CN105121081A - 锯珠以及用于制作锯珠的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过激光熔覆而制作锯珠的方法，由此金属基体粉末通过激光束而在旋转套筒上被熔化，同时金刚石被投掷在熔融的金属池中。通过小心地控制熔融金属池的温度处于或高于1150℃少于200ms，金刚石的内部石墨化可以被限制。虽然在锯珠中的金刚石中的一些金刚石显现了内部石墨化，发明人展示了使用由该方法获得的珠的锯线具有高于标准的锯性能。

Description

锯珠以及用于制作锯珠的方法

技术领域

本发明涉及用于锯自然的或人造的石材或材料的锯线上使用的锯珠的制造。进一步地，本发明涉及因而获得的锯珠以及配备有这样的珠的锯线。

背景技术

锯线被越来越多地使用以将成块的石材锯成板以用于建筑或家庭内部使用。被锯的材料的类型已经稳步增加，从诸如大理石之类的较软的变质岩到像花岗石之类的极硬火成岩(在其形形色色的硬度和原产地)。在使用锯线的锯机中，该线在至少两个滑轮之间被张紧，其中的至少一个滑轮被驱动而同时该线被推动穿过石材。“锯切丝”或者“锯丝”多次被用作“锯切线”的可替换术语，但在该申请中后者是优选的，因为其鉴别了该产品与基于单丝的其它锯切工具的区别。线已知是复丝的。

虽然最初锯线的单个环被用来将石块从采石场取出，现在则已经设计出复环切块机驱动高至80个独立的环。这样的环长度为从15到30米并且每米携载35到40之间的珠，所以每个环存在525到1200之间的珠。目前，这些珠经由粉末冶金法被制作(已经在于1952年递交的US2,679,839中进行了描述)。

在该过程中，环形研磨元件由金刚石磨粒制成，该金刚石磨粒与金属粉末和可选的有机蜡充分混合以用于形成糊料。金属粉末的混合物通常包含诸如钴、钨、铁、镍之类的高熔化温度组分，有时与诸如铜、锡、银之类的低熔化温度组分相组合以用来改进固结。可能可以添加诸如钨、磷或碳化钨之类的元素或化合物以影响珠的硬度和磨损。该混合物被带到模具中。该预成型件通过施加温度和可能的压力(通过在模具中冲压或通过浸没在高压流体中施加等静压)而被烧结成高密度珠。合适的气体被施加以便于防止粉末在烧结期间氧化。

制造者将保持时间和温度的组合低于一定限度以防止对金刚石颗粒造成损害。金刚石在于空气中暴露到高于大约700℃的温度并且在惰性气体或真空中暴露到高于大约1200℃的温度时趋于石墨化(变成石墨)。该石墨化从金刚石的外部开始并且导致变暗的、不透明的金刚石。烧结的金属粉末的产生的金相示出了与低熔点合金保持在一起的球状区域的汞合金。

在烧结之后，环形研磨元件通过钎焊被安装在金属套筒上因而形成锯珠。在热等静压的情况下，环形研磨元件被直接结合到套筒并且不需要钎焊。珠被穿到钢线上并且随后聚合物在珠之间被注射成型以将它们保持就位并且保护该钢线使其免受环境影响。

锯线已经围绕两种尺寸被标准化：

·针对采石和繁重作业，使用具有9至11mm的初始外直径的珠。钢线具有4.95mm的直径。套筒是11mm长并且具有7mm的外直径。

·针对切块机，7.2mm的初始外珠尺寸是标准的。钢线具有3.5至3.6mm的直径。套筒的外直径是5.0mm并且长度是11mm。目前用于切块的衡量标准在于，在A类花岗石上每米锯线可以切割10平方米的石料。

存在向更小尺寸发展的趋势：考虑外直径是3.0mm或甚至是2.5mm的珠。因为更少的材料被损失，较小的珠尺寸导致每次切割从石块中切出更多石板。另一趋势是在每米锯线中具有更多但更短的珠。更多的珠导致在该线上更好的力分布、更好的切屑疏散以及改进的锯线寿命。

最近，制造珠的新颖方式通过激光熔覆正在被探索。通过激光熔覆来制造锯珠的第一个提议在WO2002/06553A2中被公布。在其之中描述了使用激光熔覆枪以产生锯珠的一般想法，但该公开并未给出要使用什么材料以及过程和获得的珠的特性的更详尽细节的指导。此外，研磨层在实心杆上产生，该实心杆进一步必须在车床上被旋转及钻孔以获得最终的珠，导致成本和操纵增加。

其结果是难以在具有不超过1克质量的微小的金属套筒上直接产生研磨层。在最近的公开WO2012/119946和WO2012/119947中，其发明人已经努力找出方法来克服与这样的沉积相关联的热问题并且发现从其中产生的珠的有利特性。会遭遇的主要问题之一是在研磨层在没有热沉的套筒上的沉积期间的热平衡。如果热输入过高，套筒熔化和/或金刚石受损。如果输入过低，涂层是多孔的和/或工艺是不经济的。

通常，利用包含涂层的金刚石的激光熔覆被施加在具有大型热沉的基底上：诸如数公斤重的泵转子、涡轮叶片等的大规模基底，其中过度的热量易于向着该基底的内部被排出。例如，在US2008/0131620中描述了用于向制造品施加耐磨涂层的工艺，其中温度被保持在400℃与900℃之间并结合有该工艺的快速冷却，其明确的目标是防止金刚石的分解。

与耐磨涂层相对的，锯珠的研磨层必须以金刚石在锯过程中被磨损的相同速度被磨掉。如果基体磨损得过快，磨料颗粒将被移去而没被充分使用，导致过早的工具失效。相反，如果基体过于耐磨，磨料颗粒将不会充分伸出以用于锯，导致过于慢速的锯。

在以下，用于制作锯珠的改进方法与从其中产生的锯珠以及与其一起制作的锯线的特性一起被揭示。

发明内容

本发明的主要目的是改进制作锯珠的现有技术，更特定地是激光熔覆锯珠，其中以低金刚石降解的激光熔覆的最佳条件被寻求。因此，本发明的目的是限定工艺窗口，其中可以制作表现良好的珠而不对工艺的经济性做出妥协。进一步的锯珠被限定为可显现一些金刚石损害但不足以负面地影响性能。本发明的另一目的是提供锯线，其包括通过激光熔覆制作的珠，这些珠与通过粉末冶金法所获得的珠在锯切性能方面一样好或更好。

根据本发明的第一方面，根据权利要求1的特征呈现了一种用于生产锯珠的方法。该锯珠包括金属套筒以及直接被附着到该金属套筒的研磨层。该研磨层包括被嵌入金属基体材料中的金刚石颗粒。该方法包括以下步骤：

·提供被制作为轴向旋转的金属套筒；

·以气体流中携载的粉末形式提供金属基体材料的供应；

·提供金刚石颗粒的供应；

·以激光束的形式点燃能量源；

其中激光束熔化在金属套筒上的粉末金属基体材料，即，金属基体材料粉末温度必须被带到高于其液相线温度。从而，熔融金属池被形成，其中金刚石颗粒被投掷。

关于该方法的特性在于熔融金属池的温度被保持处于或高于1150℃少于200ms。这用来减小、降低或限制所述金刚石颗粒的内部石墨化。内部石墨化的出现并未被防止。金刚石的一些内部石墨化的出现的结果甚至对于珠的锯切性能而言是有利的。附加地，熔融金属池的1150℃的温度应当达到以保持至少一些时间，例如10ms或甚至20ms，从而达到研磨层的完全固结并且形成研磨层与金属套筒之间的合金层。熔融金属池的温度甚至可以达到1200℃的温度以保持小于100ms但多于5或10ms。在极限中，熔融金属池的温度可以达到1250℃的温度以保持小于50ms但多于5ms。高于1300℃，金刚石的内部石墨化立即发生并且金刚石极大地降解。

作为金属套筒，围绕钢线配合的任何种类的金属短管可以被使用。给定完成珠的大小，套筒的尺寸是微小的：壁厚度小于1mm并且长度短于11mm，具有小于7mm的外直径。套筒具有小于1克的质量。用于套筒的材料具有高于或等于金属基体材料的液相线温度的固相线温度，否则该套筒在金属基体材料被沉积时将开始熔化。

固相线温度是在该处金属或合金在从热均衡中的熔融物冷却时变成完全固体的温度。液相线温度是在该处金属或合金在从热均衡中的固体加热时变成完全液体的温度。

由于钢基的强度和耐温性，优选的套筒类型是钢基的。优选的组分是钢包括高至0.8wt％的碳、少于0.5wt％的硅，并且该群组中的一个或多个金属包括镍、锰、钼、铬、铜，其余为铁。

可能的是，套筒可以被制作为两个围绕钢线被焊接在一起的半边，如在本申请人的WO2011/061166A1中所提出的(更特定的是，段落[0016]至[0018])。

特定优选的是，套筒通过金属注射成型而被制作，如在本申请人的申请PCT/EP2013/073905中所描述的。这样的过程允许较大程度的自由以成形套筒的内部分。此外，这样的套筒示出了有利的表面粗糙度，以用于将激光简单地耦合到套筒材料中。

针对金属套筒的金属注射成型的优选组分是：

·铁镍钢(小于0.2wt％的C；1.9至8.0wt％的Ni；其余的是铁)，

·不锈钢，诸如奥氏体316L(C≤0.03wt％；16-18wt％的Cr；10-14wt％的Ni；Mn≤2％；2-3wt％的Mo；Si≤1wt％；其余的是铁)。

·沉淀硬化钢17-4PH(C≤0.07wt％；15-17.5wt％的Cr；3-5wt％的Ni；3-5wt％的Cu；0.15-0.45wt％的Nb；Mn≤1wt％；Si≤1.15wt％；其余的是铁)。

·304L(C≤0.08wt％；18-20wt％的Cr；8-10.5wt％的Ni；剩余的是铁)。

存在许多已知的适合用于激光熔覆的金属基体材料的合金。给定由磨料颗粒施加的约束，具有在400℃与1100℃之间的液相线温度的合金是更加优选的。这些合金包括银、铜、镍或钴作为主要合金元素。附加地，可以加入诸如锡、锌或者甚至铟之类的熔化温度降低元素。在镍的情况下，像磷、硅或硼之类的非金属可以被用来降低液相线温度。

特别优选的是钎焊(铜和锌作为主元素)和铜焊(铜和锡作为主要元素)，后者最为优选。其它优选的合金是镍基的，诸如Ni-Cr-P、Ni-Cr-Fe-Si-B或者Ni-Cr-Si-Mn。这些合金给出了在磨料使用与基体磨损之间的良好平衡。如果基体磨损得过快，磨料颗粒将被移去而没被充分使用，导致过早的工具磨损。相反，如果基体过于耐磨，磨料颗粒将不会充分伸出以用于切割，导致过慢的锯速度。

最优选的是包含诸如铬、钛、钒、钨、锆、铌、钼、钽、铪或它们的组合的附加活性金属的合金。更优选的是其中的铬、锆、钒或钛，后者是最优选的，因为其具有最低的熔点。这些金属以两种方式是活性的：

·它们已知在沉积期间用来改进磨料颗粒的湿润；以及

·与含碳磨料结合工作良好的是碳化物形成物。

当在金属基体材料中不存在活性金属时，磨料颗粒将不易湿润到熔融金属。这甚至会导致磨料颗粒在它们撞击金属池时在熔融金属池的弯液面上的“反弹”。

最优选的钎焊包含5至30wt％之间的Sn、0.5至15wt％之间的Ti、剩余的是铜。利用包含10至20wt％之间的Sn、2至10wt％之间的Ti、剩余的是铜的钎焊获得最佳结果。一种示例是包含13％的Sn、9％的Ti、剩余的是铜的合金，所有均以总量的重量百分比表达。这样的合金在大约972至974℃处完全融化(液相)。

进一步的观察在于每单位质量的熔化焓(即，将金属粉末的一克从完全固体熔化到全部液体所需的热量)取决于粉末颗粒的大小：颗粒的大小越小，用来熔化它们所需的能量越小。因此，优选的是具有小于100μm大小的颗粒的金属粉末，具有小于75μm、或低于50μm或低于20μm大小的颗粒甚至更好。

通过取决于诸如形态、湿度、大小和其它性质的特定粉末性质的粉末的流动性而设定下限。过于精细的粉末难以在气体流中以恒定速率供给。因此金属基体粉末不应当具有小于5μm的大小。作为载气，优选非氧化性气体或诸如氩气之类的惰性气体被使用。

填充材料可能可以被加入到金属基体材料以微调金属基体材料的磨损。受欢迎的填充材料是诸如碳化钨、碳化硅、氧化铝和氧化锆之类的硬陶瓷。以上提及的填料的添加将导致更加耐磨的金属基体材料并且允许同步磨料颗粒的磨损与金属基体材料的磨损。

被考虑用于本申请的目的的磨料颗粒是金刚石颗粒。金刚石颗粒通过所有提及的活性金属易于被湿润。金刚石(即，几乎是纯碳)颗粒或者是人造的或者是天然的。人造金刚石具有成本效益但已知的是对更高的温度抵抗较弱：当在空气环境中高于大约700℃的温度处它们将开始外部降解(即，黑涂层形成)，当在真空中或在惰性环境中高于大约1150℃时它们将开始石墨化(即，从金刚石(sp3键)转变成石墨(sp2键))。自然的金刚石在真空中或在惰性环境中可以承受上至大约1300℃的更高的温度而不会石墨化。然而，自然金刚石磨粒是昂贵的，因此被排除用来制作根据本发明的锯珠。

通常，具有在100μm与600μm之间的大小的颗粒可以被用于该方法中。更优选的是在200至600μm之间或者从300至500μm。用于石料切割的颗粒优选地是大磨粒，即具有宽范围的磨粒尺寸，美国的网格尺寸30/40、网格尺寸40/50或网格尺寸50/60(网格尺寸是根据美国标准ASTME11，该数字越高，颗粒越小)。用于锯珠最优选的是网格尺寸40/50。40网筛具有420μm边的方形开口，更小尺寸的颗粒才能穿过该网筛。那些更小颗粒的部分将被具有297μm边的方形开口的50网筛保持住。剩余颗粒的平均尺寸在根据为每个网格尺寸分派平均尺寸的FEPA(欧洲磨料生产商联合会)的磨粒尺寸标识系统中是大约427μm。

通常在20至100mg之间的金刚石颗粒在每个珠上存在。在大多应用中，30与70mg之间或甚至30与50mg之间的金刚石颗粒将是足够的。

该尺寸的人造金刚石通常通过高压高温(HPHT)合成而制作，在该HPHT中石墨与催化剂金属(可选地，具有小金刚石)的混合物在陶瓷罐中被加压到高于4.9GPa并且保持在高于1300℃的温度。在该温度和压力处，石墨溶解到金属中并且碳再结晶为金刚石。催化剂包含如Fe、Ni、Co或Mn的金属并且这些金属的残余被发现在所生长的晶体的核心处。金刚石颗粒的尺寸和形状可以通过调节其本身取决于压力和温度的晶粒生长速率而被调制。高生长率将导致小的金刚石。

金刚石的尺寸特别是重要的，在于发明人观察到大于100μm的更大尺寸的金刚石比较小尺寸的金刚石更容易遭受内部石墨化。其中内部石墨化是指在金刚石的核心处的催化剂残余将促进金刚石向石墨(从sp3到sp2)的逆反应。这与石墨的形成从外开始向内的外部石墨化相对。通过在本是清楚的晶粒的中心处形成小黑点，这样的内部石墨化在金刚石颗粒上是可见的。

内部石墨化的弱点因此也决定于催化剂残留量：催化剂剩下越多，金刚石更易遭受内部石墨化。催化剂的量可以由在金刚石磨粒本身上的XRFS，或者在磨粒的灰化之后通过ICP，或者通过确定金刚石的质量磁化率而被确定。特定的限制在于：

·在通过XRF或ICP测量的情况下：Fe、Ni、Co、Mn和Cr的质量总和在每克金刚石中小于20mg，或者优选地小于10mg或者甚至小于7mg；或者

·在测量质量磁化率的情况下，该质量磁化率应当小于300·10^-8m³/kg，优选地小于150·10^-8m³/kg，或者甚至小于100·10^-8m³/kg。

具有过高催化剂含量的金刚石将示出在较低温度处的内部石墨化。

金刚石颗粒的供应可以遵循与金属基体材料的供应相同的给料通道。可替代地，金刚石的供应可以遵循可能通过气体流或可替代地通过散布支撑的单独的供应通道。金刚石的供应次序优选地是能够与金属基体材料分别地控制的。以该方式，金属基体材料初始可以被供应而没有金刚石，而一旦熔融金属池已经形成则可以供应金刚石。

用于熔化基体材料的能量源是高强度激光，其能够递送至少100W、1kW或更多的连续或脉冲功率的光束，其优选在光谱中的红外区域发射。特别合适的是由闪光灯泵浦的Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器或固态激光器或CO₂气体激光器。激光被引导通过适当的波导和光学器件以具有可以在基底表面附近被调节的焦距点。

与所涉及的金属基体材料独立的是，熔融金属池的温度必须至少被保持高于金属基体材料的液相线温度。虽然在金属基体材料的液相线温度以下的激光沉积是可能的，产生的熔覆不令人满意，因为其并不达到完全固结。

一旦金属被完全熔化，温度可以在原理上进一步升高到高至熔融金属的蒸发温度。因此，优选的是熔融金属池被保持处于高于金属基体材料的液相线温度T_L的温度，优选地高于T_L+50℃或甚至高于T_L+100℃。

然而，过于高的温度将损害金刚石颗粒，尤其是如果是人造金刚石，尤其是如果这些金刚石大于约100μm，并且尤其是如果这些金刚石包含过高的催化剂残余。发明人特别的成就在于他们已经证明，表现良好的锯珠可以在金属池中针对大尺寸金刚石(大于100μm)在1150℃的普遍接受的危害限制以上的温度被制作。

由于熔融金属池的温度要处于严格规范以内，熔融金属池的温度通过调节撞击在熔融金属池上的激光功率而被控制是本发明的优选实施例。按优先，这是通过监视熔融金属池的表面区域而完成的。熔融金属池的表面区域是在熔融金属池处热平衡的指示：

$P_{laser}=C\×\stackrel{\·}{m}+\stackrel{\·}{Q}$

其中：

P_laser是被注入到熔融金属池中的以瓦特表示的激光功率

等于被投掷到熔融金属池中的每分钟的质量流(以克每秒表示)。金属粉末的供应冷却金属池；

是到环境的总热量损失(以瓦特表示)：到套筒的导电损失、到周围环境的辐射损失、由于从激光点(套筒转数)移去热材料而造成的热量损失、通过金刚石颗粒吸收的热量；

C是取决于粉末材料的变量(以焦耳每克表示)：将粉末带到高至熔化温度所消耗的热量、熔化的热量以及在材料离开熔融金属池之前在温度上的附加增加。

如果金属池的表面区域在沉积期间增大，这意味着过多激光功率被注入到系统中。如果熔融金属池的表面区域在沉积期间减小，过多热量被损失到环境中。熔融金属池的表面区域因此是针对沉积中的热量平衡的理想量度以及针对温度在沉积期间的改变的量度。

在第一优选实施例中，激光功率根据固定的配置被调节。例如在沉积的开始处，激光器以最大功率被点亮以加热金属套筒并且形成初始熔融金属池。一旦该池被形成(在毫秒以内)，激光器的功率被减小以保持熔融金属池的大小恒定。

在进一步优选的实施例中，熔融金属池的大小通过其信号被转换成温度的高速红外相机而被测量。该信号被用来操纵激光器的输出功率。其中高速是指：高于100Hz，优选地高于200Hz。如果采样速度跌倒100Hz以下，温度被测量得太晚并且向激光器的反馈与在激光点处的真实温度具有时延。由于激光器可以开始振荡并且珠变得品质低下。

发明者的经验在于，当激光发光和粉末供给的次序通过以最佳方式相对于粉末供应定位激光点而被很好地同步时，对激光功率的调节是最小的。这通过光学地散播照射该金属套筒或者已经形成的珠表面成为第一大致细长区域点(例如，椭圆形或矩形)的激光束而实现，该第一大致细长区域点跨越大约已经形成的珠表面或金属套筒的轴向长度。金属基体材料的供应到达在第二大致细长区域中金属套筒的表面或已经形成的珠表面，该第二大致细长区域也跨越大约金属套筒的长度但具有小于所述第一区域的面积。按优先，金属基体粉末和金刚石的供应被聚焦在熔融金属池上以防止金刚石颗粒的溢出。

发明人已经发现当第二细长区域的轴中心线相对于所述第一细长区域的轴中心线被略微偏移时可以实现最佳效率，其中该偏移处于金属套筒或已经形成的珠的旋转方向上。因此，激光束的聚焦并不与基体材料供应的聚焦重合。然而，第二细长区域必须保持在第一细长区域以内，否则其导致涂层效率的损失。

其中熔融金属池达到1150℃或高于其的温度的时间间隔可以通过选择激光束与珠的圆周之间的相对速度而被设定。该相对圆周速度介于5与500mm/s之间，更有选的是介于10至250mm/s之间或者甚至更好的是介于20与100mm/s之间。优选地，该圆周速度在珠的完全形成期间被保持恒定。

还重要的是熔融金属池在珠的一转或甚至更好的是在半转以内被主动地冷却到熔融金属材料的固相线温度以下。如果金属池在珠的一转以内并未充分冷却，温度在每一转将增大，导致热失控。冷却金属套筒以及已经形成的珠表面可以通过穿过珠的中心的流体流(诸如空气或氩之类的气体或者诸如水之类的液体)或者通过穿过珠的中心被插入的固体(例如，携载金属套筒或者钢线的杆)而被完成。

根据本发明的第二方面，呈现了一种锯珠。该锯珠包括金属套筒、被附着到该金属套筒的研磨层，其中所述研磨层包括金刚石颗粒，关于锯珠的特性在于金刚石中的一些金刚石示出了内部石墨化。

金刚石颗粒可以通过将基体的金属溶解在适合的酸(例如王水，其是硝酸和盐酸的混合物)中而被提取出金属基体。该步骤发生在室温并且不以任何方式影响金刚石。

为了评估内部石墨化的存在，从金刚石珠中提取的至少100金刚石的随机样本被采取。其中“随机样本”是指没有对金刚石在尺寸、形态重量、视觉方面或任何其它特征上做出预选择。所有的金刚石可能可以从珠中复原，但所有金刚石的完整分析可能是繁琐且多余的。

其中“内部石墨化”对于本申请的目的而言是指在双目镜下单个金刚石将在本应透明的金刚石的大约核心处呈现显着的内部黑点。当这样的点的尺寸刚好可见但在视野中占据在小于金刚石区域的大约10％时，该金刚石被标记为“内部石墨化，轻度(IGL)”。当该点更大但该金刚石仍然透明时，其被标记为“内部石墨化，严重(IGS)”。当该金刚石不再透明并且该表面被暗化时，其被标记为“外部热降解(BL)”，但并不被考虑为“内部石墨化”(因为内部不可见)。当该金刚石保持透明并且不显现内部点时，其被标记为“不受影响(UA)”。

从由冶金粉末法获得的金刚石珠移除的金刚石或者是“不受影响(UA)”或者是完全被覆盖有活性金属，在后者的情况下不可能辨别内部石墨化(其将被分类为“BL”)。

出于本申请的目的，其中“金刚石中的一些金刚石”是指随机采样中至少一百个中的至少两个。在大多情况下，随机采样中一百个中的至少5个或更多将显现“内部石墨化”。

优选通过激光熔覆沉积研磨层。甚至更有选的是研磨层根据在工艺权利要求中描述的方法中的任意一项而被沉积。

更优选的是随机采样中金刚石颗粒中的一些但不超过60％显现内部石墨化。更优选的是采样中金刚石中的一些但不超过40％显现内部石墨化。在特定情况下——高金刚石品质、更小尺寸的金刚石、完美温度控制——显现内部石墨化的金刚石的数量将小于20％。

然而，尤其优选的是具有“外部热降解”的金刚石的数量被保持为最小，例如小于随机采样中金刚石的10％或甚至小于5％。

对发明人而言相当惊讶的是，锯珠可以具有一部分内部石墨化的金刚石而不会严重影响性能。这与本领域中的应当不计成本地避免金刚石损害的一般理解相左。实际上，内部石墨化的存在可使得金刚石颗粒某种程度上更易遭受粉碎，但与被拉出的金刚石相比粉碎仍然是较优的。粉碎的金刚石仍增加珠的耐磨性，但拉出的金刚石不再能够锯。当然，该部分不能太大，否则金刚石的锯能力将被严重减弱。

根据本发明的第三方面，保护了一种锯线。该锯线包括钢线和穿在其上的锯珠，其中锯珠被聚合物套筒分开。聚合物套筒在珠之间被注射成型。珠通过激光熔覆过程被制作，优选的是如在方法权利要求中保护的激光熔覆过程。锯线可以以每米切割线切割至少10平方米的A类花岗石。这是人们现在根据粉末冶金法所期待的锯切线的性能。发明人在示例中呈现了可以以本发明的锯切线的每米锯切线锯12平方米的A类的花岗石。

附图说明

图1a至图1d图示了内部石墨化和外部热降解的现象。

图2描绘了用于利用研磨层涂覆金属套筒的典型激光周期。

图3图示了在金属套筒上的第一和第二细长区域的最优的相对位置。

图4表明熔融金属池温度对内部石墨化和外部热降解现象的作用。

图5分类了金刚石颗粒在锯珠的使用期间可能具有的不同状态。

图6图示了激光熔覆条件对锯珠中的金刚石颗粒的磨损特性的影响。

具体实施方式

在一些列实验中，在长度为11mm的软钢圆柱套筒上制作激光熔覆的珠，该软钢圆柱套筒具有5.00mm的外直径以及0.575mm的壁厚度。

使用了以下类型的设备：

激光熔覆系统

·在808和940μm的波长处以连续模式在1900W操作的Diodelaser的“LaserlineLDF3kW”。

·用于供给金属基体粉末和金刚石的侧面进料通道，该金刚石能够与金属基体粉末流分别地控制。

粉末操纵设备：

·SulzerMetcoTwin粉末加料斗

·气体供应：氩。

·金属基体材料和金刚石颗粒两者通过相同的氩气体流而被供给。

作为金属基体材料，使用了从PhoenixScientificIndustriesLtd.的复合Cu-Sn(13wt％)-Ti(9wt％)所获得的粉末。差示扫描量热分析显示固-固相转变的开始发生在大约765℃，并且该粉末在972℃完全变成液体(液相线温度)。粉末被分成三个组分：一个具有小于20μm的尺寸、一个具有20与45μm之间的尺寸，并且一个具有大于45μm的尺寸。以使粉末熔化的潜热(从765℃至972℃)相异：针对小于20μm的组分40.5J/g，针对20至45μm之间的组分60.0J/g，并且针对大于45μm的组分73.8J/g。金属粉末的尺寸具有对粉末的冷却能力的效果：较小的颗粒具有比较大的颗粒尺寸更小的冷却能力。

使用的金刚石颗粒被筛分到网格40/50并具有415μm的中值大小。如由X射线荧光光谱仪(XRFS)测量到的Fe、Ni、Co、Mn和Cr的质量的总和是每一克金刚石中的6mg。进一步的碳化钨填料被增加到基体材料流以增大研磨层的韧性。

生产锯珠的方法通过以200rpm旋转套筒开始。这对应于52.4mm/s的套筒与激光束之间的相对圆周速度。在珠与激光束之间的该速度在沉积期间保持恒定。激光被点火，并且在一圈旋转之后在氩气流中的金属基体材料的供应被打开(例如，这可以通过将供应通道移动到套筒表面上而被执行)。此外，金刚石颗粒和碳化钨填料颗粒跟随相同的流。

激光点和粉末供给的相对位置在图3中进行解释。激光点被合适的光学器件加宽到套筒310的轴向方向上的8mm乘圆周方向上的3mm的大致矩形：第一细长区域314。套筒对激光束的曝光时间是57.3ms。粉末供给基本上也在套筒310的整个宽度上，但被做得非常窄：在轴向方向上的8mm乘在圆周方向上的2mm：第二细长区域312。其中第一和第二细长区域的长轴线聚结的位置被采取作为参考位置(“0mm”)。

一些列实验示出了与参考相比+0.5mm位置在熔覆方面是最好的(其在附图以下以百分数示出：100％)。在该位置中，第二细长区域(粉末供给)的轴中心线与第一细长区域(激光束)的轴中心线在套筒的旋转方向上被偏移。该偏移确保珠表面在粉末被投掷在上之前被最优地加热。对应于大约20至40ms的时间，形成的熔融金属池的宽度是大约1至2mm。在熔融金属池中，温度是均匀且最大的。

当该偏移变得过于大时(被标记+1.0mm、+1.5mm、2.0mm和+2.5mm的位置)，珠表面被过度预加热并且不是所有的粉末具有在熔融池中熔化的时间，导致效率降低(分别是94、88、84和75％)。同样地，将粉末供给放置在激光点的中间即“0mm”位置也导致材料的损失：当激光束区域被对称地定位时，不考虑珠表面的初始加热。这同样导致较不高效的材料使用(98％)。

熔融金属池的大小通过Emaqs相机在220Hz采样频率处监视并转换为温度。利用被设置为1000℃(25％)、1100℃(29％)、1200℃(32％)、1300℃(33％)、1400℃(35％)和1500℃的标称温度，制作出不同的测试珠。通常，如图2所示，激光输出功率遵循曲线。在珠制作之间，激光被保持处于高功率。首先，给出了激光脉冲以加热套筒，随后该功率降低并且经由被形成的熔融金属池的大小而控制。存在从Emaqs温度传感器到激光输入控制激光功率的反馈回路。

珠的基体材料随后被溶解在王水中。在双目镜下分析回收的金刚石为4类别，如在图1a至1d中例示的。

·UA：如在图1a中所示是未受影响的

·IGL：内部石墨化，如在图1b中所示较轻

·IGS：内部石墨化，如在图1c中所示较严重

·BL：外部，如在图1d中的热降解

针对不同组温度的结果在图4中示出。热石墨化的影响是清楚的。在1500℃或1400℃的温度处制作的珠显现了大于10％外部、热降解的金刚石，而仅大约20％保持未受损害。在1200℃和1300℃处制作的珠具有小于10％的金刚石示出了外部热降解，但大约60的金刚石示出了内部石墨化。随着温度降低，严重的内部石墨化部分减少。低于1200℃，内部石墨化明显被降低并且多于40％的金刚石不受影响并且小于4％示出了外部热降解。60％的金刚石示出了内部石墨化，仅有少数(小于10％)示出严重的内部石墨化。

石墨化的影响通过制作具有每米37珠的17米长的锯绳的两个环而被评估。珠被穿在7x7/3.5的钢线上，该环通过拼接被闭合并且聚氨酯在珠之间被注射成型。

标记为“Inv1”的第一环在高于约1300℃的熔融池温度处被制作。标记为“Inv2”的第二环利用1150℃至1250℃之间的熔融池温度被制作。两个环在各种花岗岩品质上测试。在锯期间，珠的剩余直径作为锯的石材的平方米数的函数而被测量。在大约6mm的珠直径处，该环从单环线锯上取走以用于进一步分析。当推断测得的磨损特性“寿命用尽”的直径为5.6mm时，环“Inv1”本将能够每米锯线切割7平方米的A类花岗石。第二环“Inv2”的推断寿命用尽是标准化到A类材料的12m²/m。通常，10m²/m被考虑作为锯线的可接受性能。

第一竞争者绳索“Comp1”和第二竞争者绳索“Comp2”使用的珠(也根据粉末冶金法被制作)以及第一和第二绳索“Inv1”和“Inv2”在双目镜下被分析。可以在仍然能够切割的金刚石(即“有效”金刚石)以及不再能够切割或还未达到切割阶段的金刚石(即“无效”金刚石)之间做出分类。该分类在图5中示出(在图示下面的箭头指示珠的移动方向，阴影区域指示保持金刚石的金属基体)：

·Ac1是有效切割的尖锐且突出的金刚石；

·Ac2是具有抛光表面的金刚石。其仍然能够切割但切割的程度较小；

·Ac3是呈现可以开始重新切割的新的、断裂的表面的金刚石

无效金刚石可以被分类为：

·In4是不再从基体突出的粉碎金刚石；

·In5是或者被埋在基体中或者被相邻金刚石遮蔽(由“A”指示)的不工作的金刚石；

·In6示出了在金刚石已经被拉出位置之后所剩的凹部。

图6示出了针对四个锯绳索的使用的金刚石类别的相对出现率。Comp1是表现最佳的绳索并且大多示出了拉出金刚石In6(45％)和有效金刚石(42％)之一。存在大约13％的粉碎金刚石。Comp2示出了更多有效金刚石(47％)、较少拉出(37％)但更多的粉碎金刚石(16％)。Inv1示出了低水平的有效金刚石(38％)以及拉出(34％)，但有很多粉碎金刚石28％。与“Comp1”相比，“Inv2”示出了大约相同百分比42％的有效金刚石、较低水平的拉出金刚石(36％)但更多的粉碎金刚石(22％)。这表明“Inv2”的珠保持与“Comp1”的那些差不多有效，但它们在使用结束处将粉碎而不是被拉出。

这些现场试验表明，在激光熔覆的锯珠中的内部石墨化的金刚石的有限数量并不影响锯线的总体性能。

Claims (15)

1.一种用于生产锯珠的方法，所述锯珠包括在金属套筒上的研磨层，所述研磨层包括在金属基体材料中嵌入的金刚石颗粒，所述方法包括以下步骤：

·提供被制作为轴向旋转的所述金属套筒；

·以气体流中携载的粉末形式提供金属基体材料的供应；

·提供金刚石颗粒的供应；

·以激光束的形式点燃能量源；

其中所述激光束熔化在所述金属套筒上的所述金属基体材料从而形成熔融金属池，其中所述金刚石颗粒被投掷至所述熔融金属池，其特征在于，所述熔融金属池的温度被保持处于或高于1150℃少于200ms以限制所述金刚石颗粒的内部石墨化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金刚石颗粒具有大于100μm的平均尺寸。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述激光束照射所述金属套筒的表面的第一细长区域，所述第一细长区域基本上跨越所述金属套筒的轴向长度，并且其中所述金属基体材料的供应在基本上跨越所述金属套筒的轴向长度的第二细长区域到达所述金属套筒的表面，所述第二细长区域在面积上小于所述第一细长区域，所述第一细长区域基本上覆盖所述第二细长区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二细长区域的轴中心线相对于所述第一细长区域的轴中心线被偏移，所述偏移处于所述金属套筒的旋转方向上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述激光束的功率通过保持所述熔融金属池的面积在沉积期间基本上恒定而在所述研磨层的沉积期间被调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述熔融金属池的面积在所述研磨层的所述沉积期间被连续地监视并且被用作操纵所述激光束的功率的反馈信号。

7.根据权利要求1至6所述的方法，其中所述熔融金属池在所述套筒的转一圈的时间内被冷却到低于所述金属基体材料的固相线温度以防止所述金刚石颗粒的外部热降解。

8.一种锯珠，包括金属套筒、被附着到所述金属套筒上的研磨层，所述研磨层包括金刚石颗粒，

其特征在于

所述金刚石颗粒中的一些金刚石颗粒显现内部石墨化。

9.根据权利要求8所述的锯珠，其中所述研磨层通过激光熔覆被沉积。

10.根据权利要求9所述的锯珠，其中所述研磨层通过根据权利要求1至7中任一项所述的激光熔覆的方法被沉积。

11.根据权利要求10所述的锯珠，其中所述金刚石颗粒中的一些但不超过60％显现内部石墨化。

12.根据权利要求11所述的锯珠，其中所述金刚石颗粒中的一些但不超过40％显现内部石墨化。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的锯珠，其中所述金刚石中的少于10％显现外部热降解。

14.一种锯线，包括钢线和穿在所述钢线上的锯珠，其中所述锯珠被聚合物套筒分开，

其特征在于，所述锯珠是根据权利要求1至7中任一项所述的方法制作的。

15.一种锯线，包括钢线和穿在其上的锯珠，其中所述锯珠被聚合物套筒分开，

其特征在于，所述锯珠是根据权利要求8至13中任一项所述的锯珠。