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金刚石(PCD)锯片

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金刚石锯片基体产生裂纹的原因

近几年来由于建筑业的发展,带动了我国建材工业的发展,广阔的市场容量使得对金刚石锯片基体用钢的需求量大大增加。

本文主要从金刚石锯片基体材料缺陷分析金刚石锯片基体产生裂纹的原因以及金刚石锯片基体失效机理。

金刚石锯片基体材料缺陷引起的裂纹

目前金刚石锯片基体用钢以中高碳弹簧钢为主, 中高碳弹簧钢材料中非金属夹杂、组织不均、微裂纹 和表 面缺陷等均可成为疲劳裂纹的可能源区,而促使 锯片基体发生早期失效。中高碳弹簧钢中的非金属夹杂物 、表面缺陷和带状偏析是影响锯片基体使用寿命 的主要因素,由于金刚石锯片基体表面有麻坑、缺陷 或次 表层有密集分布的碳化物粒子或带状偏析,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,这就促使锯片基体过早地发生 疲劳断裂。

1。非金属夹杂物

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Al2O3和TiN等夹杂物。它们对疲劳性 能的 影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、 形状和分布;另一方面受锯片钢基体组织和性质制 约,与 基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不 变形夹杂物的危害。而且,中高碳弹簧钢的强度 水平愈 高,夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。

2.表面缺陷

表面质量问题主要分三类:一是明显的轧制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分划伤翘皮,主要由于轧 钢设备 陈旧、精整设施落后和孔型设计调整不到位引 起的。另外坯料表面修磨不当,产生尖角棱子及凹坑划伤, 经轧制后也易形成折迭缺陷;二是表面裂纹, 它在钢材表面呈纵向连续或断续分布,主要是由于坯 料残存 的裂纹和皮下缺陷引起的,乳制应力及冷却不 当也会产生表面裂纹;三是表面划伤及翘皮,这与工 装条件 及操作不当有关,在打包、运输过程中也会产 生擦伤。它们的存在必然是材料产生失效的起源点,易直接 导致材料断裂。但对于局部较小的凹坑、划 伤、疤皮、麻点等缺陷,人们一般不太重视,它们的 存在有的 虽是标准允许的,不会成为失效的主因,但 它们存在的区域肯定是材料的薄弱部位,在材料整体 塑性不好 时它们也会成为开裂的突破口。由于在失效 时小缺陷已受到破坏或取样时未检验到具体部位,所 以失效分 析中往往忽略了这一因素。

3。带状偏析

在利用连铸生产中高碳弹簧钢时有时会出现负偏 析带(白亮带),负偏析主要是由于电磁搅拌不当或 冷却 过程不稳定造成的。凝固过程中不可避免存在选 分结晶。碳在铁中的偏析系数K值为0。13,由此可计算 出如 碳含量为0。55%左右的钢液开始结晶时的枝晶干上碳含量Cs为0。 0715%;在电磁搅拌的作用下,树枝 晶将被 切断,一部分被切断的枝晶将被溶化,剩余部 分枝晶将被搅拌旋流逐渐旋至中心附近形成晶核,使 部分钢 水先凝固形成负偏析;另一方面,在连铸工艺 中,中心疏松和偏析不可能完全消除,因为连铸坯在 凝固过 程中总存在周期性的树枝晶搭桥现象,在搭桥 处由于优先结晶,也形成负偏析。

负偏析处由于碳含 量较低,在硫印和酸浸低倍试片上呈白亮线条,在热 加工后仍然可能保留下来。由于经 过变形,热加工后 在截面上表现为宽度很窄的白亮条带状。具有带状偏 析的弹簧钢,在淬火加热时,在奥 氏体相区,带状铁 素体的周围碳原子将向内部扩散,但是由于加热保温 时间较短,而且Si、S偏析对碳原 子的阻碍作用,原负 偏析带状铁素体内的碳原子浓度仍低于周围组织的碳 含量。经过淬火后,带状偏析组 织形成含碳量低于周 围的马氏体组织,经过回火后形成碳含量低于周围组 织的白亮带状回火索氏体。

在原材料中存在带状偏析,会严重的影响到金刚 石锯片基体用钢的疲劳寿命。这是因为在循环载荷 下,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,当裂纹在外力作 用下扩 展到一定程度后则锯片基体就会失效。

另一方面,带状偏析导致在加热过程中合金含量低的带内晶粒易于粗化,形成粗大的晶粒;合金含量高的 带内存在大量的细小的合金碳化物,阻碍了晶粒的长大 而获得细小的晶粒。淬火加热时带状铁素体周围的碳原 子向其带内扩散,但由于加热温度不太高,加热时间较短,加上Si源子的阻碍,原铁素体偏聚区的奥氏体与周围的碳原子未能达到均匀,淬火后导致马氏体转变的不同,致使在带间产生大的组织应力。

研究发现,马氏 体相变时的组织应力与晶粒尺寸有密切关系,粗大的晶粒增大了淬火裂纹的倾向;同时,在淬火的过程中,非 金属夹杂物沿晶界偏聚呈带状分布,该类夹杂物质软, 与基体结合强度差,破坏了锯片基体的连续性,导致大 晶粒的晶界弱化和变形协调性较差,致使晶界应力集 中。所以在应力的作用下,脆性相和带状夹杂物成为裂 纹的发源地,促进淬火裂纹形成并迅速扩展,扩展到纵 向中心线附近时,变形受到约束,从而以裂纹的形式释 放应力,诱发淬火裂纹的产生。


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