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

關鍵詞：胎體合金 把持力 切屑厚度 耐磨性

前言

歷經二十多年的發展，我國金剛石工具的產量，已位居世界第一，但是在開發高質量與高附加值產品等方面，與先進國家還有不少的差距。為了早日改變這一局面，人們針對產品的設計、制造工藝與裝備以及使用等環節存在的問題，展開了技術攻關，并在近年來用于石材、建材市場（如圓鋸片與薄壁鉆）等品種上，己經取得并正在取得可喜的進展［1］。

胎體合金在金剛石工具中的作用既重要又復雜，因而倍受關注。至今已有較多的文獻，論述了添加不同金屬元素（或合金）對胎體合金機械物理性能的影響，但大多止步于此。其原因可是缺少作進一步實用性的測試，或是依文獻［2］所說：“目前金屬胎體的性能表征都還是采用抗彎強度、硬度、沖擊韌性等指標，由于不一定對應工具的實際使用性能等致”，從而導致此類的研究報告難以進一步闡明，變更胎體合金配方之后對刀具實際使用性能的影響。

初期介入金剛石圓鋸片刀具技術時，最令筆者感到“迷惑”又覺得它甚具“挑戰性”的，便是其“胎體合金”。它一反質量監督的“常規”，允許無需制定與實施其胎體合金及金剛石材料質量的“行業標準”或“企業標準”，便可大量予以生產與使用；此外，為了更好地滿足實際使用的需求，產品設計制造者，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切其發展動向?？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，而提出如下的幾點初淺看法，不妥之處，還望各位指正。

2.從胎體合金呈現多樣化現象說起

至今已被用作金剛石工具胎體合金的材質體系，在熱壓工藝制造的品種上，自上世紀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展為鈷基。此后，為了節約稀缺資源與降低生產成本，并通過對鋸片的鋸切力的測試與研制［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，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劑時，曾擬定采用元素性質與金屬鈷最相近的鎳、鐵，但后來發現鎳與鈷一樣，均被列入致癌可疑物的清單中，這就需要在生產與使用上嚴加控制。因此該公司便大力開拓鐵作為胎體合金的材料。后于1997年曾以當今世界金剛石工具跨入“鐵時代”為標題，報導了他們已有一半的采石與切割制品，采用了“以鐵代鈷”所取得的進展，并聲稱“在工業金剛石業務中發動了一場革命” ［5］。

縱觀胎體合金的發展，還發現以下有趣的現象：即在制造同一種產品（如1.6米刀頭），加工同一類材料（如某牌號花崗巖），甚至用于相同的用戶、相同的切機及加工規范下，倘若對不同廠家提供的刀頭胎體組份的進行調查分析，不難發現如下二個特點，一是，在選用相同材質時，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。此外還發現，有不少的廠家曾歷經了由簡到繁（如從鈷—碳化鎢發展到多達7-8種元素的復雜配方），而后有的廠家卻又回歸到僅用二三種元素的趨勢。

與此同時還了解到，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以及粉末原材料質量的差異（含雜質及氧含量、粒度組成、形狀以及是否預合金化等等），依據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，其各自的機械物理性能（包括密度、抗彎強度、硬度與韌性等）及其相對耐磨性，其絕對值通常也不相同，甚至存在不小的差異。但是，它們卻同樣都被大批量地生產與實際采用。這表明，這些“多樣化”的胎體合金都具有其特定“性價比”----即，由它們各自包鑲了不同質與量的金剛石及基體而構成的刀具，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接受。

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

胎體合金為何呈現出如此多樣化的特性，正是本文所關注的問題之一。

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切磨效能的，只是經開刃后裸露于表層的金剛石。為了有效發揮金剛石的利用率，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，以確保金剛石受到沖擊力時，不使其過早地脫落而失效；

二是，要有適當的耐磨性。即其磨損率總是要適當地超前于金剛石的磨損，以確保金剛石具有適當的“裸露”高度，從而形成一個合適的“容屑空間”。這一空間不僅確保了金剛石切磨的鋒利度，同時又使得磨損產物能流暢地排出，以此才能保持切磨的狀態繼續，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”，筆者認為，應視之為一整體的“動態工作系統”，它不僅有胎體合金、金剛石以及承載刀頭的基體而構成的工具本身，還應包括使用中與之相關聯的條件，如切機及其加工參數、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雜關系，因而它們對胎體合金的這兩項性能均產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［6］指出，胎體對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有可能產生某種程度“冶金化合粘結力”外，主要取決于合金材料對金剛石的“機械包鑲力”。進一步研究表明，這一機械包鑲力與胎體合金的“彈性模量”關系最為密切，而其他物理力學性能的影響很小。

測定金屬合金的“彈性模量”的方法已有標準，但在實踐中基本不用。一方面是由于胎體合金的把持力還取決于難以測定的“冶金化合粘結力”等因素，從而令其失去了完整而準確的意義。而更大的難度還在于對于某一特定使用場合的工具（如圓鋸片），胎體合金應該預設多大的把持力，才能滿足實際使用要求，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對金剛石受到切磨沖擊力的需求，那么在設定刀具胎體合金前，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，經由磨削幾何學的推導，已獲得金剛石切削巖石的平均厚度 hc的計算公式［7］：

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

從計算公式可知，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量C值（與粒徑與濃度有關）、切深（a p）、鋸片的轉速（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ξ（與切屑截面形狀有關）等等。除此之外，金剛石受力的大小，還與切機的功率以及被切磨的材料硬度有關。

判定用于同一使用場合的刀具，在使用中的金剛石受力大小，并不完全在于精確計算上的困難，而是在于此類鋸片（刀頭）在制造與使用時，因計算式中的絕大多參數并未標準化，因而可在一定范圍內變動。于是，由這些不同參數量進行排列組合，便演生出很多的參數組合方案。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，用于同一使用場合的刀具，對胎體合金的把持力的要求并非一個方便于預先計算或設定的量值。這便是造成胎體合金應該設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律主要難點之一。

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［8］詳細論述了，導致運動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；而抵抗由沖刷而產生的“沖蝕磨損”時，起主導作用卻是材料的“韌性”。因為韌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沖擊力時，因胎體產生永久性的塑性變形而產生位移，被逐漸地松動而過早地脫落，而導致刀具耐用度的降低。

問題的復雜化，在于“巖粉流”對胎體的沖蝕磨損程度，還與切磨產生的巖粉的粗細及其沖擊力大小與方向等有關。而影響產生磨損物（巖粉流）這幾種狀態的因素，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”中其他三子項的眾多因素。由此可見，對胎體合金耐磨性的如上分析，與摩擦磨損學所揭示的基本規律是一致的，即，要評判一組“磨擦組合件的耐磨性”，若不在同一工作條件下（如壓力、相對滑磨速度及潤滑狀態等等）進行比較的話，其結果（即耐磨性大?。┦菦]有實際的比較意義。如同人們在比較剎車材料的耐磨性時，通常以實用中能夠承受最多的剎車次數作比較。倘若僅僅取自行車與飛機的剎車材料承擔的剎車次數多少，而脫離了各自的使用工況，于是便會得出，以橡膠為主的自行車剎車材料其耐磨性高于飛機剎車材料（如銅基粉末冶金摩擦材料等）的錯誤結論。

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

4.胎體合金的特性及其應用

4.1通過以上分析，對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，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”，可增大對金剛石的把持力，從而改善了刀具的鋒利度，但與此同時也會改變胎體合金的相對耐磨度。當其增幅超過一定的范圍，便會打破原先兩者之間為兼顧雙方需求的“平衡狀態”，于是便惡化了刀具的使用性能（如降低了耐用度）。為此，通常又得調試新的胎體合金（當然還可采用其他措施），以使它達到新的“平衡”，從而確保刀具的正常白使用性能，或得到進一步的提高。如此反復循環地調整或研制新的胎體合金，便成為金剛石刀具設計制造者的常有任務。

二是“相互依存性”。決定刀具的整體使用性能的優劣，包括其他四大因素，胎體合金、選用的金剛石、刀具的結構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“適應性”輔助角色。因此企圖在“靜態”狀態下測定胎體合金自身的性能（如密度、硬度、抗彎強度等）去表征刀具的使用性能，已起不到實質的作用。進而言之，對于只起到間接作用的胎體合金，繼續延用經典金屬學的原理，“通過研究合金的組分、組織結構和性能之間的內在聯系，以達到控制與預測該合金所具有的各種性能，以便去滿足其實際使用的要求”，業已無法解決工具胎體合金的選用與研制實踐中的矛盾。這或許便是導致，“建立金屬胎體性能的表征及評價體系”的研究［2］，至今尚難以獲得突破的結癥所在。

如上所述，便不難解釋胎體合金所呈現的“多樣化”的原因。即，刀具在制造與使用時，在選用的金剛石質與量、尺寸與結構以及使用時紅切磨參數允許有多種選擇，由于這些因素排列組合產生的方案極其繁多，為了使用的匹配性，必然要一一研制出與使用性能相適應的胎體合金，這是主導因素。其次是，胎體合金的“熱壓燒結”合金化，其燒結動力系以“塑性流動”機制為主，其致密化的過程顯得更加強烈而快速，使得熱壓燒結的合金元素可組成的“合金”的種類，不僅遠多于“冶煉法”，而且也多于“無壓燒結法”。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性原則及方法的情況下，通過業內多年來的實踐，就如何采用及研制新型胎體合金，業已摸索出了行之有效的相應方法。即，不管是直接選用法（即采用某一優秀的胎體配方）或仿制法（即參照相應的樣品），都得依據上述胎體合金的兩項特性而為。即，不僅要詳細掌握胎體組份、金剛石用料的質與量以及制品各工序的加工工藝參數與相應的質量檢測規范，還必須詳細了解制品的使用適應性，包括各項的使用條件（如切機、加工規范、被加工材質…）以及性價比等。只能通過實際檢測與考核，當上述各項要求都一一達到了，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，則需先通過自行設定配方小樣試制的篩選，再轉入擴大試制及試用并逐步加大批量投產等程序，由于過程的檢測尤其實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“局部改進法”，即僅對現有較優良的胎體配方進行改進，在每輪試驗時只變更一二個因素?？紤]到嚴格保持制品的加工工藝參數，特別是使用工況重復性的考核難度較大，既使采用專門設計制造的切割試驗機（臺），進行摸擬使用工況的考核，但與實際使用條件還是有一定的差距，因此多在批量生產過程中進行一定量的樣品試制。然后將其分別投放到多個用戶進行實際使用的考核。若大多數用戶表現出某種改進的效果，則可表明取得了初步成功，并經重復試驗與核實，便可推廣用于批量生產中。

參考文獻：

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5. Diamond tools enter iron age. ［J］Metal Powder Report.Vol.52.12. Dec. 1997, 

6. 羅錫裕 等.金剛石工具性能的研究與啟示.第四屆鄭州超硬材料及制品國際研討會論文集. 鄭州 2003 

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