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)過程中產(chǎn)生燒結(jié)裂紋的冶金及工藝因素，簡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，并提出了解決問題的措施。

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)類鋸片的實踐生產(chǎn)中，最常見的問題就是燒結(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題，特別是對裂紋產(chǎn)生的原因缺乏足夠的認識，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)。針對這一問題，本文重點探討鋸片燒結(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。

二．燒結(jié)裂紋的原因分析

燒結(jié)裂紋基本可分為疏松開裂、夾渣開裂、脆性收縮開裂及應(yīng)力開裂等幾大類。導(dǎo)致燒結(jié)開裂的因素眾多，主要與金屬粉末質(zhì)量狀態(tài)、制備工藝及裝備有關(guān)。

具體說來，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）、混料機結(jié)構(gòu)（決定混料均勻性及是否對樹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、潤濕劑（液體石蠟、機油質(zhì)量差時，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)合強度或界面間根本不結(jié)合（圖1）；而且，氧化膜的存在會導(dǎo)致低熔點物料的嚴(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)生局部開裂，引發(fā)宏觀裂紋。胎體出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，其對金剛石的潤濕性變差，與金剛石間的縫隙較大（圖3），對金剛石的把持力嚴(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原始供貨狀態(tài)的氧含量高；②儲存氧化；③混料時間過長；燒結(jié)過程中還原氣量不足。

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顆粒，對燒結(jié)胎體質(zhì)量及及金剛石把持力影響最大。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)合強度，同時此類夾雜在低熔點液態(tài)物料在流動擴散過程中流經(jīng)金屬粉末表面時，會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），冷卻收縮時易導(dǎo)致夾渣開裂。

上述粉末氧化及夾渣開裂是實踐生產(chǎn)中最常見的裂紋形式，通常是由于還原鐵粉、磷鐵粉等氧化、夾渣造成的。

2. 低熔點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物料（主要是錫）的分布狀態(tài)及其在燒結(jié)過程中的動態(tài)潤濕及合金化、致密化行為。低熔點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的顆粒聚集團都易導(dǎo)致燒結(jié)過程中的錫偏聚，易導(dǎo)致缺錫區(qū)域中高熔點物料（主要是鐵粉）粉末顆粒間界面結(jié)合強度差而形成的“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，常見于銅、錫含量較高的制品中，尤其是電解銅粉粗顆粒比例過多時，更易發(fā)生。

3. 粗細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 重點關(guān)注的氧含量及雜質(zhì)含量外，其粒度分布對制品的影響也很大，尤其是粗顆粒的比例。粗顆粒偏多，往往會引起“架橋”孔洞數(shù)量偏多（圖7）；同時當(dāng)其與細顆粒的預(yù)合金粉末或-300目以細的鋅粉或羰基鐵/羰基鎳配合應(yīng)用時，也易引起細顆粒粉末的燒結(jié)收縮裂紋（圖8）。這是由于細顆粒粉末的燒結(jié)活性好，燒結(jié)收縮能力強，而與之接鄰的粗顆粒粉末燒結(jié)收縮性較差，導(dǎo)致粗/細粉末顆粒間的燒結(jié)收縮不一致而在粗/細顆粒接觸界面區(qū)域中產(chǎn)生收縮裂紋（圖8）。

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/錫小，燒結(jié)后的冷卻收縮小；而銅、錫在燒結(jié)冷卻后的收縮量較鐵大，尤其是高溫長時間保溫后銅-錫間易形成粗大塊狀金屬間化合物，其冷卻收縮性更強，若鋸片出爐冷卻速度過快，則粗大塊狀金屬間化合物極易開裂，產(chǎn)生收縮斷裂（圖9），尤其是混料不均時，在銅/錫偏聚區(qū)域更易出現(xiàn)此類裂紋，特別是無壓燒結(jié)鋸片。另外，當(dāng)粗顆粒的還原鐵粉與超細鐵粉、羰基鎳粉在一起混用，尤其是在潮濕環(huán)境下進行長時間混料時，亦易出現(xiàn)細顆粒粉末的偏聚，在燒結(jié)過程中粗/細粉末顆粒團間的冷卻收縮能力不同，二者間往往會出現(xiàn)結(jié)合界面分裂而導(dǎo)致裂紋（圖10）。

5. 投料準(zhǔn)確性的影響

配方體系理論密度計算不準(zhǔn)確，投料量不足，在燒結(jié)過程中經(jīng)常會引起疏松裂紋。這種現(xiàn)象常見于中小客戶的制品中，其往往按經(jīng)驗而不是理論密度的準(zhǔn)確計算配料，時常會出現(xiàn)此類裂紋（圖11），同時也會導(dǎo)致胎體疏松，對金剛石的把持力不足（圖12）。

6. 混料均勻性的影響

由于混料不均而導(dǎo)致鋸片開裂是生產(chǎn)中常見的現(xiàn)象，也是往往被容易被忽略且不易查找的開裂原因?；炝喜痪c混料裝置的結(jié)構(gòu)型式、裝料量、粉末粒度搭配、混料時間、粉末吸潮量、潤濕劑的種類/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)長時間攪拌碰撞后，樹枝狀結(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，同時也惡化了冷壓成型性。被打散的銅顆粒在潤濕劑的作用下極易團聚，在冷壓過程中會形成宏觀裂紋或隱藏于內(nèi)部的暗裂紋，在燒結(jié)冷卻過程中形成熱裂紋。

7. 低熔點物料分布的影響

鋸片中的低熔點物料主要為錫和鋅，以錫為主。目前市場供應(yīng)的錫粉和鋅粉中的球狀/類球狀顆粒數(shù)目較多，在混料過程中容易偏聚，尤其是細顆粒的球狀鋅粉，更易團聚偏析。錫粉的偏聚會導(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：一類是細顆粒氧化鋅粉堆聚造成的疏松孔洞開裂（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)致的粉末顆粒團間的間隙開裂（圖14）。

8. 燒結(jié)工藝裝備的影響

在鐘罩爐中生產(chǎn)無壓燒結(jié)鋸片時，由于缺乏壓力作為燒結(jié)合金化的驅(qū)動力，上述各種性質(zhì)的裂紋都會經(jīng)常出現(xiàn)。此時，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，除上述因素外，加熱溫度和壓力的配合及高溫保溫時間對裂紋的形成也有很大影響。在隧道爐中生產(chǎn)時，根據(jù)配方體系的特點，在處于自由燒結(jié)狀態(tài)下的各區(qū)段的保溫溫度及時間對是否產(chǎn)生裂紋影響較大。此外，鋼墊和石墨墊的質(zhì)量狀態(tài)對裂紋的產(chǎn)生也有影響，使用時間長、表面氧化膜厚的鋼墊易導(dǎo)致開裂；而石墨墊的開裂傾向相對減少，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)過程中殘余應(yīng)力會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，也會引發(fā)燒結(jié)胎體的局部開裂，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 呈周向開裂。

10. 潤濕劑的影響

最常用的潤濕劑為無色透明的液態(tài)石蠟，也有廠家采用機油等。若石蠟/機油因含雜質(zhì)而變色時，揮發(fā)后的殘留雜質(zhì)會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)開裂；同時，也會導(dǎo)致與金剛石表面接觸處的胎體產(chǎn)生疏松蜂窩孔（圖15），金剛石脫落坑內(nèi)壁呈局部區(qū)域呈暗黃或灰暗顏色，影響胎體對金剛石的潤濕性，降低胎體對金剛石的把持力，惡化鋸片的使用性能，易發(fā)生切割打火、燒片等現(xiàn)象，鋒利度和使用壽命均受影響。而由此原因所導(dǎo)致的問題，往往易被忽略，難以判斷尋查。

11. 基體潔凈狀態(tài)的影響

基體圓周齒牙表面附有油污雜質(zhì)或鍍銅齒牙表面氧化時，易在齒根部產(chǎn)生裂紋。揮發(fā)后的油污殘存雜質(zhì)會阻礙胎體與基體間的燒結(jié)結(jié)合而導(dǎo)致開裂。齒牙鍍銅層表面發(fā)生氧化時，氧化膜會隔斷基體與胎體間的燒結(jié)連接，胎體燒結(jié)界面呈平滑板狀（圖16）。

（二）預(yù)合金粉末體系

由于預(yù)合金粉末的燒結(jié)活性及燒結(jié)強度高，與其它單質(zhì)金屬粉末間的燒結(jié)相容性好，因而在胎體中含有一定比例的預(yù)合金粉末時，胎體的抗裂性能會得到極大改善，在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋的傾向大幅度降低。預(yù)合金胎體中出現(xiàn)裂紋往往是因粉末氧化、粗細粒度搭配不合理及預(yù)合金與單質(zhì)粉末間的冷卻收縮差異大等因素所導(dǎo)致。

1.粉末氧化的影響

單質(zhì)金屬粉末相比，預(yù)合金粉末的粒度普遍較細，比表面積大，活性高，包裝拆封后擱置時間長、在混料罐中混合時間過長或燒結(jié)時的還原氣量不足（尤其是在鐘罩爐中無壓燒結(jié)鋸片時），均易氧化。氧化預(yù)合金粉末偏聚的局部區(qū)域易形成松散的顆粒團，在胎體內(nèi)部形成許多疏松孔隙，易形成裂紋（圖17）；同時也惡化了胎體對金剛石的潤濕性能，在其與金剛石接觸面處亦存在很多疏松孔洞（圖18），降低了胎體對金剛石的把持力。

2.粒度搭配的影響

目前，預(yù)合金粉末在鋸片中的應(yīng)用比例通常為20～45%，其余仍未單質(zhì)金屬粉末。霧化預(yù)合金粉末的粒度D50值大致為15～22，細粒度的D10值通常＜10，粗粒度的D97值約在30左右；而常規(guī)-200/-300目鐵粉的D50值大致為35～50，D10值通常＜22，D97值通常為60～70，而電解銅粉的粒度則更粗。因此，預(yù)合金粉末在與單質(zhì)的鐵、銅粉混配應(yīng)用時，其粒度差異較大，細顆粒的預(yù)合金粉末易偏聚，其在加熱過程中的燒結(jié)行為不一致，預(yù)合金粉末顆粒團更易致密收縮，而單質(zhì)粉末則相對滯后，二者間易形成收縮開裂（圖19）。無壓燒結(jié)時，此種開裂傾向較大，而熱壓燒結(jié)時，此種開裂傾向可減少，胎體對金剛石的包鑲緊密程度尚可（圖20），但當(dāng)裂紋存在于胎體與金剛石間的接觸面區(qū)域時，在鋸片切割過程中裂紋會失穩(wěn)擴展，降低胎體對金剛石的把持力，金剛石易過早脫落失效。

3.胎體組分間冷卻收縮差異的影響

不含錫的鐵-銅類霧化預(yù)合金粉末的燒結(jié)收縮性小，其燒結(jié)體的抗彎強度高，在與單質(zhì)粉末混配燒結(jié)時的裂紋傾向??；而含錫預(yù)合金粉末的燒結(jié)后的冷卻收縮性強，與單質(zhì)粉末混合燒結(jié)時二者間的燒結(jié)后的冷卻收縮性差異大，易產(chǎn)生裂紋（圖21）。當(dāng)胎體組分中含有一定比例的細顆粒磷鐵粉時，其與細顆粒預(yù)合金粉末也易團聚一起，出現(xiàn)未燒結(jié)裂隙（圖22）。

綜上所述，引起燒結(jié)鋸片裂紋的因素眾多，這些因素間可單獨或聯(lián)合影響胎體的燒結(jié)質(zhì)量，出現(xiàn)宏觀裂紋的制品可被直觀分選剔除，但埋于胎體內(nèi)部的隱含裂紋則可對鋸片使用的安全性帶來隱患，并直接影響著胎體對金剛石的把持能力，進而影響鋸片的使用性能。

三．改善燒結(jié)裂紋的措施

無論是單質(zhì)金屬粉末體系還是預(yù)合金粉末體系，預(yù)防鋸片燒結(jié)裂紋的產(chǎn)生均需從源頭（材料選擇）、過程（制備工藝）、節(jié)點（關(guān)鍵工藝參數(shù)）等幾個方面進行調(diào)控：

1．原材料選擇

主要控制粉末原材料的氧含量、雜質(zhì)含量及松裝密度，尤其是鐵粉質(zhì)量。粉末的質(zhì)量狀態(tài)取決于供貨廠商，各廠商應(yīng)根據(jù)超硬材料制品行業(yè)的粉末需求特性控制產(chǎn)品質(zhì)量，力求以質(zhì)取勝，避免惡性價格戰(zhàn)。

2. 粉末粒度搭配

根據(jù)鋸片的種類、結(jié)構(gòu)型式及工藝裝備，在保證冷壓成型性的同時，還要認真考慮粒度分布對胎體燒結(jié)質(zhì)量的影響，選擇合適的粒度搭配。例如，為追求鋒利度，很多廠家在生產(chǎn)無壓燒結(jié)鋸片時采用粗粒度粉末搭配，以在胎體中形成燒結(jié)收縮微孔，弱化胎體的磨損性，以利于促進金剛石出刃。但若配方體系中加有鋅粉、磷鐵粉時，則亦應(yīng)選擇粒度偏粗的粉末，以避免粗細粉末搭配不適所引發(fā)的裂紋。而加壓燒結(jié)鋸片則更側(cè)重于胎體對金剛石的把持力，則在粉末粒度搭配的選擇上應(yīng)以細顆粒粉末組合為主。

3. 混料均勻性

混料均勻性是保證鋸片胎體組織均勻的重要基礎(chǔ)，其與混料裝置型式、裝料量、粉末的粒度結(jié)構(gòu)、干混程度、潤濕劑的添加量及添加時機、混料時間等許多關(guān)聯(lián)因素有關(guān)，看似簡單的工序，但對胎體的燒結(jié)質(zhì)量影響重大。廠家應(yīng)根據(jù)配方體系、粉末特點來來調(diào)整合適的混料工藝，以確?；炝暇鶆颍纱蠓冉档蜔Y(jié)開裂。

4. 投料準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確計算配方體系的理論密度，是保證投料準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。 投料準(zhǔn)確，才能保證燒結(jié)密度，改善開裂傾向。不經(jīng)計算，僅憑經(jīng)驗投料，是在中小廠家中常見的現(xiàn)象，也極易出現(xiàn)問題。

5. 低熔點物料分布均勻性

低熔點物料在燒結(jié)過程中的分布均勻性，不僅僅取決于燒結(jié)前的混料均勻性，還取決于配方體系中各物料間的燒結(jié)特性及其與低熔點物質(zhì)間的作用性質(zhì)及程度。這需要根據(jù)產(chǎn)品及工藝裝備特點，在配方設(shè)計時就應(yīng)充分考慮，從設(shè)計及工藝方面進行合理兼顧。低熔點物料分布均勻，則可極大降低鋸片的開裂傾向。 

6. 燒結(jié)工藝曲線的設(shè)定控制

無論采用鐘罩爐還是隧道爐，在無壓/加壓條件下，均應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式、配方特點來設(shè)定合適的燒結(jié)工藝曲線，尤其是溫度-壓力曲線的配合，對保證胎體的燒結(jié)致密度，避免燒結(jié)開裂具有重要意義。隧道爐調(diào)整溫度曲線較慢，適合于固定工藝燒結(jié)，則應(yīng)在配方設(shè)計及材料選擇時進行調(diào)整，以適合燒結(jié)設(shè)備的要求。而鐘罩爐燒結(jié)則具有極大的工藝調(diào)整靈活性，可根據(jù)產(chǎn)品特點來靈活設(shè)計工藝曲線，以保證燒結(jié)胎體質(zhì)量，避免燒結(jié)開裂。

四．結(jié)束語

鋸片燒結(jié)開裂是生產(chǎn)中的常見問題，常常產(chǎn)生批量損失，影響正常生產(chǎn)。更為重要的是，由于導(dǎo)致燒結(jié)裂紋的因素多，相互間的影響復(fù)雜，出現(xiàn)此類問題時，生產(chǎn)廠家往往難于查明原因，無法從根本上解決問題，困擾生產(chǎn)。了解裂紋產(chǎn)生的原因及解決方法，不僅僅有利于避免燒結(jié)開裂所帶來的損失，更有利于深入認識鋸片生產(chǎn)的燒結(jié)機制及影響因素，對進一步穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)計開發(fā)能力，具有重要的促進作用。