摘要：
本文系統(tǒng)總結(jié)分析了單質(zhì)及預(yù)合金粉末體系的金剛石燒結(jié)鋸片在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生燒結(jié)裂紋的冶金及工藝因素，簡(jiǎn)要闡述了鋸片裂紋與粉末質(zhì)量、粒度搭配、混料均勻性、低熔點(diǎn)物料的作用特性、胎體組織均勻性及胎體物相冷卻收縮性等影響因素的關(guān)系，并提出了解決問(wèn)題的措施。
關(guān)鍵詞：金剛石燒結(jié)鋸片 燒結(jié)熱裂紋 影響因素 解決措施
Analysis of heat crack in diamond saw blade and the related solving measures
DONG Shushan1，LUAN Huisheng2，WANG Chengjun3，DONG Xiaolei4，QIAO Cuiya5
(1.State key lab of superhard materials，Jilin University，Changchun 130012， China)
(2.Haichuan diamond tool Co. Ltd.，Shijiazhuang 05000，China)
(3.BOSUN tool Co. Ltd.，Shijiazhuang 05000，China)
(4.XIAOMIFENG tool Co. Ltd.，Shijiazhuang 05000，China)
(5.YAHAO new material and technology Co. Ltd.，Qinhuangdao 066200，China)
Abstract:
The metallurgical and process factors of heat crack in sintering diamond saw blade, which made by the mixture of pure element metal powder and the pre-alloyed metal powder, are systematically summarized and analyzed. The effect of the following factors, such as the quality of metal powders, metal particle size, mixing uniformity of metal powders, characteristics of low melting point metals, matrix uniformity and cooling shrinkage of matrix phase, etc. are elaborated, and thus the solving measures are put forward.
Keywords: Diamond saw blade, Sintering heat crack, Effect factors, Solving measures
一．前言
金剛石鋸片廣泛應(yīng)用于石材、陶瓷等的切割加工，種類繁多，按制備工藝的不同可劃分為燒結(jié)類和焊接類兩大系列制品。燒結(jié)鋸片是將粉冶坯體（刀頭）與鋼質(zhì)基體冷壓為一體后在爐中加熱燒結(jié)制備而成，其結(jié)構(gòu)型式、工藝裝備及刀頭的配方體系多種多樣，按齒型劃分為分齒式和連續(xù)齒式；燒結(jié)工藝有加壓燒結(jié)和無(wú)壓燒結(jié)；燒結(jié)裝備主要是鐘罩爐和隧道爐；刀頭配方體系分為單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末。在燒結(jié)類鋸片的實(shí)踐生產(chǎn)中，常見(jiàn)的問(wèn)題就是燒結(jié)裂紋，裂紋的出現(xiàn)不僅降低了成品率，增加了生產(chǎn)成本，而且嚴(yán)重影響了鋸片的安全及使用性能，是廣大生產(chǎn)廠家極為關(guān)注而又難于避免的問(wèn)題，特別是對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致燒結(jié)裂紋在生產(chǎn)中反復(fù)出現(xiàn)，影響正常生產(chǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文重點(diǎn)探討鋸片燒結(jié)裂紋的分類、產(chǎn)生原因及改善措施，以利于生產(chǎn)廠家借鑒改進(jìn)。
二．燒結(jié)裂紋的原因分析
燒結(jié)裂紋基本可分為疏松開(kāi)裂、夾渣開(kāi)裂、脆性收縮開(kāi)裂及應(yīng)力開(kāi)裂等幾大類。導(dǎo)致燒結(jié)開(kāi)裂的因素眾多，主要與金屬粉末質(zhì)量狀態(tài)、制備工藝及裝備有關(guān)。具體說(shuō)來(lái)，燒結(jié)裂紋與粉末原材料質(zhì)量（氧含量、雜質(zhì)含量）、粒度搭配、投料量、粉末燒結(jié)收縮特性、混料均勻性、低熔點(diǎn)物料分布的均勻性、燒結(jié)工藝（升溫曲線、還原氣氛）、燒結(jié)模具狀態(tài)、爐溫均勻性、冷壓狀態(tài)（冷壓致密度）、冷壓模具狀態(tài)（齒根漏料）、混料機(jī)結(jié)構(gòu)（決定混料均勻性及是否對(duì)樹(shù)枝狀電解銅粉造成破壞）、混料氧化、鋸片基體潔凈狀態(tài)（氧化及除油）、鍍銅層氧化、基體冷加工殘余應(yīng)力大、潤(rùn)濕劑（液體石蠟、機(jī)油質(zhì)量差時(shí)，金剛石表面發(fā)黑）質(zhì)量等眾多因素有關(guān)。而裂紋的產(chǎn)生，往往不是單一因素所致，而是上述眾多影響因素中的某一項(xiàng)起主導(dǎo)的誘因作用，從而引發(fā)系列因素共同作用，導(dǎo)致不同性質(zhì)與形式的開(kāi)裂。
(一)單質(zhì)金屬粉末體系
1 粉末原材料質(zhì)量的影響
單質(zhì)金屬粉末胎體燒結(jié)裂紋約50%以上是由于粉末質(zhì)量差所引起的，尤其是與粉末的氧含量、雜質(zhì)含量及粒度分布有關(guān)（尤其是鐵粉）。粉末顆粒表面氧化膜阻礙粉末顆粒界面間的結(jié)合，降低顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度或界面間根本不結(jié)合（圖1）；而且，氧化膜的存在會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)物料的嚴(yán)重偏析，致使燒結(jié)胎體組織局部區(qū)域因缺少低熔點(diǎn)物料而出現(xiàn)“疏松干裂”現(xiàn)象（圖2），導(dǎo)致胎體內(nèi)部產(chǎn)生局部開(kāi)裂，引發(fā)宏觀裂紋。胎體出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，其對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性變差，與金剛石間的縫隙較大（圖3），對(duì)金剛石的把持力嚴(yán)重受限，導(dǎo)致鋸片的安全性及使用性均大幅度下降。粉末氧化的原因大致可歸結(jié)為： = 1 \* GB3 ①原始供貨狀態(tài)的氧含量高； = 2 \* GB3 ②儲(chǔ)存氧化； = 3 \* GB3 ③混料時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；燒結(jié)過(guò)程中還原氣量不足。
圖1 氧化粉末顆粒間無(wú)界面結(jié)合 圖2 缺乏低熔點(diǎn)物料區(qū)域的開(kāi)裂
圖3 粉末氧化胎體對(duì)金剛石把持不足 圖4 氧化物夾雜多導(dǎo)致開(kāi)裂
燒結(jié)胎體中的氧化物夾雜按其分布形式可分為兩大類，一類是單顆粒散布狀態(tài)，此類夾雜對(duì)胎體質(zhì)量的影響不大；另一類是吸附于金屬粉末顆粒表面的細(xì)顆粒，對(duì)燒結(jié)胎體質(zhì)量及及金剛石把持力影響較大。表面吸附雜質(zhì)影響金屬粉末顆粒間的界面結(jié)合，弱化結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)此類夾雜在低熔點(diǎn)液態(tài)物料在流動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程中流經(jīng)金屬粉末表面時(shí)，會(huì)將夾雜物集中沖洗至粉末界面結(jié)合空隙處，形成夾渣偏聚（圖4），冷卻收縮時(shí)易導(dǎo)致夾渣開(kāi)裂。
上述粉末氧化及夾渣開(kāi)裂是實(shí)踐生產(chǎn)中常見(jiàn)的裂紋形式，通常是由于還原還原鐵粉、磷鐵粉等氧化、夾渣造成的。
2. 低熔點(diǎn)物料分布均勻性的影響
燒結(jié)類金剛石鋸片胎體的組織性能在很大程度上取決于低熔點(diǎn)物料（主要是錫）的分布狀態(tài)及其在燒結(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕及合金化、致密化行為。低熔點(diǎn)物料分布的均勻性與其自身的粒度、形狀有關(guān)，影響其在燒結(jié)前的混料均勻性。較粗的條棒狀錫粉及較細(xì)的顆粒聚集團(tuán)都易導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中的錫偏聚，易導(dǎo)致缺錫區(qū)域中高熔點(diǎn)物料（主要是鐵粉）粉末顆粒間界面結(jié)合強(qiáng)度差而形成的“干裂”（圖5）；或富錫區(qū)域中因脆性化合物數(shù)量多而導(dǎo)致的收縮脆裂，常見(jiàn)于銅、錫含量較高的制品中，尤其是電解銅粉粗顆粒比例過(guò)多時(shí)，更易發(fā)生。
圖5 缺錫區(qū)域的開(kāi)裂 圖6 脆性物相收縮開(kāi)裂
3. 粗細(xì)粉末粒度搭配的影響
現(xiàn)行的燒結(jié)鋸片基本為鐵基胎體，-200/-300目還原鐵粉為主要原材料，但由于供貨廠家眾多，質(zhì)量差異較大，除用戶重點(diǎn)關(guān)注的氧含量及雜質(zhì)含量外，其粒度分布對(duì)制品的影響也很大，尤其是粗顆粒的比例。粗顆粒偏多，往往會(huì)引起“架橋”孔洞數(shù)量偏多（圖7）；同時(shí)當(dāng)其與細(xì)顆粒的預(yù)合金粉末或-300目以細(xì)的鋅粉或羰基鐵/羰基鎳配合應(yīng)用時(shí)，也易引起細(xì)顆粒粉末的燒結(jié)收縮裂紋（圖8）。這是由于細(xì)顆粒粉末的燒結(jié)活性好，燒結(jié)收縮能力強(qiáng)，而與之接鄰的粗顆粒粉末燒結(jié)收縮性較差，導(dǎo)致粗/細(xì)粉末顆粒間的燒結(jié)收縮不一致而在粗/細(xì)顆粒接觸界面區(qū)域中產(chǎn)生收縮裂紋（圖8）。
圖7 粗顆粒架橋孔洞裂紋 圖8 細(xì)顆粒粉末偏聚收縮開(kāi)裂
4. 粉末燒結(jié)收縮性的影響
鐵基胎體鋸片中鐵粉的比例較高，相應(yīng)的燒結(jié)溫度也較高，其熱膨脹系數(shù)較銅/錫高，燒結(jié)后的冷卻收縮??；而銅、錫在燒結(jié)冷卻后的收縮量較鐵大，尤其是高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后銅-錫間易形成粗大塊狀金屬間化合物，其冷卻收縮性更強(qiáng)，若鋸片出爐冷卻速度過(guò)快，則粗大塊狀金屬間化合物極易開(kāi)裂，產(chǎn)生收縮斷裂（圖9），尤其是混料不均時(shí)，在銅/錫偏聚區(qū)域更易出現(xiàn)此類裂紋，特別是無(wú)壓燒結(jié)鋸片。另外，當(dāng)粗顆粒的還原鐵粉與超細(xì)鐵粉、羰基鎳粉在一起混用，尤其是在潮濕環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間混料時(shí)，亦易出現(xiàn)細(xì)顆粒粉末的偏聚，在燒結(jié)過(guò)程中粗/細(xì)粉末顆粒團(tuán)間的冷卻收縮能力不同，二者間往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)合界面分裂而導(dǎo)致裂紋（圖10）。
圖9 銅-錫塊狀金屬間化合物開(kāi)裂 圖10 粗/細(xì)粉末顆粒團(tuán)界面開(kāi)裂
5. 投料準(zhǔn)確性的影響
配方體系理論密度計(jì)算不準(zhǔn)確，投料量不足，在燒結(jié)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)引起疏松裂紋。這種現(xiàn)象常見(jiàn)于中小客戶的制品中，其往往按經(jīng)驗(yàn)而不是理論密度的準(zhǔn)確計(jì)算配料，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)此類裂紋（圖11），同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致胎體疏松，對(duì)金剛石的把持力不足（圖12）。
圖11 投料不足的胎體疏松裂紋 圖12 疏松胎體對(duì)金剛石把持力不足
6. 混料均勻性的影響
由于混料不均而導(dǎo)致鋸片開(kāi)裂是生產(chǎn)中常見(jiàn)的現(xiàn)象，也是往往被容易被忽略且不易查找的開(kāi)裂原因?；炝喜痪c混料裝置的結(jié)構(gòu)型式、裝料量、粉末粒度搭配、混料時(shí)間、粉末吸潮量、潤(rùn)濕劑的種類/添加量及質(zhì)量等諸多因素有關(guān)。許多中小廠家采用自制的混料桶，加裝焊有短鋼棒/鋼片的攪拌軸，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間攪拌碰撞后，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的銅粉枝杈中的球狀顆粒易被鋼棒/鋼片打散為單顆粒，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而失去了調(diào)整混料均勻性的作用，同時(shí)也惡化了冷壓成型性。被打散的銅顆粒在潤(rùn)濕劑的作用下極易團(tuán)聚，在冷壓過(guò)程中會(huì)形成宏觀裂紋或隱藏于內(nèi)部的暗裂紋，在燒結(jié)冷卻過(guò)程中形成熱裂紋。
7. 低熔點(diǎn)物料分布的影響
鋸片中的低熔點(diǎn)物料主要為錫和鋅，以錫為主。目前市場(chǎng)供應(yīng)的錫粉和鋅粉中的球狀/類球狀顆粒數(shù)目較多，在混料過(guò)程中容易偏聚，尤其是細(xì)顆粒的球狀鋅粉，更易團(tuán)聚偏析。錫粉的偏聚會(huì)導(dǎo)致缺錫區(qū)域的“干裂”及富錫區(qū)域的收縮脆裂。鋅粉的偏聚主要易導(dǎo)致兩類裂紋：一類是細(xì)顆粒氧化鋅粉堆聚造成的疏松孔洞開(kāi)裂（圖13），另一類是未氧化鋅粉在加熱揮發(fā)受阻后在粉末界面空隙處形成絮狀氧化物結(jié)晶而導(dǎo)致的粉末顆粒團(tuán)間的間隙開(kāi)裂（圖14）。
圖13 氧化鋅粉導(dǎo)致的孔洞開(kāi)裂 圖14 絮狀揮發(fā)鋅造成的間隙開(kāi)裂
8. 燒結(jié)工藝裝備的影響
在鐘罩爐中生產(chǎn)無(wú)壓燒結(jié)鋸片時(shí)，由于缺乏壓力作為燒結(jié)合金化的驅(qū)動(dòng)力，上述各種性質(zhì)的裂紋都會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。此時(shí)，粉末的質(zhì)量狀態(tài)、混料均勻性、粒度搭配、爐溫的均勻性及還原氣氛等因素影響較大。而在鐘罩爐中加壓生產(chǎn)鋸片時(shí)，除上述因素外，加熱溫度和壓力的配合及高溫保溫時(shí)間對(duì)裂紋的形成也有很大影響。在隧道爐中生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)配方體系的特點(diǎn)，在處于自由燒結(jié)狀態(tài)下的各區(qū)段的保溫溫度及時(shí)間對(duì)是否產(chǎn)生裂紋影響較大。此外，鋼墊和石墨墊的質(zhì)量狀態(tài)對(duì)裂紋的產(chǎn)生也有影響，使用時(shí)間長(zhǎng)、表面氧化膜厚的鋼墊易導(dǎo)致開(kāi)裂；而石墨墊的開(kāi)裂傾向相對(duì)減少，但燒結(jié)致密度受限。
9. 鋼質(zhì)基體加工殘余應(yīng)力的影響
冷沖基體中存在較多加工殘余應(yīng)力，在加熱燒結(jié)過(guò)程中殘余應(yīng)力會(huì)隨溫度的升高而逐漸釋放，引發(fā)基體變形，當(dāng)這種應(yīng)力變形與其它各種不利因素相疊加時(shí)，也會(huì)引發(fā)燒結(jié)胎體的局部開(kāi)裂，尤其是基體較薄的波紋鋸片，更易產(chǎn)生裂紋，通常沿鋸齒根部呈周向開(kāi)裂。
10. 潤(rùn)濕劑的影響
常用的潤(rùn)濕劑為無(wú)色透明的液態(tài)石蠟，也有廠家采用機(jī)油等。若石蠟/機(jī)油因含雜質(zhì)而變色時(shí)，揮發(fā)后的殘留雜質(zhì)會(huì)附著在金屬粉末顆粒表面，阻礙粉末顆粒間的燒結(jié)聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致粉末間的燒結(jié)開(kāi)裂；同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致