2 粉末燒結(jié)體的制備

分別將FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉按重量要求裝入石墨模腔，置于國(guó)產(chǎn)真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到長(zhǎng)×寬×高為30 mm×12 mm×6 mm的預(yù)合金粉燒結(jié)體試樣。熱壓爐真空度為0.1 Pa，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)溫度為 840℃，Co粉燒結(jié)溫度為880℃，保溫保壓時(shí)間和燒結(jié)壓力兩者都相同，分別為4 min和25 MPa。

分別在FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉中添加體積分?jǐn)?shù)為7.5%的金剛石顆粒(粒度為425～355 μm)，混合均勻，然后，采用上述工藝分別制作出含金剛石的復(fù)合材料燒結(jié)體，研究2種燒結(jié)體的物理力學(xué)性能及對(duì)金剛石的包鑲性能。

1.3 燒結(jié)體的性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

采用排水法測(cè)試試樣的密度，并根據(jù)測(cè)定的密度與燒結(jié)體的理論密度求出相對(duì)密度。采用TH300型洛氏硬度計(jì)測(cè)量不含金剛石燒結(jié)體試樣的硬度，采用CMT4304萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試無(wú)金剛石與有金剛石試樣的斷裂載荷，并由此計(jì)算各自的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，并通過(guò)日本JSM–6700F型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。

粉末燒結(jié)體對(duì)金剛石顆粒的包鑲強(qiáng)度用抗彎強(qiáng)度損失率η表示，計(jì)算公式如下：

式中：σ1為不含金剛石燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度；σ2為含7.5%金剛石顆粒的燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度。

采用DHM–1型砂輪磨耗比測(cè)定儀檢測(cè)無(wú)金剛石試樣的磨損質(zhì)量損失m，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，m越小，則試樣耐磨損性能越好，反之則越差。標(biāo)準(zhǔn)砂輪的硬度為3.2，線速度為20 m/s，試樣加壓質(zhì)量為5 kg，測(cè)試時(shí)間為60 s，每種測(cè)定5個(gè)試樣并取平均值。磨損質(zhì)量損失m的計(jì)算公式如下：

式中：m為磨損質(zhì)量損失；m1為試樣在對(duì)磨前的質(zhì)量；m2為試樣與砂輪對(duì)磨后的質(zhì)量。

1.4 金剛石繩鋸切割性能試驗(yàn)

分別以FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉為主要胎體成分，配以一定含量Cu和Sn等成型劑和助熔成分，并添加W作為胎體增強(qiáng)成分，具體成分見(jiàn)表2，制作金剛石繩鋸并用于石材切割，檢測(cè)繩鋸的切割效率(單位為m2/h)和使用壽命(單位為m2/m)，2種胎體成分的金剛石參數(shù)都相同，金剛石粒度都選用 270～325 μm和325～380 μm，體積分?jǐn)?shù)為9.5%，金剛石顆粒熱沖擊強(qiáng)度(TTI)要求大于80%。

繩鋸串珠采用真空熱壓燒結(jié)法，串珠外徑為11.5 mm，胎體內(nèi)徑為7.0 mm，燒結(jié)工藝參數(shù)與主要胎體成分的燒結(jié)工藝參數(shù)相同。繩鋸固定方式為橡膠固定，橡膠硫化溫度為280℃，注射壓力為20 MPa。繩鋸切割采用自制55 kW全自動(dòng)礦山繩鋸機(jī)，切割石材為G1306，單刀切割平方數(shù)為86.8 m2，切割5刀共計(jì)434 m2后統(tǒng)計(jì)切割效率平均值和切割壽命計(jì)算值。

表2 金剛石繩鋸胎體成分Table 2 Composition of matrix material of diamond wire saw

2 繩鋸切割 hc的計(jì)算及對(duì)胎體的性能要求

金剛石繩鋸在繩鋸機(jī)飛輪帶動(dòng)下，以線速度vs高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)進(jìn)給速度為vw時(shí)，包鑲有金剛石磨粒的繩鋸串珠以一定壓力擠壓石材表面，在法向壓力和切向力共同作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)石材的材料去除，累計(jì)材料去除過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)石材的切斷。繩鋸宏觀切割過(guò)程是由串珠表面實(shí)際出刃的金剛石累計(jì)切削作用完成的，因此，單顆金剛石平均切削厚度hc是研究繩鋸切割性能的關(guān)鍵指標(biāo)。繩鋸切割運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律與金剛石線鋸基本相同，只是工具結(jié)構(gòu)不同，則繩鋸單顆金剛石平均切削厚度計(jì)算公式為[17]

其中：hc為單顆金剛石平均切削厚度；vw為金剛石繩鋸的進(jìn)給速度；C為金剛石繩鋸單位面積實(shí)際工作顆粒數(shù)；vs為繩鋸線速度；β為金剛石切削刃的半錐角。

繩鋸單位面積實(shí)際工作顆粒數(shù)C與繩鋸串珠分布密度及單珠胎長(zhǎng)有關(guān)系，設(shè)定串珠內(nèi)金剛石體積分?jǐn)?shù)為φc，金剛石平均粒度為d，假設(shè)繩鋸串珠分布密度為40 粒/m，單珠胎體長(zhǎng)度為6 mm，則金剛石繩鋸單位面積實(shí)際工作顆粒數(shù)C的計(jì)算公式為[18]

其中：C為繩鋸單位面積實(shí)際工作顆粒數(shù)；Ψ為金剛石實(shí)際工作顆粒數(shù)比例系數(shù)；φc為繩鋸串珠內(nèi)金剛石體積分?jǐn)?shù)；k為金剛石出刃系數(shù)；d為繩鋸串珠金剛石平均粒度。

將C代入式(3)，并將定量設(shè)定為γ，則繩鋸單顆金剛石切削厚度公式可修改為

單顆金剛石切削厚度hc即為被切割對(duì)象的巖屑尺寸。石材巖屑在相對(duì)運(yùn)動(dòng)及水流等作用下，以游離磨料的形式反作用于胎體，才使得金剛石顆粒在磨損到一定程度時(shí)，能及時(shí)脫落，新的金剛石顆粒能及時(shí)出刃，從而完成金剛石顆粒的“新陳代謝”。根據(jù)上述繩鋸用于石材切割時(shí)的單顆金剛石切削機(jī)理可知，石材切割對(duì)于繩鋸串珠胎體的性能要求應(yīng)主要包括2個(gè)方面：一是胎體具備一定的抵抗巖屑磨損的能力，且應(yīng)與串珠內(nèi)部金剛石顆粒的設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配。確定了金剛石參數(shù)、鋸切工藝參數(shù)以及切割對(duì)象的性能，則可依據(jù)上述公式大致計(jì)算出串珠工作面實(shí)際出刃金剛石顆粒數(shù)、單顆金剛石單次切削厚度等參數(shù)，由此可確定巖屑尺寸，而串珠胎體的耐摩擦磨損性能的設(shè)計(jì)是與切割對(duì)象的巖屑尺寸、巖屑成分與硬度相關(guān)聯(lián)的。二是胎體對(duì)金剛石磨粒的包鑲能力。胎體對(duì)金剛石的包鑲能力越強(qiáng)，在胎體耐磨損性能相同的條件下，金剛石的利用率越高，繩鋸使用壽命能得到一定程度的提升，當(dāng)然也要考慮由于包鑲能力過(guò)高使金剛石不能及時(shí)脫落，從而導(dǎo)致繩鋸鋸切鋒利度降低的可能性。綜合以上分析，繩鋸串珠胎體的耐磨損性能、包鑲性能等性能參數(shù)，與繩鋸鋸切性能理論上應(yīng)當(dāng)存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，若能建立胎體機(jī)械性能參數(shù)與繩鋸鋸切性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，則可以通過(guò)機(jī)械性能的檢測(cè)與分析，合理地選擇和調(diào)整胎體的成分和比例。

3 結(jié)果與討論

3.1 FeCoCu預(yù)合金粉與單質(zhì)Co粉的形貌與特征

圖1所示為共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉與H2還原法單質(zhì)Co粉的SEM形貌，其中圖1(a)所示為FeCoCu放大 1 000倍 SEM 圖，圖1(b)和圖1(c)所示分別為FeCoCu和單質(zhì)Co放大10 000倍SEM圖。圖2所示為FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜。由圖1可知：FeCoCu預(yù)合金粉末和單質(zhì) Co粉末的外形基本相同，都為近球形，粉末顆粒表面光滑，顆粒間形成聚合體，一次顆粒FeCoCu粉末的粒徑為0.5～1 μm，Co粉的粒徑為1～2 μm。粉末聚合體是指一次顆粒通過(guò)聚合形成的二次顆粒，一般有團(tuán)粒和絮狀體2種形式，低倍數(shù)下2種粉末都為團(tuán)粒狀，高倍數(shù)下都為絮狀體。

圖2所示為共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜。由圖2可知：共沉淀法FeCoCu粉末不但存在Fe和Cu的單質(zhì)相，而且存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，說(shuō)明Co和Cu進(jìn)入Fe的晶胞中，形成了固溶體，在燒結(jié)體內(nèi)能起到固溶強(qiáng)化的作用，能提高燒結(jié)體的強(qiáng)度。從圖2還可知：預(yù)合金粉末不存在Co的單質(zhì)相，這是因?yàn)镃o在合金粉中的含量較低，且 Co與 Fe屬于同族元素，原子半徑相近，Co在γ-Fe中的固溶度為100%，在共沉淀過(guò)程中，Co與Fe易產(chǎn)生原子交換，形成置換固溶體[19]。

3.2 FeCoCu預(yù)合金粉與單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的機(jī)械性能

表3所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉分別在各自最佳燒結(jié)工藝時(shí)燒結(jié)后的試樣的機(jī)械性能，包括硬度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、相對(duì)密度、強(qiáng)度損失率、磨損質(zhì)量損失等。

由表3可知：共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體與單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的部分力學(xué)性能非常接近，但單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都比FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的優(yōu)。表3中實(shí)驗(yàn)表明：一方面，Co的各項(xiàng)力學(xué)性能較好，是優(yōu)良的結(jié)合劑材料；另一方面，共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的硬度、相對(duì)密度及三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度與Co粉燒結(jié)體的相比都相差不大，特別是三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)到 1 639.8 MPa，相比常規(guī)Fe粉、FeCu合金粉燒結(jié)體的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度有較大提升，說(shuō)明共沉淀法FeCoCu粉末由于實(shí)現(xiàn)了預(yù)合金化，具有固溶強(qiáng)化作用，燒結(jié)體的整體力學(xué)性能得到提升。

圖1 FeCoCu和Co粉末SEM圖Fig.1 SEM images of FeCoCu and Co powders

圖2 FeCoCu預(yù)合金粉的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of FeCoCu pre-alloyed powder

表3 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of pre-alloyed powders

表3所示的抗彎強(qiáng)度損失率η決定燒結(jié)體對(duì)金剛石磨粒包鑲能力，η越小，燒結(jié)體對(duì)金剛石磨粒的包鑲能力越強(qiáng)，反之越弱。由表3可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度損失率η為19.0%，稍大于單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的η(15.2%)，由此可知，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體對(duì)金剛石的包鑲能力比單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的低，但兩者差距不大，根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)可知，一般金剛石工具結(jié)合劑骨架材料的抗彎強(qiáng)度損失率η在30%以上[20]，因而，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的η仍然是較高的，對(duì)金剛石磨粒的包鑲能力較強(qiáng)。

由表3可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失為1.638 g，而單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失為1.412 g，由此可知，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的耐磨損性能比單質(zhì) Co粉燒結(jié)體的耐磨損性能更低，但兩者相差不大。實(shí)踐證明，Co粉是優(yōu)良的金剛石工具結(jié)合劑骨架材料，往往在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的綜合鋸切性能，這是因?yàn)閱钨|(zhì) Co的耐磨損性能與被加工對(duì)象巖粉的磨損能力相互匹配[21]。FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的耐磨損性能雖然低于單質(zhì) Co燒結(jié)體的耐損性能，但是仍然具有與單質(zhì) Co相近的抵抗巖粉磨損的能力。

3.3 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的斷口形貌分析

圖3所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉不含金剛石胎體的斷口SEM圖及金剛石界面SEM圖。

由圖3(a)可知：FeCoCu預(yù)合金粉在 840℃燒結(jié)時(shí)，晶粒粒徑均勻，無(wú)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象；燒結(jié)體組織內(nèi)部缺陷數(shù)量很少，斷口上晶粒表面均布少量微細(xì)小孔，根據(jù)粉末冶金燒結(jié)原理，燒結(jié)后期，伴隨晶界遷移過(guò)程，部分孔隙空位遷移到附近燒結(jié)頸界面，但總有部分孔隙因內(nèi)部蒸汽壓大于原子遷移動(dòng)力，不能實(shí)現(xiàn)完全閉合[22]。金屬試樣斷口形貌一般有沿晶斷裂、穿晶斷裂和韌窩斷裂等 3種斷裂特征，從圖3(a)可知：FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口主要為沿晶斷裂和穿晶斷裂的混合型斷口，屬于典型的脆性斷裂特征，這是由生成的CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物本身的特性所決定的，但由于固溶強(qiáng)化作用，晶粒界面結(jié)合強(qiáng)度較高，超過(guò)了晶粒本身的強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫穿晶粒的穿晶斷裂，這是與FeCoCu燒結(jié)體試樣三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度較高相符合的。

從圖3(b)可知：FeCoCu預(yù)合金粉末燒結(jié)體包鑲金剛石的界面接觸緊密，金剛石顆粒表面光滑。文獻(xiàn)[23–24]中研究表明，在真空燒結(jié)條件下，870℃時(shí)Fe對(duì)金剛石表面開(kāi)始有輕微浸蝕，但金剛石表面仍晶型完整；950℃以后Fe對(duì)金剛石浸蝕較嚴(yán)重，金剛石晶格中的C原子經(jīng)接觸界面進(jìn)入γ-Fe中擴(kuò)散并在遠(yuǎn)離金剛石一側(cè)發(fā)生富集，因此，F(xiàn)eCoCu胎體在840℃燒結(jié)時(shí)沒(méi)有與金剛石顆粒界面產(chǎn)生反應(yīng)。依靠熱脹冷縮效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械包鑲力把持金剛石。但由于胎體燒結(jié)致密度高，且與金剛石顆粒的內(nèi)界面張力小，胎體材料燒結(jié)時(shí)能很好地鋪展在金剛石顆粒表面，并能產(chǎn)生對(duì)金剛石顆粒較強(qiáng)的支撐作用，因此，F(xiàn)eCoCu胎體對(duì)金剛石顆粒的包鑲能力也較強(qiáng)，F(xiàn)eCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度損失率也較低。

由圖3(c)可知：?jiǎn)钨|(zhì)Co粉在880℃燒結(jié)時(shí)，晶粒粒徑均勻細(xì)小，無(wú)明顯缺陷，孔隙數(shù)量少。燒結(jié)體斷口主要為韌窩斷裂形貌，屬于塑性斷裂特征，這是由于單質(zhì) Co微細(xì)粉末顆粒在燒結(jié)時(shí)形成的晶粒粒徑較小，根據(jù)Hall–Petch公式可知，晶粒粒徑越小，晶粒界面結(jié)合強(qiáng)度越高，由于晶界結(jié)合強(qiáng)度增加，材料斷裂時(shí)裂紋不容易沿晶界擴(kuò)展，所以，燒結(jié)體在斷裂前，晶粒發(fā)生明顯的塑性變形，形成韌窩斷裂的形貌。因此，單質(zhì) Co燒結(jié)雖然沒(méi)有產(chǎn)生合金體的固溶強(qiáng)化作用，但由于Co材料本身特性和粉末顆粒的燒結(jié)活性，燒結(jié)體具有較高的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、致密度及硬度。

從圖3(d)可知：?jiǎn)钨|(zhì) Co胎體與金剛石界面有一定縫隙，縫隙尺寸達(dá)到 9.58 μm，金剛石顆粒表面粗糙，有附著物存在。

將金剛石從胎體內(nèi)取出，通過(guò)對(duì)金剛石表面的XRD分析，結(jié)果如圖3(e)所示，檢測(cè)為Co的單質(zhì)，說(shuō)明 Co對(duì)金剛石表面潤(rùn)濕性較好，形成了較為牢固的 Co的覆膜，提高了對(duì)金剛石的包鑲能力，這正是單質(zhì)Co燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度損失率較低的原因。由于單質(zhì) Co胎體對(duì)金剛石顆粒具有較高的包鑲力，燒結(jié)體在彎曲斷裂時(shí)，金剛石在較大拉伸張力作用下，會(huì)產(chǎn)生移位與松動(dòng)，因此，微觀觀察胎體與金剛石界面有一定的縫隙存在。

圖3 2種粉末燒結(jié)體的斷口形貌SEM圖Fig.3 Fracture SEM images of two kinds of sintered bodies

3.4 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體的摩擦磨損特征分析

圖4 2種粉末燒結(jié)體的磨損表面及碎屑SEM形貌圖Fig.4 SEM images of wearing face and detritus of sintered bodies

圖4所示為FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì)Co粉燒結(jié)體分別與標(biāo)準(zhǔn)砂輪對(duì)磨后，燒結(jié)體被磨削表面和磨削產(chǎn)生的碎屑 SEM圖。由圖4(a)和圖4(d)可知：FeCoCu燒結(jié)體試樣被磨削表面單個(gè)磨粒切削槽寬度在 60～70 μm之間，稍大于單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣的切削槽寬度(40～50 μm)，F(xiàn)eCoCu試樣被磨削表面有少量的碎屑粘連，而單質(zhì) Co試樣被磨削表面切削槽邊界光滑，表面無(wú)碎屑粘連現(xiàn)象。從圖4(b)和圖4(c)可知：FeCoCu試樣被磨削的碎屑既包括長(zhǎng)條狀整體碎屑，也包括圖4(b)圓圈內(nèi)放大圖所示的魚鱗狀堆積的塊體，而單質(zhì) Co試樣被磨削的碎屑主要為長(zhǎng)條狀整塊碎屑。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生也是與燒結(jié)體試樣的物理力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)的，F(xiàn)eCoCu燒結(jié)體試樣的硬度較單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣的硬度低，標(biāo)準(zhǔn)砂輪的磨粒壓入試樣表面深度更深，因此切削槽寬度更大，這也是FeCoCu燒結(jié)體試樣磨損質(zhì)量損失比單質(zhì)Co燒結(jié)體試樣稍高的原因；另外，由于FeCoCu燒結(jié)體合金成分具有一定的脆性，在與標(biāo)準(zhǔn)砂輪對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生的碎屑因?yàn)椴牧系拇嘈远讛嗔?，從而形成碎屑堆積的塊體，而單質(zhì) Co燒結(jié)體材料韌性相對(duì)更好，碎屑不易斷裂，因而形成長(zhǎng)條狀整塊碎屑體。

3.5 繩鋸鋸切性能對(duì)比分析

圖5所示為分別以 FeCoCu預(yù)合金粉和單質(zhì) Co粉為骨架成分制作的金剛石繩鋸切割石材的鋸切性能曲線。圖5(a)所示為2種胎體成分金剛石繩鋸每切割86.8 m2后的切割效率對(duì)比圖，共切割 5刀，合計(jì)434 m2；圖5(b)所示為工具理論壽命計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。圖6所示為鋸切260.4 m2后不同胎體成分金剛石繩鋸串珠工作面形貌SEM圖。根據(jù)FeCoCu預(yù)合金粉的燒結(jié)特性，F(xiàn)eCoCu基胎體燒結(jié)溫度為840℃，保溫時(shí)間為5 min；Co基胎體燒結(jié)溫度為870℃，保溫時(shí)間為5 min。由圖5(a)可知：FeCoCu基胎體和單質(zhì)Co基胎體制作的金剛石繩鋸在石材鋸切的初期，鋸切效率相對(duì)較低，鋸切一定面積后，鋸切效率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值，這是由于新開(kāi)刃的繩鋸串珠表面金剛石磨粒未達(dá)到最佳出刃高度，切削刃數(shù)量也未形成最佳“匹配”，切割一定面積之后，胎體磨損量高于金剛石磨損量，出刃高度“過(guò)高”的金剛石磨粒提前脫落，形成脫落坑，串珠表面有效參與切削的金剛石數(shù)量基本維持在一定范圍內(nèi)，切割效率逐步保持穩(wěn)定。當(dāng)鋸切至173.6～347.2 m2之間時(shí)，2種胎體的金剛石繩鋸鋸切效率都呈小幅上升的趨勢(shì)，這是由于隨著鋸切量逐漸增加，繩鋸逐漸消耗，外徑逐漸減小，鋸切阻力減小，鋸切效率逐步上升。鋸切至 347.2 m2以后，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸鋸切效率呈快速提升的趨勢(shì)，而 Co基胎體繩鋸鋸切效率呈小幅下降的趨勢(shì)，且FeCoCu基胎體繩鋸平均鋸切效率明顯比 Co基胎體繩鋸的高，達(dá)到 9.8 m2/h，而 Co基胎體繩鋸平均鋸切效率為8.4 m2/h，提高了16.7%。由圖5(b)可知：FeCoCu基胎體和Co基胎體金剛石繩鋸每切割86.8 m2所計(jì)算的理論壽命呈總體下降趨勢(shì)，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸理論壽命比Co基胎體繩鋸的稍低，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸理論壽命平均值為13.6 m2/m，而Co基胎體繩鋸理論壽命平均值為14.5 m2/m，壽命減少6.2%。由此可知，以FeCoCu預(yù)合金粉為骨架成分制作的金剛石繩鋸相對(duì)于傳統(tǒng)的 Co基結(jié)合劑繩鋸用于石材切割時(shí)，鋸切效率得到提升，而工具壽命相差較小，而FeCoCu預(yù)合金粉Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有25%，因此，工具原材料成本減少，產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖5 FeCoCu基和Co基胎體繩鋸鋸切性能曲線圖Fig.5 Cutting property curves of FeCoCu base and Co base diamond wire saw

從圖6(a)和圖6(b)可以看出：FeCoCu基胎體中，金剛石磨粒沿切削方向，其兩側(cè)有較深的溝槽，磨粒后端“蝌蚪狀”支撐也較為明顯，胎體對(duì)金剛石磨粒的包鑲完整無(wú)縫隙，部分金剛石有破碎的形態(tài)；Co基胎體金剛石磨粒兩側(cè)溝槽相對(duì)較淺，胎體對(duì)金剛石的包鑲完整無(wú)縫隙，但出刃高度相對(duì)較小，金剛石磨?；緹o(wú)破碎現(xiàn)象。由于2種串珠的金剛石參數(shù)設(shè)計(jì)完全相同，因此，串珠表面鋸切后的形貌特征是與胎體性能密切相關(guān)的，而金剛石工具胎體性能在添加劑成分組成相同情況下，是由骨架相成分的性能所決定的[25]。FeCoCu燒結(jié)體的磨損質(zhì)量損失比Co燒結(jié)體的高，因此，F(xiàn)eCoCu基胎體耐磨損性能比Co基胎體的低，故串珠表面溝槽相對(duì)較深，根據(jù)前述hc計(jì)算公式及胎體設(shè)計(jì)理論，屬于胎體磨損稍快于金剛石磨損的情形。由于FeCoCu對(duì)金剛石包鑲能力較強(qiáng)，金剛石不易脫落，因此，金剛石出刃高度相對(duì)較高，提高了金剛石的“容屑空間”[26]，繩鋸切割效率得到提升。正是因?yàn)榻饎偸鋈懈?，鋸切石材時(shí)金剛石磨粒受到的力矩更大，當(dāng)力矩大于金剛石的斷裂強(qiáng)度時(shí)，金剛石易產(chǎn)生破碎，且金剛石斷裂方向沿鋸切作用的反方向，如圖6(b)所示。由于 FeCoCu基胎體耐磨損性能比Co基胎體的稍低，且金剛石破碎比例相對(duì)較高，因此，其工具壽命比 Co基胎體的低。綜上所述，串珠表面形貌與其鋸切性能是相對(duì)應(yīng)的，同時(shí)，在其他條件相同時(shí)，串珠胎體骨架相成分的機(jī)械性能與工具鋸切性能有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)研究骨架相成分的機(jī)械性能，能預(yù)判工具的鋸切性能，也可為骨架相成分的設(shè)計(jì)特別是代Co預(yù)合金粉末的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖6 FeCoCu基和Co基胎體繩鋸工作面形貌圖Fig.6 Surface morphologies of FeCoCu base and Co base diamond wire saw of beads

4 結(jié)論

1)共沉淀法FeCoCu預(yù)合金粉為近球形，粉末晶粒粒徑與H2還原法單質(zhì)Co粉粒徑相近；FeCoCu預(yù)合金粉不但存在Fe和Cu的單質(zhì)相，還存在CoFe15.7，Co3Fe7和FeCu4等金屬間化合物，在燒結(jié)時(shí)能起到固溶強(qiáng)化的作用，以期達(dá)到代Co的效果。

2)FeCoCu燒結(jié)體的硬度、相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度都與單質(zhì)Co燒結(jié)體的接近；FeCoCu燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度損失率η達(dá)到19.0%，具有較高的對(duì)金剛石磨粒的包鑲性能；其磨損質(zhì)量損失為1.412 g與單質(zhì)Co燒結(jié)體的較接近，具有相近的匹配巖粉磨損的性能。

3)FeCoCu預(yù)合金粉燒結(jié)體斷口為沿晶斷裂和穿晶斷裂的混合型斷口，屬于脆性斷裂特征，F(xiàn)eCoCu胎體包鑲金剛石的界面緊密接觸，金剛石顆粒表面光滑；單質(zhì) Co燒結(jié)體斷口主要為韌窩斷裂，屬于塑性斷裂特征；Co在金剛石表面形成牢固的覆膜，提高了包鑲能力。

4)2種繩鋸樣品鋸切效率都呈整體上升的趨勢(shì)，工具壽命都呈逐漸降低的趨勢(shì)，F(xiàn)eCoCu基胎體繩鋸平均鋸切效率達(dá)到9.8 m2/h，相對(duì)于Co基胎體繩鋸提高了16.7%，理論壽命達(dá)到13.6 m2/m，相對(duì)Co基胎體繩鋸只降低6.2%，而FeCoCu預(yù)合金粉相對(duì)于Co粉原材料成本降低，產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更加明顯。