摘要: 簡介了金剛石工具胎體合金的發(fā)展等狀況；對(duì)胎體合金的作用及影響其“把持力”與“耐磨性”兩個(gè)關(guān)鍵性能的因素作了分析。在此基礎(chǔ)上歸納出胎體合金的特性，并介紹了如何取此特性，用以指導(dǎo)選用與研制胎體合金時(shí)作為參考。

關(guān)鍵詞：胎體合金 把持力 切屑厚度 耐磨性

前言

歷經(jīng)二十多年的發(fā)展，我國金剛石工具的產(chǎn)量，已位居世界第一，但是在開發(fā)高質(zhì)量與高附加值產(chǎn)品等方面，與先進(jìn)國家還有不少的差距。為了早日改變這一局面，人們針對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝與裝備以及使用等環(huán)節(jié)存在的問題，展開了技術(shù)攻關(guān)，并在近年來用于石材、建材市場(chǎng)（如圓鋸片與薄壁鉆）等品種上，己經(jīng)取得并正在取得可喜的進(jìn)展［1］。

胎體合金在金剛石工具中的作用既重要又復(fù)雜，因而倍受關(guān)注。至今已有較多的文獻(xiàn)，論述了添加不同金屬元素（或合金）對(duì)胎體合金機(jī)械物理性能的影響，但大多止步于此。其原因可是缺少作進(jìn)一步實(shí)用性的測(cè)試，或是依文獻(xiàn)［2］所說：“目前金屬胎體的性能表征都還是采用抗彎強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性等指標(biāo)，由于不一定對(duì)應(yīng)工具的實(shí)際使用性能等致”，從而導(dǎo)致此類的研究報(bào)告難以進(jìn)一步闡明，變更胎體合金配方之后對(duì)刀具實(shí)際使用性能的影響。

初期介入金剛石圓鋸片刀具技術(shù)時(shí)，最令筆者感到“迷惑”又覺得它甚具“挑戰(zhàn)性”的，便是其“胎體合金”。它一反質(zhì)量監(jiān)督的“常規(guī)”，允許無需制定與實(shí)施其胎體合金及金剛石材料質(zhì)量的“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”或“企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，便可大量予以生產(chǎn)與使用；此外，為了更好地滿足實(shí)際使用的需求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造者，總是常常忙碌于探試新的胎體合金及金剛石用料的方案。這些問題，不由地令筆者常為之思考并關(guān)切其發(fā)展動(dòng)向?？墒峭现两袢?，似乎還難以順利掌控，只好寄托于通過本文能起到拋磚引玉的作用，而提出如下的幾點(diǎn)初淺看法，不妥之處，還望各位指正。

2.從胎體合金呈現(xiàn)多樣化現(xiàn)象說起

至今已被用作金剛石工具胎體合金的材質(zhì)體系，在熱壓工藝制造的品種上，自上世紀(jì)六十年中日本已采用的銅基、鐵基［3］，到了七、八十年歐美等國普遍發(fā)展為鈷基。此后，為了節(jié)約稀缺資源與降低生產(chǎn)成本，并通過對(duì)鋸片的鋸切力的測(cè)試與研制［4］，我國在量大面廣的圓鋸片刀頭上，便大批量采用了以鐵為主的鐵銅基材料。與此同時(shí)，歐洲一大金剛石制品公司（Boart Longyear），在選擇替代稀缺金屬鈷作為工具粘結(jié)劑時(shí)，曾擬定采用元素性質(zhì)與金屬鈷最相近的鎳、鐵，但后來發(fā)現(xiàn)鎳與鈷一樣，均被列入致癌可疑物的清單中，這就需要在生產(chǎn)與使用上嚴(yán)加控制。因此該公司便大力開拓鐵作為胎體合金的材料。后于1997年曾以當(dāng)今世界金剛石工具跨入“鐵時(shí)代”為標(biāo)題，報(bào)導(dǎo)了他們已有一半的采石與切割制品，采用了“以鐵代鈷”所取得的進(jìn)展，并聲稱“在工業(yè)金剛石業(yè)務(wù)中發(fā)動(dòng)了一場(chǎng)革命” ［5］。

縱觀胎體合金的發(fā)展，還發(fā)現(xiàn)以下有趣的現(xiàn)象：即在制造同一種產(chǎn)品（如1.6米刀頭），加工同一類材料（如某牌號(hào)花崗巖），甚至用于相同的用戶、相同的切機(jī)及加工規(guī)范下，倘若對(duì)不同廠家提供的刀頭胎體組份的進(jìn)行調(diào)查分析，不難發(fā)現(xiàn)如下二個(gè)特點(diǎn)，一是，在選用相同材質(zhì)時(shí)，不同廠家的元素品種大多不盡相同；二是，既使有些廠家選用的元素品種相同，但各自采用的配比（W %），通常也有差異。此外還發(fā)現(xiàn)，有不少的廠家曾歷經(jīng)了由簡到繁（如從鈷—碳化鎢發(fā)展到多達(dá)7-8種元素的復(fù)雜配方），而后有的廠家卻又回歸到僅用二三種元素的趨勢(shì)。

與此同時(shí)還了解到，既使不同廠家采用同一種配方（含元素種類及其配比），由于各廠家所選用的制造工藝參數(shù)以及粉末原材料質(zhì)量的差異（含雜質(zhì)及氧含量、粒度組成、形狀以及是否預(yù)合金化等等），依據(jù)合金性能受到加工工藝制約的原理分析，那么，由各廠制造出來的每一種胎體合金，其各自的機(jī)械物理性能（包括密度、抗彎強(qiáng)度、硬度與韌性等）及其相對(duì)耐磨性，其絕對(duì)值通常也不相同，甚至存在不小的差異。但是，它們卻同樣都被大批量地生產(chǎn)與實(shí)際采用。這表明，這些“多樣化”的胎體合金都具有其特定“性價(jià)比”----即，由它們各自包鑲了不同質(zhì)與量的金剛石及基體而構(gòu)成的刀具，具有相同（或十分相近）的使用適用性。否則，它們便不可能為用戶所連續(xù)接受。

如上所述，如果將這些所研制并批量應(yīng)用的胎體合金，分別授以它們一個(gè)“合金牌號(hào)”（企標(biāo)）的話，那么此類“合金牌號(hào)”的數(shù)量之多，真是琳瑯滿目或可謂“不計(jì)其數(shù)”。

胎體合金為何呈現(xiàn)出如此多樣化的特性，正是本文所關(guān)注的問題之一。

3.胎體合金的作用、性能及其影響因素

3.1胎體合金的作用

金剛石工具能直接承擔(dān)切磨效能的，只是經(jīng)開刃后裸露于表層的金剛石。為了有效發(fā)揮金剛石的利用率，胎體合金必須具備的性能：

一是，要有足夠大的包鑲金剛石的把持力，以確保金剛石受到?jīng)_擊力時(shí)，不使其過早地脫落而失效；

二是，要有適當(dāng)?shù)哪湍バ浴＜雌淠p率總是要適當(dāng)?shù)爻坝诮饎偸哪p，以確保金剛石具有適當(dāng)?shù)摹奥懵丁备叨?，從而形成一個(gè)合適的“容屑空間”。這一空間不僅確保了金剛石切磨的鋒利度，同時(shí)又使得磨損產(chǎn)物能流暢地排出，以此才能保持切磨的狀態(tài)繼續(xù)，直至刀頭壽終。如果胎體的磨損率過大，金剛石被把持的容積過少，金剛石容易脫落而提前失效，導(dǎo)致工具耐用度的急劇降低。

3.2影響胎體合金性能的因素

胎體合金上述兩項(xiàng)的作用也就是其性能，系為確保刀具正常地使用的需求而提出的。既然如此，那么“使用中的工具”，筆者認(rèn)為，應(yīng)視之為一整體的“動(dòng)態(tài)工作系統(tǒng)”，它不僅有胎體合金、金剛石以及承載刀頭的基體而構(gòu)成的工具本身，還應(yīng)包括使用中與之相關(guān)聯(lián)的條件，如切機(jī)及其加工參數(shù)、潤滑條件、被加工的材料等等。由于這些條件不僅相互依存更存在著相互制約的復(fù)雜關(guān)系，因而它們對(duì)胎體合金的這兩項(xiàng)性能均產(chǎn)生了不同程度的影響，茲分述如下。

3.2.1胎體合金包鑲金剛石的把持力

文獻(xiàn)［6］指出，胎體對(duì)金剛石把持力的大小，除了取決胎體合金與金剛石在熱壓時(shí)有可能產(chǎn)生某種程度“冶金化合粘結(jié)力”外，主要取決于合金材料對(duì)金剛石的“機(jī)械包鑲力”。進(jìn)一步研究表明，這一機(jī)械包鑲力與胎體合金的“彈性模量”關(guān)系最為密切，而其他物理力學(xué)性能的影響很小。

測(cè)定金屬合金的“彈性模量”的方法已有標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)踐中基本不用。一方面是由于胎體合金的把持力還取決于難以測(cè)定的“冶金化合粘結(jié)力”等因素，從而令其失去了完整而準(zhǔn)確的意義。而更大的難度還在于對(duì)于某一特定使用場(chǎng)合的工具（如圓鋸片），胎體合金應(yīng)該預(yù)設(shè)多大的把持力，才能滿足實(shí)際使用要求，這是件非常困難的工作。茲說明如下：

基于胎體合金的把持力是為了應(yīng)對(duì)金剛石受到切磨沖擊力的需求，那么在設(shè)定刀具胎體合金前，便得先求出這一沖擊力的大小。研究表明此沖擊力主要受到金剛石切削力的支配，而這一切削力則決定于金剛石切削巖石的厚度。為了求出金剛石切削巖石的厚度，經(jīng)由磨削幾何學(xué)的推導(dǎo)，已獲得金剛石切削巖石的平均厚度 hc的計(jì)算公式［7］：

hc＝［（Vf?Vs -1）?（C?入?ξ）-1?（a p?d s-1）1/ 2］1/ 2

從計(jì)算公式可知，影響hc值大小的因素很多，包括鋸片單位表面上參與切削的金剛石數(shù)量C值（與粒徑與濃度有關(guān)）、切深（a p）、鋸片的轉(zhuǎn)速（Vs）、走刀速度（Vf）以及鋸片直徑（d s）、鋸齒長度與鋸齒間距之比值（入）、系數(shù)ξ（與切屑截面形狀有關(guān)）等等。除此之外，金剛石受力的大小，還與切機(jī)的功率以及被切磨的材料硬度有關(guān)。

判定用于同一使用場(chǎng)合的刀具，在使用中的金剛石受力大小，并不完全在于精確計(jì)算上的困難，而是在于此類鋸片（刀頭）在制造與使用時(shí)，因計(jì)算式中的絕大多參數(shù)并未標(biāo)準(zhǔn)化，因而可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。于是，由這些不同參數(shù)量進(jìn)行排列組合，便演生出很多的參數(shù)組合方案。用這些不同的方案去制造并被使用的刀具，各自的金剛石的受力大小，也便不盡相同，有的甚至有較大的差別。由此可見，用于同一使用場(chǎng)合的刀具，對(duì)胎體合金的把持力的要求并非一個(gè)方便于預(yù)先計(jì)算或設(shè)定的量值。這便是造成胎體合金應(yīng)該設(shè)定具有具備多大的把持力的困難所在，并正是至今尚難以掌握選用與研制胎體合金的基本規(guī)律主要難點(diǎn)之一。

3.2.2胎體合金的耐磨性

胎體合金的磨損并非直接參與切磨巖石而致，主要是受到被切磨下的“巖粉”與冷卻液組成物的“沖刷”而磨損的。文獻(xiàn)［8］詳細(xì)論述了，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)中的摩擦副的磨損有多種方式（如，有磨粒磨損、接觸磨損、沖蝕磨損、高速以及高溫磨損等九種類型），并指出，由于摩擦副的磨損方式不同，對(duì)摩擦副材料的性能要求也不相同。例如，欲增大抵抗“磨粒磨損”的能力，要求合金必須具備高的硬度，以抵抗磨粒的嵌入而減少磨損；而抵抗由沖刷而產(chǎn)生的“沖蝕磨損”時(shí)，起主導(dǎo)作用卻是材料的“韌性”。因?yàn)轫g性高的材料能有效地消耗“巖粉流”的“沖擊功”，既起到抑制系統(tǒng)的溫度的上升，又因其有較好“退讓性”而減少了自身的磨損程度。此外也避免了金剛石受到?jīng)_擊力時(shí)，因胎體產(chǎn)生永久性的塑性變形而產(chǎn)生位移，被逐漸地松動(dòng)而過早地脫落，而導(dǎo)致刀具耐用度的降低。

問題的復(fù)雜化，在于“巖粉流”對(duì)胎體的沖蝕磨損程度，還與切磨產(chǎn)生的巖粉的粗細(xì)及其沖擊力大小與方向等有關(guān)。而影響產(chǎn)生磨損物（巖粉流）這幾種狀態(tài)的因素，又與刀具在切磨過程中決定金剛石“切屑厚度”的各個(gè)因素基本相似。這么一來，使得判定胎體合金的耐磨性，變得同樣的復(fù)雜化。即，影響胎體合金的磨損率的因素，不僅取決自身固有的性能，而且還取決于工具“工作系統(tǒng)”中其他三子項(xiàng)的眾多因素。由此可見，對(duì)胎體合金耐磨性的如上分析，與摩擦磨損學(xué)所揭示的基本規(guī)律是一致的，即，要評(píng)判一組“磨擦組合件的耐磨性”，若不在同一工作條件下（如壓力、相對(duì)滑磨速度及潤滑狀態(tài)等等）進(jìn)行比較的話，其結(jié)果（即耐磨性大?。┦菦]有實(shí)際的比較意義。如同人們?cè)诒容^剎車材料的耐磨性時(shí)，通常以實(shí)用中能夠承受最多的剎車次數(shù)作比較。倘若僅僅取自行車與飛機(jī)的剎車材料承擔(dān)的剎車次數(shù)多少，而脫離了各自的使用工況，于是便會(huì)得出，以橡膠為主的自行車剎車材料其耐磨性高于飛機(jī)剎車材料（如銅基粉末冶金摩擦材料等）的錯(cuò)誤結(jié)論。

由上可見，影響胎體合金耐磨性因素的復(fù)雜性，也便成為選用與研制胎體合金的另一個(gè)主要的難點(diǎn)。

4.胎體合金的特性及其應(yīng)用

4.1通過以上分析，對(duì)胎體合金的特性作如下的歸納：

一是 “相互制約性”。即胎體合金的把持力與耐磨性，固然與其固有的性能相關(guān)，但它們的作用效果并不一致，甚至此長彼消。例如，提高胎體合金的“彈性模量”，可增大對(duì)金剛石的把持力，從而改善了刀具的鋒利度，但與此同時(shí)也會(huì)改變胎體合金的相對(duì)耐磨度。當(dāng)其增幅超過一定的范圍，便會(huì)打破原先兩者之間為兼顧雙方需求的“平衡狀態(tài)”，于是便惡化了刀具的使用性能（如降低了耐用度）。為此，通常又得調(diào)試新的胎體合金（當(dāng)然還可采用其他措施），以使它達(dá)到新的“平衡”，從而確保刀具的正常白使用性能，或得到進(jìn)一步的提高。如此反復(fù)循環(huán)地調(diào)整或研制新的胎體合金，便成為金剛石刀具設(shè)計(jì)制造者的常有任務(wù)。

二是“相互依存性”。決定刀具的整體使用性能的優(yōu)劣，包括其他四大因素，胎體合金、選用的金剛石、刀具的結(jié)構(gòu)及其使用工況條件等，而胎體合金在刀具使用中，只是起到恰如其分的“適應(yīng)性”輔助角色。因此企圖在“靜態(tài)”狀態(tài)下測(cè)定胎體合金自身的性能（如密度、硬度、抗彎強(qiáng)度等）去表征刀具的使用性能，已起不到實(shí)質(zhì)的作用。進(jìn)而言之，對(duì)于只起到間接作用的胎體合金，繼續(xù)延用經(jīng)典金屬學(xué)的原理，“通過研究合金的組分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，以達(dá)到控制與預(yù)測(cè)該合金所具有的各種性能，以便去滿足其實(shí)際使用的要求”，業(yè)已無法解決工具胎體合金的選用與研制實(shí)踐中的矛盾。這或許便是導(dǎo)致，“建立金屬胎體性能的表征及評(píng)價(jià)體系”的研究［2］，至今尚難以獲得突破的結(jié)癥所在。

如上所述，便不難解釋胎體合金所呈現(xiàn)的“多樣化”的原因。即，刀具在制造與使用時(shí)，在選用的金剛石質(zhì)與量、尺寸與結(jié)構(gòu)以及使用時(shí)紅切磨參數(shù)允許有多種選擇，由于這些因素排列組合產(chǎn)生的方案極其繁多，為了使用的匹配性，必然要一一研制出與使用性能相適應(yīng)的胎體合金，這是主導(dǎo)因素。其次是，胎體合金的“熱壓燒結(jié)”合金化，其燒結(jié)動(dòng)力系以“塑性流動(dòng)”機(jī)制為主，其致密化的過程顯得更加強(qiáng)烈而快速，使得熱壓燒結(jié)的合金元素可組成的“合金”的種類，不僅遠(yuǎn)多于“冶煉法”，而且也多于“無壓燒結(jié)法”。這是為胎體合金的多樣化提供了更為充分的條件。

4.2正確掌握胎體合金的特性，用以指導(dǎo)選用與研制胎體合金。

在缺少更為便捷的手段與具有全局指導(dǎo)性原則及方法的情況下，通過業(yè)內(nèi)多年來的實(shí)踐，就如何采用及研制新型胎體合金，業(yè)已摸索出了行之有效的相應(yīng)方法。即，不管是直接選用法（即采用某一優(yōu)秀的胎體配方）或仿制法（即參照相應(yīng)的樣品），都得依據(jù)上述胎體合金的兩項(xiàng)特性而為。即，不僅要詳細(xì)掌握胎體組份、金剛石用料的質(zhì)與量以及制品各工序的加工工藝參數(shù)與相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范，還必須詳細(xì)了解制品的使用適應(yīng)性，包括各項(xiàng)的使用條件（如切機(jī)、加工規(guī)范、被加工材質(zhì)…）以及性價(jià)比等。只能通過實(shí)際檢測(cè)與考核，當(dāng)上述各項(xiàng)要求都一一達(dá)到了，那么直接采用配方及仿制樣品法之成功性便有了保證。

至于自行研制法，則需先通過自行設(shè)定配方小樣試制的篩選，再轉(zhuǎn)入擴(kuò)大試制及試用并逐步加大批量投產(chǎn)等程序，由于過程的檢測(cè)尤其實(shí)際使用考核等工作量大、周期長、人物力投入也大，為此多采用“局部改進(jìn)法”，即僅對(duì)現(xiàn)有較優(yōu)良的胎體配方進(jìn)行改進(jìn)，在每輪試驗(yàn)時(shí)只變更一二個(gè)因素?？紤]到嚴(yán)格保持制品的加工工藝參數(shù)，特別是使用工況重復(fù)性的考核難度較大，既使采用專門設(shè)計(jì)制造的切割試驗(yàn)機(jī)（臺(tái)），進(jìn)行摸擬使用工況的考核，但與實(shí)際使用條件還是有一定的差距，因此多在批量生產(chǎn)過程中進(jìn)行一定量的樣品試制。然后將其分別投放到多個(gè)用戶進(jìn)行實(shí)際使用的考核。若大多數(shù)用戶表現(xiàn)出某種改進(jìn)的效果，則可表明取得了初步成功，并經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)與核實(shí)，便可推廣用于批量生產(chǎn)中。

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