1、石材2 0 2 3 年2 期 1 石 材S H I C A I金刚石工具金刚石锯片齿部裂纹机理分析及防范措施肖红平1，赵 磊2，何成军2（1.三川德青新型建材有限公司，湖北 宜昌 443 0 0 3；2.黑旋风锯业股份有限公司，湖北 宜昌 443 0 0 3）前言从金刚石锯片本身的结构及工作状况可知，金刚石圆锯片的齿距一般是周向等间距分布的，在特定的切深下，必然导致同时工作齿数周期性的变化，锯片的应力也相应变化；而能量消耗的变化也导致热应力的变化，使其整体受力明显具有动力学特征。此外，对每个锯齿而言，刀齿与工件材料的接触是分离逐渐接触切削逐渐分离分离的过程，使锯片局部受力又具有周期特征。因此，
2、锯片的工作状况实际上包含了复杂的周期动载荷、热应力、流体动力（空气流、冷却液流、岩屑流）及热传导过程，锯片的失效过程是这一系列因素综合作用的结果，这些因素都具有随时间而变化的动态特征；锯片的失效实际上是诸多动态因素的时间效应累积的结果，即其应力和变形实质上是多次的重复加载作用的结果。经统计，锯片失效形式大多为齿部区域的裂纹，包含锯齿以及水槽处的裂纹，从锯片旋转方向及切削阻力方向分析，此处弯矩较大，且由于此处开有槽孔，造成应力集中，是锯片基体最易产生实效的区域。因此，本文将从齿部区域失效形式从机理进行分析很探讨。1 齿部裂纹表现形式根据金刚石实际使用情况，齿部裂纹主要表现为掉齿、齿缺、齿部裂纹、
3、水槽裂纹，如图1所示。掉齿和水槽裂纹容易出现在切割过程中，而且集中体现在薄规格金刚石锯片或塔形组合片的小片中。齿缺和齿部裂纹一般在刀头焊接工序产生或者发现，大多发生在厚规格金刚石锯片上。当某锯齿出现掉齿后，相邻齿部由于受冲击力更大，容易造成批量齿部出现问题。（a）掉齿 （b）齿缺 （c）齿部裂纹 （d）水槽裂纹 图 1 齿部裂纹表现形式2 齿部裂纹原因分析按照金刚石锯片生产和使用流程，其原因一般可归结于锯片基体原材料、锯片基体生产工艺、刀头焊接、切割应用四类原因。2.1 金刚石锯片基体原材料原因分析 材质。金刚石锯片基体一般为中高碳钢或合金钢，含有较高的碳元素以及M n、Cr 等合金元素，使其
4、具有较高的强度以及淬透性。其常见材质成分以及焊接碳当量如表1所示。由表1可以看出，上述几种材质的焊接性不佳，作为母材直接进行熔融焊接需要较为严格的预热工艺且极易产生焊接裂纹。因此，除30Cr M o 外，其余材质均不能与刀头直接熔融焊接，一般采用银钎料或者铜钎料作为中间层进行连接。部分厂家为提高金刚石锯片基体的刚性，特意将C、M n、Cr 元素取上限甚至提升至上述范围之上，这将进一步使该材质焊接性以及韧性下降，更易使锯片基体齿部在焊接和使用过程中形成裂纹。同时也会提高其淬透性，使其在焊接刀头时更易形成针状马氏体，导致其变脆。DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0041 2 ST
5、ONE 2 0 2 3 No.2金刚石工具 材料缺陷。目前金刚石锯片基体用钢以中高碳弹簧钢为主，材料中非金属夹杂、带状组织、成分偏析、微裂纹划伤等一些内部组织或表面缺陷均可成为疲劳裂纹的可能源区，这些作为疲劳源从而促进了锯片基体发生疲劳失效，另外由于材料断裂韧性低，折旧促使锯片基体过早地发生疲劳断裂。金刚石锯片基体用钢中非金属夹杂物主要是在冶炼过程中产生的A l2O3和Ti N等夹杂物。对锯片基体产生裂纹的影响取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布，其中与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物危害最大。在原材料中存在带状偏析，会影响到金刚石锯片的疲劳寿命，这是因为在循环载荷下，
6、金刚石锯片基体用钢中的游离带状组织由于强度相对较低，很容易产生疲劳裂纹源，并且在外力作用下裂纹源极容易进一步扩大。2.2 金刚石锯片基体生产原因分析 锯片基体设计。金刚石锯片基体结构的设计以及相关参数也是影响齿部产生裂纹的重要因素。水槽宽度相对于基体厚度过小，在热处理加工过程中就极易在水槽底部产生裂纹或微裂纹。水槽过深或者齿部宽度尺寸过窄都会造成其在切割过程中超过其承受极限在齿部产生裂纹或断齿。另外锯片基体的硬度值取值也是其中重要的因素，既要保证其具有较强的刚性，又不能使硬度值过高变脆，如通过大量使用验证，75Cr 1硬度值在H RC50以上非常容易产生裂纹特别是在应力比较集中的水槽底部或消音
7、缝部位。齿部加工。目前金刚石锯片基体齿部加工方式主要有冲裁、激光切割、等离子切割、线切割等方式，其中冲裁是应用最早也是最为广泛的一种方式。但对于窄水槽和厚规格锯片，在冲裁加工时由于弯曲半径过小或者冲压延伸过大形成微裂纹或者侧壁皱纹等，在后期加工或使用过程中在外力作用下就会进一步放大导致锯片齿部裂纹缺陷。因此，越来越多的厂家大量采用激光切割对金刚石锯片基体齿部进行加工，其具有个性化强、变形小，连续不产生微裂纹等特点。热处理。在锯片基体的生产中，热处理工艺不合理是导致金刚石锯片基体裂纹产生的最主要原因，也是发现裂纹最主要的工序。分析其原因主要表现为氧化与脱碳严重、淬火变形大、过热或过烧、发生回火脆
8、性等。造成热处理裂纹主要是由于加热温度过高、保温时间过长或者冷切介质不当，使得组织中奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体针粗大、内应力和脆性增强，从而形成热处理裂纹，其在金相显微镜下观察一般呈沿晶断裂特征。2.3 刀头焊接原因分析 焊接方式。金刚石锯片刀头焊接方式一般为高频焊接、激光焊接、烧结、火焰钎焊。其中火焰焊接和烧结为最早的焊接方式，但由于其热输入量较大，对锯片基体影响较大，激光焊接主要应用于金刚石工具锯片（30Cr M o 材质），高频焊接是目前应用最为普遍的方式，其采用高频非接触感应加热，焊接材料选用焊片和焊剂，焊接设备采用全自动或半自动焊机，具有焊接效率快，适用于各种金属包括焊接性较差的表
9、 1 金刚石锯片基体常见材质成分及焊接碳当量序号牌号化学成分（质量分数）/%焊接碳当量CE（IIW）CSiM nCraM oV130Cr M o0.270.330.170.370.400.700.8 01.100.150.250.60250M n 2V0.470.550.170.371.401.8 00.300.08 0.160.8 0365M n0.620.700.170.370.901.200.300.8 5470M n Cr0.670.760.170.371.001.200.500.701.05575Cr 10.720.8 00.170.370.600.900.300.600.95石材2
10、 0 2 3 年2 期 3 石 材S H I C A I金刚石工具材质。由于高温高压以及化学焊料的影响，刀头在焊接过程中会产生一系列物理化学反应，对锯片产生一定的影响，如在高温焊接过程中，基体靠近刀头焊接部位会发生组织变化形成硬化层，以及基体与刀头材质不同，膨胀系数不同，可能会产生开裂。焊接工艺。由于刀头焊接过程是一个较为复杂的过程，对锯片基体特别是齿部会产生一定的组织转变和性能影响，因此焊接过程中如何保证焊接质量以及尽可能减少焊接对基体齿部母材的影响至为关键，这也是金刚石锯片齿部产生裂纹最常见的地方。在焊接过程中，如果焊接材料（焊料、焊剂）与基体、刀头不匹配，以及如未按照规定涂覆增强浸润性的
11、焊剂，焊接过程易出现其气孔、焊接不牢等缺陷。同时焊接不规范如刀头焊接部位与齿部错开较大或者刀头与基体未完全连接，此种现象均可能在使用过程该齿承受过大锯切力造成齿部裂纹。一些焊接参数如焊接电流过大、焊接时间过长、自回火参数、未实施齿部间断焊接等均能使焊接部位以及相邻部位温度过高产生晶粒粗大，如果焊接场地环境较为恶劣，其容易接触到水或者强风冷却会生产硬而脆的马氏体极易在焊接或使用过程中形成裂纹。2.4 切割使用原因分析在切割过程中，水槽或齿部不断地受到压应力与拉应力，应力在不断地循环交替之下，基体钢极容易产生反复疲劳，疲劳极易在应力最集中部位造成裂纹，而且其断裂的应力不一定要高于抗拉强度，甚至不用
12、高于屈服强度，裂纹的产生也非常隐蔽。随着疲劳的不断反复，裂纹在应力集中区域不断扩展，甚至造成断裂。锯片基体在切割过程中虽然不直接与切割对象直接接触，但还是会受到碎屑、含有颗粒的水等侵蚀，在复焊刀头时也会对基体特别是齿部产生较大的磨损变薄。因此，在齿部变薄较大时，见图2，不要再强行使用，很容易形成齿部裂纹造成整个锯片失效浪费刀头。在使用过程中，还应注意下刀量、切割速度、以及线速度等切割参数，不要因为受力过大造成裂纹。同时也应尽量保证切削过程中能够充分冷却，避免过热对组织造成影响而开裂。（a）锯片齿部刀头变薄 （b）刀头使用后变薄变大图 2 锯片齿部多次使用后情况3 齿部裂纹防范措施（1）在原材料
13、方面。根据切割对象、切割工艺、刀头焊接方式等要求，选择合适强度、工艺性、焊接性的基体材质；同时基体制造厂家加强对每批钢材的进货检验，防范出现成分波动以及非金属夹杂物含量超标、带状组织等缺陷出现。（2）在金刚石锯片基体设计制造方面。一是金刚石锯片基体设计和选用，锯齿较为集中的小规格锯片采用钥匙槽，同时首次选用锯片“宜厚不宜薄”、“宜小不宜大”，然后再逐步减薄和增加规格；二是严格控制齿部加工工艺，对一些窄水槽、钥匙槽等齿形采用激光切割或等离子切割；三是根据金刚石锯片基体的材质和原始组织、技术要求，结合设备状况等多方面因素正确地选择淬火介质和淬火方法，并定期检测、调整其冷却特性，保证其内在品质。（3）在刀头焊接方面，要选择合适的焊料焊剂，采用合理的焊接温度区间、焊接时间，选择较为干燥的焊接场地；利用自动化焊接设备、交错焊接，如具有自适应回火功能更能避免形成裂纹，同时形成标准以规范操作。（4）在切割使用方面，优先考虑分步切割的塔形组合片，其单片切割深度浅，对其疲劳性要求较低。切割过程选择合理的切割的参数，另外保证有充足的冷切水，切割装备和锯片要按时维护保养。
