مروری بر خواص مکانیکی سگمنت الماسه

این مقاله در ادامه ی مروری بر خواص هندسی و مکانیکی سگمنت الماسه

• خواص مکانیکی زمینه فلزی و اثر آن بر ماندگاری ذرات الماس

سگمنت‌‌های برش سنگ، کامپوزیت الماسی می‌‌باشند که از زمینه فلزی و ذرات الماس تشکیل شده‌‌اند. در ساینده‌‌های الماسه، زمینه می‌‌تواند فلزی یا رزین باشد. در مواردی که ساینده‌‌ها، مصارف صرفا سایشی دارند از زمینه رزینی استفاده می‌‌شود. این رزین غالبا بیک لایت ( فرم الدئید و فنول) می‌‌باشد.

یکی از مصارف سایشی مهم در صنایع سنگ، لقمه‌‌ها هستند که از  کاربیدهای سمانته به عنوان ذرات تقویت کننده استفاده می‌‌شود. برای مصارف پر هزینه و آزمایشگاهی که برش صرفا اهمیت دارد، از زمینه رزینی برای برش استفاده می‌‌شود. زمینه رزینی توانایی نگهداری پایینی از ذرات الماس را دارد.

در مصارف اقتصادی برش مانند برش سنگ‌‌های ساختمانی، زمینه فلزی کاربرد دارد زیرا توانایی بالایی در نگهداری ذرات الماس را دارا می‌‌باشند. خواص مکانیکی سگمنت با خواص مکانیکی زمینه سنجیده می‌‌شود. اثر اصلی زمینه فلزی در سگمنت‌‌های برش سنگ، نگهداری ایده‌‌آل از ذرات الماس می‌‌باشد. بدیهی است که با ماندگاری هر چه بیشتر ذرات الماس در زمینه، طول عمر سگمنت افزایش می‌‌یابد.

پارامترهای موثر بر ماندگاری ذرات الماس در سگمنت‌‌های برش سنگ، خواص مکانیکی زمینه، خواص شیمیایی زمینه و ذرات و همچنین هندسه ذرات می‌‌باشند. در این مقاله به بررسی اثر خواص مکانیکی زمینه فلزی بر روی طول عمر سگمنت‌‌ها پرداخته شده‌‌است. این خواص مکانیکی شامل استحکام تسلیم، سختی و استحکام ضربه زمینه می‌‌باشند.

الف) استحکام تسلیم

با وارد شدن تنش حاصل از برش به ذرات الماس و از ذرات به زمینه، ترک‌‌های الاستیکی ریز در فصل مشترک سطحی ذره و زمینه ایجاد می‌‌گردد (شکل 8). در صورتی که استحکام تسلیم بالا و مناسب برای یک زمینه فلزی سگمنت باشد، تغییر شکل الاستیک کم‌‌تری در زمینه رخ خواهد داد و ترک‌‌های الاستیک کم‌‌تری ایجاد خواهند شد.

پس برگشت‌‌پذیری زمینه به حالت اولیه کامل‌‌تر صورت می‌‌پذیرد و ترک‌‌ها بسته می‌‌شوند (شکل 8-A ). در غیر این صورت، باندینگ تخریب شده و ترک‌‌های پلاستیک که پایه‌‌‌های جدایش آسان ذره الماسی از زمینه را بنا می‌‌کنند، ایجاد خواهند شد (شکل 8 – B و شکل 9) . پس استحکام تسلیم اثر مستقیم بر روی طول عمر سگمنت دارد.

شکل 8: شماتیک قفل مکانیکی ذرات الماس در زمینه فلزی .

ب) سختی

اگر سختی زمینه پایین باشد، ذرات الماس براحتی در اثر تنش‌‌های اعمالی حاصل از تماس ذرات و سنگ، از زمینه جدا خواهند شد (شکل 10). از طرفی موجب افزایش مصرف بیهوده ذرات الماس در اثر بیرون‌‌زدگی بیش از حد آن‌‌‌‌ها خواهد شد. با افزایش میرایی یعنی جذب تنش اعمالی ذرات الماس توسط زمینه، ماندگاری ذرات در زمینه افزایش می‌‌یابد.

حال اگر سختی از حد مطلوب بالاتر باشد، نه‌‌ تنها جذب تنش توسط زمینه صورت نمی‌‌پذیرد،   بلکه بصورت عکس‌‌العمل، تنش وارده توسط ذرات را به ذرات باز می‌‌گرداند و این منجر به کاهش چسبندگی و تخریب باندینگ می‌‌گردد.

از طرفی از بیرون زدگی لازم ذرات برای برش جلوگیری می‌‌کند. جدول 2 خواص مکانیکی، طول عمر ابزار و میزان بیرون زدگی ذرات الماس در سه زمینه فلزی در اثر برش سنگ گرانیت با نرخ برش  240، عمق برش cm 2 و سرعت حرکت تیغه   32 را نشان می‌‌دهد. داده‌‌های تجربی  جدول 2 گواهی بر مطالب ذکر شده‌‌است.

ج) استحکام ضربه

هر چه استحکام ضربه زمینه فلزی بالاتر باشد، در اثر تنش‌‌های سیکلی وارده از ذرات به زمینه، زمینه استقامت بیشتری از خود نشان می‌‌دهد و اجازه جدایش آسان ذره از زمینه را نخواهد داد. از این‌‌رو طول عمر سگمنت افزایش می‌‌یابد (جدول 2) [14].

جدول 2: خواص مکانیکی، طول عمر ابزار و میزان بیرون زدگی ذرات الماس در سه زمینه فلزی در اثر برش سنگ گرانیت [14].

1. جمع بندی

گرده‌‌ها و گل حاصل از سایش سنگ موجب سایش زمینه می‌‌شود و باندینگ را تضعیف می‌‌کند. اندازه و مقدار این گل و گرده‌‌ها به سختی سنگ وابسته‌‌اند. هر چه سختی کمتر باشد، ذرات بزرگ‌‌تر و بیشتر می‌‌باشند و به سایش هر چه بیشتر زمینه می‌‌انجامند و باندینگ را تضعیف می‌‌کنند. پس به زمینه سخت‌‌تری نیاز است.

حال برای خروج ذرات درشت باید از روش زین اسبی استفاده شود. در این روش مسیرهایی برای خروج ذرات درشت و فراوان ایجاد می‌‌شود.

از این‌‌رو از سایش بیش از حد باندینگ توسط ذرات الماس جلوگیری می‌‌شود. از طرفی برامدگی دو طرف زین که دارای ذرات الماس است، به سایش و برش سنگ کمک بزرگی می‌‌کند و نقش فرورونده و چنگال را بازی می‌‌کند.

از طرفی در سگمنت‌‌های زین اسبی شونده (ساندویچی) بدلیل وجود لایه‌‌های کم‌‌تر مقاوم به سایش نسبت به زمینه، ذرات الماس کمتری در واحد سطح این سگمنت‌‌ها وجود دارد و این خود کمکی به تولید کمتر رسوبات درشت حاصل از برش می‌‌باشد. سنگ‌‌های مرمریت نرم و تراورتن‌‌ها از جمله سنگ‌‌های با ذرات زیاد و درشت می‌‌باشند.

سختی سنگ هر چه بیشتر باشد، ذرات حاصل از برش ریزتر و کم‌‌تر می‌‌باشند و سایش زمینه نیز کمتر است، اما تنش اعمالی از طرف سنگ سخت به ذرات الماس بیشتر است و احتمال شکست ذرات الماس و کنده شدن از زمینه بالا می‌‌رود. سنگ‌‌های مرمریت سخت از ذرات ریز برخوردارند و گرانیت‌‌ها از ذرات ریزتری نسبت به این مرمریت‌‌ها. در این سنگ‌‌ها باید زمینه استحکام ضربه بالایی داشته باشد تا از کنده شدن ذرات الماس جلوگیری شود.

یک ابزار الماسی ایده ال بگونه‌‌ایست که سایش ذرات و سایش زمینه بصورت مناسب در آن صورت گیرد. سگمنت‌‌های ایده‌‌ال، با یک نرخ مناسب گل سنگ ایجاد کنند. نسبت ذرات الماس به سطح سگمنت باید محاسبه شده باشد که نیروی اعمالی برای برش به میزان مناسبی بین آن‌‌ها تقسیم گردد.

در سنگ‌‌های سخت بدلیل وارد شدن تنش بالا به ذرات الماس، نیاز به ذرات بیشتری برای توزیع تنش به آن‌‌ها می‌‌باشد. این امر موجب کاهش تنش اعمالی به هر ذره می‌‌شود. از این‌‌رو سگمنت‌‌های ساندویچی کاربری مناسبی برای سنگ‌‌های با سختی بالا و متوسط ندارند.

پیشنهاداتی برای تحقیقات آینده:

1. بررسی خواص شیمیایی و فیزیکی زمینه و ذرات الماس مانند اثر عناصر و ترکیب شیمیایی زمینه، پوشش ذرات الماس، شکل ذرات الماس و چگالی آن‌‌ها بر کیفیت سگمنت برای دست‌‌یابی به سگمنت ایده‌‌ال با توجه به نوع سنگ.
2. بررسی اثرات دما، زمان و فشار سیتترینگ بر خواص نهایی سگمنت‌‌ها.
3. مطالعه اثرات روش اتصال سگمنت‌‌ها به تیغه‌‌ها و بررسی نوع جوش و بریزینگ بر خواص آن‌‌ها.

منابع

[1] DIAMOND BLADE OVERVIEW (Training Manual, MK Diamond Company, USA 2018).

[2] J. R. CHALKLEY, D. M. THOMAS, “THE TRIBOLOGICAL ASPECTS OF METAL-BONDED DIAMOND GRINDING WHEELS”, Powder Metallurgy, 1969.

[3] V. C. Venkatesh, Sudin Izman, PRECISION ENGINEERING, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited.

[4] BONDS (Haefeli Diamant werkzeug fabrik, SWISS 2017).

[5] J. Konstanty,” Production of Diamond Sawblades for Stone Sawing Applications”, Key Engineering Materials, Vol. 250, p.p. 1-12, 2003.

[6] H. Mohammad Soltani, M. Tayebi, Comparative study of AISI 304L to AISI 316L stainless steels joints by TIG and Nd: YAG Laser welding, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 767, pp. 112-121, 2018.

[7] Tool Sheet: QUARRYING WIRE (DELLAS DIAMOND TOOLS, ITALY 2011).

[8] Tool Sheet: STATIONARY WIRE (DELLAS DIAMOND TOOLS, ITALY 2011).

[9] Tool Sheet: MULTI-WIRE (DELLAS DIAMOND TOOLS, ITALY 2011).

[10] Tool Sheet: PROFILING WIRE (DELLAS DIAMOND TOOLS, ITALY 2011).

[11] W. Tillmann, M. Tolan, N.F. Lopes-Dias, M. Zimpel, M. Ferreira, M. Paulus, ’’INFLUENCE OF CHROMIUM AS CARBIDE FORMING DOPING ELEMENT ON THE DIAMOND RETENTION IN DIAMOND TOOLS”, 3rd International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM), P.P. 21-30, 2015.

[12] S. Turchetta, L. Sorrentino, C. Bellini, ” A method to optimize the diamond wire cutting process”, Diamond & Related Materials, 2016. (DOI: 10.1016/j.diamond.2016.11.016).

[13] Tool Sheet: MULTI-BLADE FOR MARBLE-GANG SAWCUTTING MACHINE (DELLAS DIAMOND TOOLS, ITALY 2011).

[14] J. Konstanty, “Factors Affecting Diamond Retention in Stone Sawblade Segments”, Key Engineering Materials Vol 250, p.p. 13-20, 2003.