提高金剛石工具質量的有效途徑
2007年07月24日 0:0 11564次瀏覽 來源： 中國有色網(wǎng) 分類： 新技術
據(jù)調查結果顯示，中國石材總產(chǎn)量、石材出口量和石材消耗量均達到世界首位：有石材加工企業(yè)2萬多家，從業(yè)人員近500萬，年產(chǎn)石料600萬立方米，年產(chǎn)板材1.2億平方米，年創(chuàng)產(chǎn)值超過800億元，擁有先進生產(chǎn)線500多條，進出口總額超過12億美元，成為名符其實的石材生產(chǎn)大國。而金剛石與金剛石工具廠家已超過1000家，1999年年產(chǎn)金剛石已超過7.5億克拉，成為金剛石生產(chǎn)大國。金剛石鋸片已能滿足國內(nèi)需求。有近1/3產(chǎn)品出口，在DIY市場形成一定競爭實力。
隨著全球經(jīng)濟一體化，中國進入WTO，如何使中國成為生產(chǎn)金剛石工具的強國，是值得我們考慮的問題也是我們需要提升的問題。
如何提高金剛石工具的質量？途徑簡要分析如下：
1．為金剛石工具制造提供高強度金剛石
金剛石的品級質量、粒度和濃度對金剛石工具有決定性的作用。我國在金剛石合成方面，六面頂小噸位高強工藝已趨成熟，六面頂大噸位大腔體工藝不斷完善，兩面頂合成金剛石也初具規(guī)模，粉末觸媒合成、碳素、葉臘石塊原材料生產(chǎn)不斷完善。因此針對我國金剛石工具制造，批量合成性能穩(wěn)定、粗顆粒、熱穩(wěn)定性能好的高強金剛石是完全可能的。國外的金剛石公司，除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外，De Beers針對中國市場推出BKI、BK30、BK60、BK70金剛石，韓國日進公司推出六面頂合成的SDS系列金剛石，都值得我國同行借鑒。
2．強碳化物形成元素 提高金剛石把持力
提高金剛石鋸片切割效率與壽命的一個關鍵因素是提高胎體對金剛石的把持力。胎體對金剛石有好的把持力，金剛石就不會過早脫落，并具有最大的凸出高度，切割時鋒利，效率高。
提高金剛石把持力一般有以下三種方法：
提高機械把持力。這是由于金屬粉末在燒結時產(chǎn)生收縮，形成壓縮應力把持住金剛石。壓縮應力的產(chǎn)生是由于金剛石與胎體金屬熱膨脹系數(shù)不同，由于燒結時或晶體形成與長大引起體積變化所致。由于胎體屈服強度有限，故產(chǎn)生的壓縮應力與機械把持力有限。
粉末中添加少量強碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其對金剛石潤濕性與親和力較好，燒結時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物，實現(xiàn)對金剛石的次金結合，有利于把持力的加強與提高。
提高機械把持力。這是由于金屬粉末在燒結時產(chǎn)生收縮，形成壓縮應力把持住金剛石。壓縮應力的產(chǎn)生是由于金剛石與胎體金屬熱膨脹系數(shù)不同，由于燒結時或晶體形成與長大引起體積變化所致。由于胎體屈服強度有限，故產(chǎn)生的壓縮應力與機械把持力有限。
粉末中添加少量強碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其對金剛石潤濕性與親和力較好，燒結時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物，實現(xiàn)對金剛石的次金結合，有利于把持力的加強與提高。
金剛石表面鍍覆一層強碳化物形成金屬元素如Cr、Ni、Ti、W等。這是近幾年來采用較多的工藝措施。為此燕山大學專門研制生產(chǎn)了三種型號的真空微蒸發(fā)鍍鈦設備。
根據(jù)國內(nèi)外的實驗研究與使用表明，金剛石鍍覆技術最為有效的使用條件與范圍是：
適用于高品級金剛石，效果更為明顯；
在純鉆胎體中對把持力的提高次序是：鍍Cr＞鍍Ti＞未鍍覆金剛石。
MBS-960Cr2鍍鉻金剛石適用于Co基胎體、低鐵低青銅胎體和WC胎體。
MBS-960Ti2鍍鈦金剛石適用于鉆青銅基胎體，鐵基胎體。
在切割瀝青、養(yǎng)護混凝土(Green Concrete)和加強(鋼筋)混凝土鋸片中采用鍍鎢金剛石。
鍍鎳金剛石適用于樹脂結合劑砂輪，其使用效果依次為：針刺形鍍鎳金剛石＞鍍鎳金剛石＞未鍍鎳金剛石。
鍍銀金剛石適用于磨削碳化鎢硬質合金工具用精密樹脂結合劑砂輪。因為銀的價格不算十分昂貴，適于高精密磨削，其導熱性能好，適用于油冷磨削硬質合金。同時銀是一種很好的潤滑劑，可減小砂輪與工件之間的摩擦，發(fā)熱量不大。
鍍覆強碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金剛石把持力，主要是由于：
鍍覆金屬可防止金剛石在一定溫度、壓力與燒結時間條件下的氧化、石墨化以及鐵元素的熱蝕性。筆者對不同金屬鍍覆金剛石進行TG(熱重)分析，發(fā)現(xiàn)金剛石在800℃左右即開始失重與石墨化。而鍍Ti、W、TiN等金剛石分別在900℃、925℃與940℃時才開始失重與石墨化。說明金剛石鍍覆金屬后有利于防止氧化與石墨化，能承受熱沖擊與熱分解。對高溫燒結胎體有明顯的保護作用。
鍍覆強碳化物元素在燒結條件下可在金剛石與胎體界面形成碳化物合金，有利于金剛石與胎體金屬的化學鍵合與冶金結合，大大提高胎體對金剛石的把持力，對鍍鎢金剛石進行X射線分析，發(fā)現(xiàn)在金剛石表面已形成WC相。
可提高金剛石的靜壓強度5％～20%。
金剛石鍍覆金屬后，可提高金剛石的摩擦力，而后者有助于增加把持力。
適用于高品級金剛石，效果更為明顯；
在純鉆胎體中對把持力的提高次序是：鍍Cr＞鍍Ti＞未鍍覆金剛石。
MBS-960Cr2鍍鉻金剛石適用于Co基胎體、低鐵低青銅胎體和WC胎體。
MBS-960Ti2鍍鈦金剛石適用于鉆青銅基胎體，鐵基胎體。
在切割瀝青、養(yǎng)護混凝土(Green Concrete)和加強(鋼筋)混凝土鋸片中采用鍍鎢金剛石。
鍍鎳金剛石適用于樹脂結合劑砂輪，其使用效果依次為：針刺形鍍鎳金剛石＞鍍鎳金剛石＞未鍍鎳金剛石。
鍍銀金剛石適用于磨削碳化鎢硬質合金工具用精密樹脂結合劑砂輪。因為銀的價格不算十分昂貴，適于高精密磨削，其導熱性能好，適用于油冷磨削硬質合金。同時銀是一種很好的潤滑劑，可減小砂輪與工件之間的摩擦，發(fā)熱量不大。
鍍覆強碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金剛石把持力，主要是由于：
鍍覆金屬可防止金剛石在一定溫度、壓力與燒結時間條件下的氧化、石墨化以及鐵元素的熱蝕性。筆者對不同金屬鍍覆金剛石進行TG(熱重)分析，發(fā)現(xiàn)金剛石在800℃左右即開始失重與石墨化。而鍍Ti、W、TiN等金剛石分別在900℃、925℃與940℃時才開始失重與石墨化。說明金剛石鍍覆金屬后有利于防止氧化與石墨化，能承受熱沖擊與熱分解。對高溫燒結胎體有明顯的保護作用。
鍍覆強碳化物元素在燒結條件下可在金剛石與胎體界面形成碳化物合金，有利于金剛石與胎體金屬的化學鍵合與冶金結合，大大提高胎體對金剛石的把持力，對鍍鎢金剛石進行X射線分析，發(fā)現(xiàn)在金剛石表面已形成WC相。
可提高金剛石的靜壓強度5％～20%。
金剛石鍍覆金屬后，可提高金剛石的摩擦力，而后者有助于增加把持力。
3．超細粉末與預合金化粉末
在生產(chǎn)專用鋸片時，宜采用超細金屬粉末與預合金化粉末。金屬粉末細化有利于降低燒結溫度、提高硬度。采用預合金化粉末，可防止低熔點金屬過早流失與偏析，有利于燒結制品的彈性極限和屈服強度，增加對金剛石的把持力，還可降低燒結溫度與保溫時間。韓國在生產(chǎn)高檔鋸片時，廣泛使用BASF，UM，INCO，F(xiàn)um-tungstene, Kennametal等公司的超細粉末與預合金粉末。
在生產(chǎn)專用鋸片時，宜采用超細金屬粉末與預合金化粉末。金屬粉末細化有利于降低燒結溫度、提高硬度。采用預合金化粉末，可防止低熔點金屬過早流失與偏析，有利于燒結制品的彈性極限和屈服強度，增加對金剛石的把持力，還可降低燒結溫度與保溫時間。韓國在生產(chǎn)高檔鋸片時，廣泛使用BASF，UM，INCO，F(xiàn)um-tungstene, Kennametal等公司的超細粉末與預合金粉末。
4．刀頭生產(chǎn)推廣制粒工藝
制粒工藝在我國的硬質合金、陶瓷生產(chǎn)中已廣泛地被采用，近年來在金剛石刀頭生產(chǎn)中也獲得了廣泛應用與發(fā)展。粉末制粒的優(yōu)點是，金剛石的偏析減少，分布更為均勻，改善了刀頭的切割性能，增加粉末的流動性，使容積式冷壓工藝應用成為可能，普通冷壓工藝性更好，減少了粉塵對工人的危害。其缺點是增加了投資與工藝程序，制粒時要添加粘結劑，后者對焊接、燒結和胎體性能可能有不利的影響。
制粒工藝在我國的硬質合金、陶瓷生產(chǎn)中已廣泛地被采用，近年來在金剛石刀頭生產(chǎn)中也獲得了廣泛應用與發(fā)展。粉末制粒的優(yōu)點是，金剛石的偏析減少，分布更為均勻，改善了刀頭的切割性能，增加粉末的流動性，使容積式冷壓工藝應用成為可能，普通冷壓工藝性更好，減少了粉塵對工人的危害。其缺點是增加了投資與工藝程序，制粒時要添加粘結劑，后者對焊接、燒結和胎體性能可能有不利的影響。
各種制粒方法的比較：
噴霧法：優(yōu)點：產(chǎn)量大，形狀均一。缺點：需清洗，不含金剛石，僅一種金屬，設備大。
滾動法：優(yōu)點：易于操作，石蠟粘結性好，球形。缺點：制粒工藝不穩(wěn)定，含金剛石，制粒困難，需過篩。
擠壓篩分法：優(yōu)點：速度快，粘結劑用量少，易于操作。缺點：不含金剛石，需篩分，形狀不均一，合格率20％～40%。
手工篩分法：優(yōu)點：簡單，投資少，可含金剛石，生產(chǎn)量小。缺點：難以選擇粘結劑，所需勞動繁重，形狀不規(guī)則。
壓力搓篩與滾動法：優(yōu)點：工藝穩(wěn)定，易于清洗，可自動化，可含金剛石，一次制粒量任選。缺點：難以選擇粘結劑，需用較多熔劑。
低速攪拌高速斬切法：優(yōu)點：可自動化，粒度大小可人為控制。缺點：不含金剛石，一次制粒量不能太少，合格率70％～80%。
德國飛羽公司推出GA180、GA240制粒機，其制粒工藝由于混→加粘結劑攪拌→刮板搓篩→滾動制粒構成。采用此法使刀頭冷壓速度提高3倍，模具壽命提高1倍，冷壓成本降低2/3。
韓國迪愛克斯公司推出CA-10制粒機，其工藝由加粘結劑干混→外圓低速攪拌(25～28r/min)→中心高速斬切(2300～2800r/min)構成。
為了制粒，德國研制了GB300、400、500型粘結劑，韓國使用Olycox，我國南京思尚科貿(mào)中心研制成的WS-120造粒劑為白色團體球狀粉末，密度為1.068g/cm3，熱分解溫度320～350℃，燒結后殘留灰分＜0.01%，已取代進口粘結劑，已在各金剛石工具廠得到廣泛應用。
噴霧法：優(yōu)點：產(chǎn)量大，形狀均一。缺點：需清洗，不含金剛石，僅一種金屬，設備大。
滾動法：優(yōu)點：易于操作，石蠟粘結性好，球形。缺點：制粒工藝不穩(wěn)定，含金剛石，制粒困難，需過篩。
擠壓篩分法：優(yōu)點：速度快，粘結劑用量少，易于操作。缺點：不含金剛石，需篩分，形狀不均一，合格率20％～40%。
手工篩分法：優(yōu)點：簡單，投資少，可含金剛石，生產(chǎn)量小。缺點：難以選擇粘結劑，所需勞動繁重，形狀不規(guī)則。
壓力搓篩與滾動法：優(yōu)點：工藝穩(wěn)定，易于清洗，可自動化，可含金剛石，一次制粒量任選。缺點：難以選擇粘結劑，需用較多熔劑。
低速攪拌高速斬切法：優(yōu)點：可自動化，粒度大小可人為控制。缺點：不含金剛石，一次制粒量不能太少，合格率70％～80%。
德國飛羽公司推出GA180、GA240制粒機，其制粒工藝由于混→加粘結劑攪拌→刮板搓篩→滾動制粒構成。采用此法使刀頭冷壓速度提高3倍，模具壽命提高1倍，冷壓成本降低2/3。
韓國迪愛克斯公司推出CA-10制粒機，其工藝由加粘結劑干混→外圓低速攪拌(25～28r/min)→中心高速斬切(2300～2800r/min)構成。
為了制粒，德國研制了GB300、400、500型粘結劑，韓國使用Olycox，我國南京思尚科貿(mào)中心研制成的WS-120造粒劑為白色團體球狀粉末，密度為1.068g/cm3，熱分解溫度320～350℃，燒結后殘留灰分＜0.01%，已取代進口粘結劑，已在各金剛石工具廠得到廣泛應用。
5．燒結工藝中推廣真空保護氣氛熱壓燒結工藝與設備
燒結是金剛石鋸片生產(chǎn)中一道關鍵工藝，它的好壞將影響鋸片的刀頭密度、硬度與切割性能，燒結設備的技術性能也影響鋸片生產(chǎn)成本、產(chǎn)品與質量。最近我們對金剛石鋸片整體燒結爐進行了調研，用幾種有代表性的爐型同時采用同一配方粉末進行對比燒結試驗，其結果表明：
(1)氫氣保護、無壓燒結并式爐與鐘罩爐適于生產(chǎn)低檔小尺寸鋸片，它單次產(chǎn)量大，但鋸片壽命較低；
(2)CSF500熱壓燒結爐，爐溫分布均勻，氮氣保護加壓燒結鋸片硬度高，密度大。鋸切時鋒利、壽命長，可生產(chǎn)高檔鋸片，并能生產(chǎn)多規(guī)格多品種鋸片；
(3)RYL系列中頻氣氛保護熱壓燒結爐設計性能優(yōu)越，適于單一規(guī)格鋸片的大批量生產(chǎn)，但對于多品種的適應性差，爐溫分布有待進一步完善；
(4)SF500、ZBRY-2型燒結爐經(jīng)過完善后，是一種有發(fā)展前途的燒結設備。
燒結是金剛石鋸片生產(chǎn)中一道關鍵工藝，它的好壞將影響鋸片的刀頭密度、硬度與切割性能，燒結設備的技術性能也影響鋸片生產(chǎn)成本、產(chǎn)品與質量。最近我們對金剛石鋸片整體燒結爐進行了調研，用幾種有代表性的爐型同時采用同一配方粉末進行對比燒結試驗，其結果表明：
(1)氫氣保護、無壓燒結并式爐與鐘罩爐適于生產(chǎn)低檔小尺寸鋸片，它單次產(chǎn)量大，但鋸片壽命較低；
(2)CSF500熱壓燒結爐，爐溫分布均勻，氮氣保護加壓燒結鋸片硬度高，密度大。鋸切時鋒利、壽命長，可生產(chǎn)高檔鋸片，并能生產(chǎn)多規(guī)格多品種鋸片；
(3)RYL系列中頻氣氛保護熱壓燒結爐設計性能優(yōu)越，適于單一規(guī)格鋸片的大批量生產(chǎn)，但對于多品種的適應性差，爐溫分布有待進一步完善；
(4)SF500、ZBRY-2型燒結爐經(jīng)過完善后，是一種有發(fā)展前途的燒結設備。
6．金剛石繩鋸生產(chǎn)中采用熱等靜壓與高溫釬焊工藝
近十年來，金剛石繩鋸在采石與建筑工程中得到了創(chuàng)造性的應用，使金剛石繩鋸從采石場到石材加工廠，從大塊切割到修整成形，從板材切割到異形制品的加工以及建筑工程中多種應用，在世界范圍的石材切割中占有10%的份額，并且還有不斷增長的趨勢。在發(fā)展進程中有幾個主要特點：
(1)串珠生產(chǎn)方法由電鍍單層與雙層金屬金剛石串珠，到熱壓燒結及高溫釬焊串珠，使繩鋸應用范圍由大理石擴大到花崗巖與混凝土。
(2)繩鋸直徑由10～12mm減小到6～8mm，提高了加割效率，降低了材料消耗。
(3)CNC控制的繩鋸機的發(fā)展，使多繩鋸成為可能，從而使繩鋸機進入板材廠，可有效切割板材與異形制品，可取代框架鋸與橋式板材鋸機。
(4)將熱等靜壓工藝用于串珠生產(chǎn)，提高串珠的密度、硬度、強度與使用壽命。
熱等靜壓(HIP)是將燒結好的制品，置于熱等靜壓機中，以惰性氣體Ar(氬氣)為傳壓介質，溫度升至1320～1400℃，氣體受熱膨脹產(chǎn)生80～150MPa壓力，將串珠置于玻璃包套中處理一定時間即可。
熱等靜壓可降低制品中的孔隙度，提高密度、強度、沖擊韌性及使用性能。我國北京鋼鐵研究院、中南工大粉冶所、北京有色金屬研究總院、株洲硬質合金廠都有熱等靜壓設備。
近十年來，金剛石繩鋸在采石與建筑工程中得到了創(chuàng)造性的應用，使金剛石繩鋸從采石場到石材加工廠，從大塊切割到修整成形，從板材切割到異形制品的加工以及建筑工程中多種應用，在世界范圍的石材切割中占有10%的份額，并且還有不斷增長的趨勢。在發(fā)展進程中有幾個主要特點：
(1)串珠生產(chǎn)方法由電鍍單層與雙層金屬金剛石串珠，到熱壓燒結及高溫釬焊串珠，使繩鋸應用范圍由大理石擴大到花崗巖與混凝土。
(2)繩鋸直徑由10～12mm減小到6～8mm，提高了加割效率，降低了材料消耗。
(3)CNC控制的繩鋸機的發(fā)展，使多繩鋸成為可能，從而使繩鋸機進入板材廠，可有效切割板材與異形制品，可取代框架鋸與橋式板材鋸機。
(4)將熱等靜壓工藝用于串珠生產(chǎn)，提高串珠的密度、硬度、強度與使用壽命。
熱等靜壓(HIP)是將燒結好的制品，置于熱等靜壓機中，以惰性氣體Ar(氬氣)為傳壓介質，溫度升至1320～1400℃，氣體受熱膨脹產(chǎn)生80～150MPa壓力，將串珠置于玻璃包套中處理一定時間即可。
熱等靜壓可降低制品中的孔隙度，提高密度、強度、沖擊韌性及使用性能。我國北京鋼鐵研究院、中南工大粉冶所、北京有色金屬研究總院、株洲硬質合金廠都有熱等靜壓設備。
(5)采用單層高溫釬焊金剛石串珠
該工藝是我國臺北臺灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的專利新技術，高溫釬焊串珠中金剛石排列規(guī)則，分布合理，化學鍵合與冶金結合并存，金剛石把持力強、突出高。其金剛石使用量可節(jié)省一半，鋸切速度為普通鋸片的2～4倍，切割壽命相當，鋸片成本下降。
該工藝是我國臺北臺灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的專利新技術，高溫釬焊串珠中金剛石排列規(guī)則，分布合理，化學鍵合與冶金結合并存，金剛石把持力強、突出高。其金剛石使用量可節(jié)省一半，鋸切速度為普通鋸片的2～4倍，切割壽命相當，鋸片成本下降。
7．積極發(fā)展高檔激光焊接專用鋸片
激光焊接鋸片由于具有很多優(yōu)點，在美國和歐洲不斷獲得發(fā)展，到目前已有15年的歷史，全世界金剛石工具行業(yè)已有300條激光鋸片生產(chǎn)線，在我國已超過20條。因此發(fā)揮現(xiàn)有設備的生產(chǎn)能力，研制高檔激光焊接專用鋸片，占領國際市場是我們的發(fā)展目標。
(1)激光發(fā)生器不斷完善與更新?lián)Q代。國外已由橫流式、快速軸流式發(fā)展到第三代板塊式。功率達2～2.5kW,我國研制出氣體橫向流動、縱向約束放電激勵、多折激光諧振腔、低吸收光學元件激光發(fā)生器。它們的特點是：功率大，耗氣量少，運行成本低，維修工作量少，工作可靠，光束質量好，光斑小，焊接質量提高。
(2)鋸片基體與刀頭固定方式由手動改為全自動，精度高，工作可靠。美國、意大利、德國、韓國與我國都有不同固定方式，其中有手動夾具、磁力夾具、氣動夾具、滾壓夾具等。
(3)不用焊料，但必須采用合理過渡層配方，使其性能與工作層及基體相匹配，提高焊接強度、焊透性，減少氣孔與裂紋。
(4)研制合理的工作層配方。一般Fe基、Co基、Ni基胎體易焊接，對含Cu、Sn、W、Wc、Pb過多的胎體難以焊接。
(5)為適應瀝青、養(yǎng)護混凝土加工的需要，研制斜齒、高低齒、刀形齒、硬質合金加強齒。
(6)重視激光鋸片刀頭燒結工藝的研究，選擇合理的燒結溫度、壓力與時間，控制好燒結氣氛與溫度，是保證激光焊接質量的重要因素。
(7)選擇合理的焊接工藝參數(shù)，控制好焊接功率、角度、速度、偏移量、深寬比，保證焊接質量與強度。
激光焊接鋸片由于具有很多優(yōu)點，在美國和歐洲不斷獲得發(fā)展，到目前已有15年的歷史，全世界金剛石工具行業(yè)已有300條激光鋸片生產(chǎn)線，在我國已超過20條。因此發(fā)揮現(xiàn)有設備的生產(chǎn)能力，研制高檔激光焊接專用鋸片，占領國際市場是我們的發(fā)展目標。
(1)激光發(fā)生器不斷完善與更新?lián)Q代。國外已由橫流式、快速軸流式發(fā)展到第三代板塊式。功率達2～2.5kW,我國研制出氣體橫向流動、縱向約束放電激勵、多折激光諧振腔、低吸收光學元件激光發(fā)生器。它們的特點是：功率大，耗氣量少，運行成本低，維修工作量少，工作可靠，光束質量好，光斑小，焊接質量提高。
(2)鋸片基體與刀頭固定方式由手動改為全自動，精度高，工作可靠。美國、意大利、德國、韓國與我國都有不同固定方式，其中有手動夾具、磁力夾具、氣動夾具、滾壓夾具等。
(3)不用焊料，但必須采用合理過渡層配方，使其性能與工作層及基體相匹配，提高焊接強度、焊透性，減少氣孔與裂紋。
(4)研制合理的工作層配方。一般Fe基、Co基、Ni基胎體易焊接，對含Cu、Sn、W、Wc、Pb過多的胎體難以焊接。
(5)為適應瀝青、養(yǎng)護混凝土加工的需要，研制斜齒、高低齒、刀形齒、硬質合金加強齒。
(6)重視激光鋸片刀頭燒結工藝的研究，選擇合理的燒結溫度、壓力與時間，控制好燒結氣氛與溫度，是保證激光焊接質量的重要因素。
(7)選擇合理的焊接工藝參數(shù)，控制好焊接功率、角度、速度、偏移量、深寬比，保證焊接質量與強度。
（中國石材網(wǎng)）
責任編輯：CNMN
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