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.

1. 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.

1. 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

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.