燒結金剛石鋸片斷裂原因的物證鑒定方法探討

     1.前言
　　隨著現代集成技術的問世，機加工向高精度方向發展，對刀具性能提出了相當高的要求。金剛石鋸片是一種切割工具，廣泛應用于混凝土、耐火材料、石材，陶瓷等硬脆材料的加工，以其發熱量小，導熱率高，刀刃不易鈍化，切削變形小，可以獲得較高質量的加工表面等特點，在超精密加工上的應用越來越廣泛，而其質量也越來越引起人們的關注。
　　2.案例說明
　　筆者近期參與了法院委托的，對XX市XX工具有限公司生產的金剛石圓鋸片在加工過程中發生斷裂的原因鑒定。本案中，涉案金剛石鋸片在切割地板磚的過程中突然斷裂飛出，擊中操作人員右眼導致其眼球破裂摘除，造成了嚴重的傷人事故。
　　針對委托事項，鑒定人員擬定鑒定方案，對已斷裂的涉案鋸片，開展外觀形狀、尺寸測量、成分分析、硬度檢測、顯微組織觀察和斷口分析等項目的檢測和金相組織分析，并依據檢測分析結果，判定產生斷裂的原因。
　　3.（鑒定）檢測過程（如下：）
　　3.1外觀形狀
　　該金剛石圓鋸片為燒結型，根據GB/T 11270.2-2002《超硬磨料制品 金剛石圓鋸片 第2部分：燒結鋸片》對其進行鑒定，檢材符合標準中4.2.2要求的窄槽干切型圓鋸片的形狀特征。涉案的鋸片是一個整體，斷裂發生在鋸片鋼體部位，見圖2。
　　圖1 圖2
　　3.2尺寸測量
　　依據GB/T 11270.2-2002對檢材進行尺寸測量，結果見表1。
　　表1：檢材尺寸測量結果
　　尺寸測量 D Z L2 A B C E T+0.20 X
　　X （T）S
　　測量結果（mm） 108 8個 35.9 9 2 4.4 1.2 1.60 10 9.7 0.34
　　注：量測位置見附圖3。
　　圖3、尺寸測量參考位置
　　3.3成分分析
　　GB/T 11270.2-2002《超硬磨料制品 金剛石圓鋸片 第2部分：燒結鋸片》附錄A.1中規定： “基體材料應符合GB/T 1222-2007規定的65Mn鋼或者機械性能不低于65Mn的鋼材” 。為此鑒定人員依據GB/T 4336-2002《碳素鋼和低合金鋼 火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》對檢材的化學成分進行檢測，并與常用65Mn鋼基體成分進行對比，結果見表2。
　　表2：檢材的成分分析結果
　　元素 C（碳） Si（硅） Mn（錳） P（磷） S（硫） Cr（鉻） Ni（鎳） Cu（銅）
　　檢測結果（%） 0.44 0.22 0.58 0.017 0.012 0.06 0.03 0.12
　　65Mn鋼的參考值（%） 0.62～ 0.70 0.17～ 0.37 0.90～ 1.20 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.30 --
　　注：余量為鐵
　　3.4硬度檢測
　　GB/T 11270.2-2002（《 超硬磨料制品 金剛石圓鋸片 第2部分：燒結鋸片》）附錄A.4的規定：“硬度為HRC37～42”“。
　　為此鑒定人員依據GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對檢材進行洛氏硬度試驗，結果無法顯示HRC數值。
　　鑒定人員重新選擇硬度檢測手段進行結果驗證，依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對檢材進行維氏硬度試驗，檢測結果見表3。
　　表3：檢材維氏硬度檢測結果
　　檢測樣品 檢測結果（HV10）
　　檢材 157 156 156 156
　　3.5 顯微組織檢查
　　由于鋸片斷裂部位發生在鋼體處，因此鑒定人員圍繞鋼體部位進行檢查。依據GB/T 13298-1991《金屬材料顯微組織檢驗方法》和GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》對檢材齒輪斷裂根部附近的鋼體進行顯微組織檢測，發現檢材的顯微組織為塊狀鐵素體+細小珠光體（見附圖4），可以確定檢材齒輪根部的鋼體熱處理不完全。
　　圖4 顯微組織照片（200X）
　　3.6 斷口分析
　　依據GB/T 19863-2005《體視顯微鏡試驗方法》和GB/T 17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》對檢材進行斷口分析（見附圖5），檢材沿槽根部斷裂，鋸片槽根部為應力集中部位，檢材的宏觀斷口未見明顯的塑性變形，微觀形貌存在二次裂紋和瞬時斷裂區（見附圖6～7），裂紋垂直檢材厚度方向擴展。
　　圖5 斷口微觀形貌
　　圖6 二次裂紋照片 圖7 瞬斷區照片
　　4.分析說明
　　由于該鋸片已經過多次使用，外形斷裂，已經無法對其（初始）出廠狀態的安全性能進行檢測，選擇對外觀、尺寸、化學成分、硬度及金相組織進行試驗。
　　4.1 依據鋸片類型選擇GB/T 11270.2-2002《超硬磨料制品 金剛石圓鋸片 第2部分：燒結鋸片》進行鑒定。涉案斷裂檢材經過拼接后檢查外觀與尺寸，基本符合標準要求。
　　4.2 涉案鋸片發生斷裂位置為檢材基體部位，GB/T 11270.2-2002中未明確規定要求檢材基體材質種類，但附錄A.1的規定：基體材料應符合GB/T 1222-2007規定的65Mn鋼或者機械性能不低于65Mn的鋼材。
　　從表2可以看出，本次檢測的成分分析結果顯示碳和錳兩種主要元素均低于65Mn鋼，影響基體材料性能。 　　4.3 GB/T 11270.2-2002附錄A.4規定“硬度為HRC37～42”。鑒定人員進行洛氏硬度試驗時未能檢出數據，說明鋸片檢材基體材料硬度低于HRC20，初步判定硬度不合格。
　　再選用維氏硬度試驗進行結果驗證，參考GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》可知洛氏硬度值37～42HRC對應維氏硬度值為350～404HV，洛氏硬度值20HRC對應維氏硬度值為226HV，依據結果可判定檢材基體硬度不符合GB/T 11270.2-2002要求。
　　4.4 檢查檢材基體顯微組織，主要為塊狀鐵素體+細小珠光體，存在部分細化不完全現象，細化不完全，所起到的強化作用有限，從而造成檢材的強度不夠導致鋸片在使用過程中容易發生斷裂。
　　4.5 檢材的宏觀斷口未見明顯的塑性變形，齒槽根部為鋸片的應力集中區，斷裂發生在齒槽根部。
　　綜上，檢材斷裂的主要原因在于基體化學成分未滿足65Mn鋼要求，碳和錳的含量明顯低于參考值，導致基體材料硬度過低，在使用過程中容易沿應力集中的齒槽根部發生斷裂，再加上基體鋼材熱處理不完全，不能起到足夠的強化作用，導致在使用中發生斷裂。
　　5.鑒定結論
　　涉案金剛石圓鋸片斷裂與基體鋼材的化學成分不達標導致硬度不足，以及熱處理不完全之間存在因果關系。
　　6.結束語
　　對此類鋸片斷裂原因進行鑒定時，針對可獲得的檢材，既可以依據產品類型選擇相應標準進行外觀、尺寸、化學成分、硬度等項目的檢測，還可以對檢材的顯微組織或斷口進行金相分析，依據檢測、分析的結果，判定產生斷裂的物證原因。