
مروری بر خواص هندسی و مکانیکی سگمنتهای الماسه
الماسه برای بهبود برش سنگهای ساختمانی
هدایت محمدسلطانی
کارشناس ارشد متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر
مقدمه
بطور کلی در صنعت سنگهای ساختمانی 5 دسته سنگهای مرمریت، گرانیت، سنداستون، لایماستون و پیش ساخته مورد استفاده قرار میگیرند. هر دسته از سنگهای مذبور دارای خواص فیزیکی و مکانیکی ویژه خود مانند میزان تخلخل، چگالی، استحکام، مقاومت به سایش و مقاومت به ضربه میباشند که نوع کاربردشان را مشخص میکند . بدیهی است که این سنگها برای کاربری، نیاز به برش و فراوری دارند. از اینرو پیشبینی قابلیت برشپذیری آنها امری ضروری است. متناسب با فاکتور برشپذیری هر سنگ، سگمنتهای الماسهی مختص آنها مورد نیاز میباشد. این فاکتور تعیین کننده خواص هندسی، شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی سگمنتهای برش سنگ است. این مقاله به مطالعه خواص هندسی و مکانیکی سگمنتها پرداختهاست که زمینه را برای انتخاب سگمنت ایدهال متناسب با نوع سنگ فراهم آوردهاست.
- ارتباط هندسه و شکل سگمنت با نوع سنگ تحت برش
سگمنتهای برش سنگ در دسته سایندههای الماسی قرار میگیرند زیرا مکانیزم برش سنگ با سگمنتهای الماسه، سایش سنگ در مقطع باریک و با باربرداری زیاد است. سایندههای الماسه شامل چرخهای دایرهای، چرخهای فنجانی، سوراخ کنها و سگمنتهای دیسکها و ارههای برش سنگ میباشند. در کل تمامی ابزار آلات برشی و سایشی که ذرات الماس در آن بکار رفته است، جزء سایندههای الماسی قرار میگیرند (شکل 1).

سگمنتهای برش سنگ از لحاظ بخشهای داخلی به دو دسته سگمنتهای رایج یا یکنواخت و سگمنتهای لایهای تقسیم بندی میشوند. سگمنتهای یکنواخت با توجه به شکل ظاهریشان در دو دسته سگمنتهای مکعب مستطیلی و کونیکال یا هرمی قرار میگیرند. سگمنتهای لایهای دارای تقسیمبندی سگمنتهای پایه بدون الماس، دارای لایه دریافت شوک و ساندویچی میباشند (شکل 2).

سگمنتهای کونیکال برای کاهش اثرات اصطکاکی دیوارههای جانبی و هدر رفت ذرات الماس بکار میروند. این اصطکاک در برش سنگهای بسیار سخت، اثرگذارتر است. برای سنگهای گرانیت که بسیار سخت میباشند، استفاده از سگمنتهای کونیکال مناسب است زیرا از سایش در دیوارهها که مساحت زیادی هم شامل میشوند، جلوگیری میگردد و از اتلاف هزینه نیز پیشگیری خواهد شد .
اگر سنگها دارای سختی متوسط باشند مانند مرمریتهای سخت (دارای دانههای پودری و ریز)، حین برش، پودرها و گردهای ریزی ایجاد میشوند که سایش زمینه فلزی بوسیله آنها به آهستگی رخ میدهد. ازطرفی، گردها و پودرهای حاصل از برش کم بوده و سرعت دفع کمی نیاز است. از اینرو سگمنت یکنواخت با تعداد ذرات استاندارد در واحد سطح مناسب است. باید درنظر داشت که حین برش، سگمنت یکنواخت دارای لبههای گرد میباشد و به خارج شدن راحت پودرها و گردههای ریز حاصل از برش، کمک میکند (شکل 3).
در سگمنتهای دارای پایه بدون الماس از یک لایه استیل در زیر سگمنت استفاده شدهاست. این لایه استیل دارای دو مزیت میباشد:
الف) در شرایطی که باید جوشکاری لیزر برای اتصال سگمنت صورت گیرد، مفید است زیرا پهنای جوش لیزر بسیار ظریف و دارای ذوب ناچیز است. از اینرو لایه استیل امکان جوش لیزر را فراهم میآورد.
ب) کاهش هزینهها با کاهش لایه انتهایی در سگمنت که عموما بدون مصرف میماند.
این سگمنتها را نباید در کابردهای جوشکاری با دامنه جوش بالا مانند جوشکاری اکسی استیلن که در جوش و اتصال سگمنتها در ایران رایج است، استفاده کرد زیرا ضریب انبساط حرارتی لایه استیل و زمینه فلزی سگمنت متفاوت بوده و موجب جدایش لایه استیل و زمینه میگردد و سگمنت استحکام خود را از دست میدهد [5].
سگمنتهای دارای لایه دریافت شوک در مواردی که تکانههای ناشی از سرعتهای بسیار بالای برش وجود دارد، کاربرد دارند.
سگمنتهای ساندویچی حین برش، زین اسبی شده و زمینه خروج آسان گردهها و گل سنگ را فراهم میآورند (شکل 3). اگر سنگها نرم باشند مانند سنگهای آهکی، تراورتنها و مرمریتهای نرم (دارای دانههای درشت و شکری)، حین برش پودر سنگ بسیار بیشتری نسبت به مرمریتهای سخت ایجاد میشود. ازطرفی ذرات حاصله درشتتر میباشند. از اینرو، هم به سرعت دفع بیشتری نیاز است و هم سرعت سایش زمینه فلزی بالاتر است. پس مناسبترین سگمنت برای این سنگها، سگمنت ساندویچی است که با ایجاد حالت زین اسبی، از هدر رفت زمینه فلزی و به تبع آن جدایش نامطلوب ذرات الماس، جلوگیری کرده و به دفع راحت گردهها و گل سنگ کمک میکند [5].

- ارتباط هندسه و شکل سگمنت با سیستم برش
سیستم برش سنگ وابسته به نوع سنگ، ابعاد مورد نیاز، میزان تولید مورد نیاز و ثابت یا متحرک بودن سیستم متفاوت است. در هر سیستم باید از سگمنت متناسب با شرایط برش خود استفاده کرد. بطور کلی سیستمهای برش سنگ به سه دسته برش با سیم، برش با دیسک و برش با اره تقسیمبندی میشوند.
- سیستم برش با سیم
دو نوع روش برش با سیم وجود دارد. روش اول که متحرک است و اصولا برای استخراج سنگ در معادن و یا چهارگوش کردن بلوکهای سنگ میباشد. این روش به سیستم سیم استخراجی معروف میباشد (شکل 4). روش دوم که ثابت است و با توجه به کاربرد تک سیم یا چند سیم میباشد (شکل 5). نوع تک سیم کاربردهای متفاوتی دارد که در شکل 5 نشان داده شدهاست.


ج. سیستم تک سیم برای ایجاد انحنا
د. سیستم چند سیمی برای افزایش میزان تولید اسلب و تایل، ه. شماتیک دستگاه چند سیمی .
با توجه به سیستمهای برش سیمی ذکر شده و کاربرد آنها، بدیهی است که شکل سگمنت در این سیستمها حلقوی بوده و کاملا متفاوت با شکل سگمنتهای سیستمهای دیسکی و اره میباشند. سیم برش از سه قسمت اصلی تشکیل میشود. قسمت اول سگمنتهای حلقوی که با دو روش سینترینگ و الکتروپلیت ایجاد میشوند. قسمت دوم نگهدارندههای سگمنتهای حلقوی که تعیین کننده فاصله آنها بوده و در سه نوع فنری، ساینده و پلاستیکی میباشند. قسمت سوم کابل فولادی است که سگمنتها و نگهدارندهها بر آن سوار میشوند. در جدول 1 با توجه به شرایط کاری و نوع سنگ، بهترین نوع سیم ارائه شدهاست. با انتخاب مطابق جدول 1، از لرزش و صدای زیاد حین برش جلوگیری میشود. ازطرفی میزان انرژی و آب مصرفی را کاهش میدهد و به افزایش دقت و سرعت برش میانجامد .
نگهدارنده | نوع سنگ | سیستم برش |
---|---|---|
پلاستیکی | گرانیت | متحرک |
ساینده | سنداستون | متحرک |
فنری | مرمریت | متحرک |
فنری | لایم استون | متحرک |
پلاستیکی | گرانیت | ثابت تک سیم برای چهارگوش کردن و یا ایجاد اسلب و تایل |
ساینده | سنداستون | ثابت تک سیم برای چهارگوش کردن و یا ایجاد اسلب و تایل |
فنری/ پلاستیک + فنر | مرمریت | ثابت تک سیم برای چهارگوش کردن و یا ایجاد اسلب و تایل |
فنری/ پلاستیک + فنر | لایم استون | ثابت تک سیم برای چهارگوش کردن و یا ایجاد اسلب و تایل |
پلاستیکی | گرانیت | ثابت تک سیم برای ایجاد انحنا |
ساینده | سنداستون | ثابت تک سیم برای ایجاد انحنا |
پلاستیکی | مرمریت | ثابت تک سیم برای ایجاد انحنا |
پلاستیکی | لایم استون | ثابت تک سیم برای ایجاد انحنا |
پلاستیکی | گرانیت | ثابت چند سیمی |
پلاستیکی | سنداستون | ثابت چند سیمی |
پلاستیکی | مرمریت | ثابت چند سیمی |
پلاستیکی | لایم استون | ثابت چند سیمی |
سیستم برش سیمی بدلیل هزینه پایین ساخت ماشین، نامحدود بودن عمق برش، برش در زوایای مختلف و توانایی برش بلوک سنگهای بسیار حجیم بسیار مفید و قابل استفاده میباشد . این سیستم برخلاف سیستم اره، برای برش سنگهای سخت مانند گرانیتها در ابعاد بزرگ مانند اسلب گرانیتها کاملا کاربردی است. تیغههای اره بدلیل ضخامت کم و سختی بالای سنگهای گرانیت، قابل استفاده برای برش این سنگها نمیباشند. اما در سیستم برش سیمی بدلیل خاصیت انحناپذیری بالای سیم، برش سنگهای گرانیت در این روش با سهولت صورت میپذیرد (شکل 6) .

- سیستم برش با دیسک
تمامی سنگهای ساختمانی را میتوان با این سیستم برش داد. از معایب این سیستم نسبت به دیگر سیستمهای برش سنگ، میتوان اتلاف بالای سنگ و انرژی، سرعت و میزان تولید پایینتر و ایجاد ورقه سنگهای با ابعاد کوچکتر را نام برد. از محاسن این روش، هزینه پایین تعبیه سیستم برش دیسکی و استهلاک کم آن میباشد. برای انتخاب سگمنت در سیستم برش با دیسک، تمامی موارد ذکر شده در بخش 1 (ارتباط هندسه و شکل سگمنت با نوع سنگ تحت برش) کاربرد دارد.
- سیستم برش با اره
در سیستمهای برش اره که در دو دسته تک اره یا چند اره میباشند، بدلیل حرکت رفت و برگشتی تیغهها، دفع گردهها و گل سنگ حاصل از برش اره، بسیار دشوارتر از حالت دیسکی است. خرده سنگها هماهنگ با حرکت افقی تیغه به جلو و عقب روبیده میشوند که به سایش هر چه بیشتر زمینه فلزی سگمنت میافزاید و طول عمر سگمنت را کاهش میدهد. برای رفع این مشکل باید سرعت پاشش آب و مقاومت به سایش زمینه فلزی سگمنت نسبت به سگمنتهای روش دیسکی بالاتر باشد. بدلیل دشواری خروج گل سنگ در این روش و مشکلات حاصله، حتی در موارد برش سنگهای با سختی متوسط مانند سنگهای مرمریت سخت، بر خلاف سیستم دیسکی از نوع سگمنت ساندوچی در این روش باید استفاده شود. در برش سنگهای سخت، بدلیل سختی بالای این سنگها، محدودیت در ضخامت تیغهها، عدم توانایی ایجاد انحنا در راستای ضخامت و همچنین حساس به شکست بودن مواضع جوش سگمنتها بر روی ارهها در موارد تنشهای بالا، این سیستم برای سنگهای سخت مانند گرانیتها کاربرد ندارد (شکل 7) .

- 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 پایه های 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.


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].
میانگین بیرون زدگی (µm) | طول عمر (%) | سختی ( راکول B) | استحکام ضربه ( ) | استحکام تسلیم (MPa) | مش ذرات | زمینه فلزی |
70 | 100 | 106 | 6/4 | 680 | 50/40 | Cobalt |
56 | 94 | 89 | 2/1 | 364 | 50/40 | Cobalt-Bronze |
62 | 128 | 78 | 80 | 346 | 50/40 | Cobalt-Iron |
- 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:
- 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.
- بررسی اثرات دما، زمان و فشار سیتترینگ بر خواص نهایی سگمنتها.
- 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.