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如何提高提高金剛石工具質(zhì)量
查看：805 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:57:00
據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，中國(guó)石材總產(chǎn)量、石材出口量和石材消耗量均達(dá)到世界首位：有石材加工企業(yè)2萬(wàn)多家，從業(yè)人員近500萬(wàn)，年產(chǎn)石料600萬(wàn)立方米，年產(chǎn)板材1.2億平方米，年創(chuàng)產(chǎn)值超過(guò)800億元，擁有先進(jìn)生產(chǎn)線500多條，進(jìn)出口總額超過(guò)12億美元，成為名符其實(shí)的石材生產(chǎn)大國(guó)。而金剛石與金剛石工具廠家已超過(guò)1000家，1999年年產(chǎn)金剛石已超過(guò)7.5億克拉，成為金剛石生產(chǎn)大國(guó)。金剛石鋸片已能滿足國(guó)內(nèi)需求。有近1/3產(chǎn)品出口，在DIY市場(chǎng)形成一定競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。 
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，中國(guó)進(jìn)入WTO，如何使中國(guó)成為生產(chǎn)金剛石工具的強(qiáng)國(guó)，是值得我們考慮的問(wèn)題也是我們需要提升的問(wèn)題。 
如何提高金剛石工具的質(zhì)量？途徑簡(jiǎn)要分析如下：
1．為金剛石工具制造提供高強(qiáng)度金剛石 
金剛石的品級(jí)質(zhì)量、粒度和濃度對(duì)金剛石工具有決定性的作用。我國(guó)在金剛石合成方面，六面頂小噸位高強(qiáng)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(duì)我國(guó)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(qiáng)金剛石是完全可能的。國(guó)外的金剛石公司，除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外，De Beers針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)推出BKI、BK30、BK60、BK70金剛石，韓國(guó)日進(jìn)公司推出六面頂合成的SDS系列金剛石，都值得我國(guó)同行借鑒。 
2．強(qiáng)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(gè)關(guān)鍵因素是提高胎體對(duì)金剛石的把持力。胎體對(duì)金剛石有好的把持力，金剛石就不會(huì)過(guò)早脫落，并具有最大的凸出高度，切割時(shí)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(jī)械把持力。這是由于金屬粉末在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生收縮，形成壓縮應(yīng)力把持住金剛石。壓縮應(yīng)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(jié)時(shí)或晶體形成與長(zhǎng)大引起體積變化所致。由于胎體屈服強(qiáng)度有限，故產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力與機(jī)械把持力有限。
 
粉末中添加少量強(qiáng)碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其對(duì)金剛石潤(rùn)濕性與親和力較好，燒結(jié)時(shí)在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的次金結(jié)合，有利于把持力的加強(qiáng)與提高。 
金剛石表面鍍覆一層強(qiáng)碳化物形成金屬元素如Cr、Ni、Ti、W等。這是近幾年來(lái)采用較多的工藝措施。為此燕山大學(xué)專(zhuān)門(mén)研制生產(chǎn)了三種型號(hào)的真空微蒸發(fā)鍍鈦設(shè)備。 
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究與使用表明，金剛石鍍覆技術(shù)最為有效的使用條件與范圍是： 
適用于高品級(jí)金剛石，效果更為明顯； 
在純鉆胎體中對(duì)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(hù)混凝土(Green Concrete)和加強(qiáng)(鋼筋)混凝土鋸片中采用鍍鎢金剛石。 
鍍鎳金剛石適用于樹(shù)脂結(jié)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(zhì)合金工具用精密樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪。因?yàn)殂y的價(jià)格不算十分昂貴，適于高精密磨削，其導(dǎo)熱性能好，適用于油冷磨削硬質(zhì)合金。同時(shí)銀是一種很好的潤(rùn)滑劑，可減小砂輪與工件之間的摩擦，發(fā)熱量不大。 
鍍覆強(qiáng)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(jié)時(shí)間條件下的氧化、石墨化以及鐵元素的熱蝕性。筆者對(duì)不同金屬鍍覆金剛石進(jìn)行TG(熱重)分析，發(fā)現(xiàn)金剛石在800℃左右即開(kāi)始失重與石墨化。而鍍Ti、W、TiN等金剛石分別在900℃、925℃與940℃時(shí)才開(kāi)始失重與石墨化。說(shuō)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(duì)高溫?zé)Y(jié)胎體有明顯的保護(hù)作用。 
鍍覆強(qiáng)碳化物元素在燒結(jié)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(xué)鍵合與冶金結(jié)合，大大提高胎體對(duì)金剛石的把持力，對(duì)鍍鎢金剛石進(jìn)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(qiáng)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(xì)粉末與預(yù)合金化粉末 
在生產(chǎn)專(zhuān)用鋸片時(shí)，宜采用超細(xì)金屬粉末與預(yù)合金化粉末。金屬粉末細(xì)化有利于降低燒結(jié)溫度、提高硬度。采用預(yù)合金化粉末，可防止低熔點(diǎn)金屬過(guò)早流失與偏析，有利于燒結(jié)制品的彈性極限和屈服強(qiáng)度，增加對(duì)金剛石的把持力，還可降低燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間。韓國(guó)在生產(chǎn)高檔鋸片時(shí)，廣泛使用BASF，UM，INCO，F(xiàn)um-tungstene, Kennametal等公司的超細(xì)粉末與預(yù)合金粉末。 
4．刀頭生產(chǎn)推廣制粒工藝 
制粒工藝在我國(guó)的硬質(zhì)合金、陶瓷生產(chǎn)中已廣泛地被采用，近年來(lái)在金剛石刀頭生產(chǎn)中也獲得了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。粉末制粒的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)性，使容積式冷壓工藝應(yīng)用成為可能，普通冷壓工藝性更好，減少了粉塵對(duì)工人的危害。其缺點(diǎn)是增加了投資與工藝程序，制粒時(shí)要添加粘結(jié)劑，后者對(duì)焊接、燒結(jié)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(diǎn)：產(chǎn)量大，形狀均一。缺點(diǎn)：需清洗，不含金剛石，僅一種金屬，設(shè)備大。 
滾動(dòng)法：優(yōu)點(diǎn)：易于操作，石蠟粘結(jié)性好，球形。缺點(diǎn)：制粒工藝不穩(wěn)定，含金剛石，制粒困難，需過(guò)篩。 
擠壓篩分法：優(yōu)點(diǎn)：速度快，粘結(jié)劑用量少，易于操作。缺點(diǎn)：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(diǎn)：簡(jiǎn)單，投資少，可含金剛石，生產(chǎn)量小。缺點(diǎn)：難以選擇粘結(jié)劑，所需勞動(dòng)繁重，形狀不規(guī)則。 
壓力搓篩與滾動(dòng)法：優(yōu)點(diǎn)：工藝穩(wěn)定，易于清洗，可自動(dòng)化，可含金剛石，一次制粒量任選。缺點(diǎn)：難以選擇粘結(jié)劑，需用較多熔劑。 
低速攪拌高速斬切法：優(yōu)點(diǎn)：可自動(dòng)化，粒度大小可人為控制。缺點(diǎn)：不含金剛石，一次制粒量不能太少，合格率70％～80%。 
德國(guó)飛羽公司推出GA180、GA240制粒機(jī)，其制粒工藝由于混→加粘結(jié)劑攪拌→刮板搓篩→滾動(dòng)制粒構(gòu)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(guó)迪愛(ài)克斯公司推出CA-10制粒機(jī)，其工藝由加粘結(jié)劑干混→外圓低速攪拌(25～28r/min)→中心高速斬切(2300～2800r/min)構(gòu)成。 
為了制粒，德國(guó)研制了GB300、400、500型粘結(jié)劑，韓國(guó)使用Olycox，我國(guó)南京思尚科貿(mào)中心研制成的WS-120造粒劑為白色團(tuán)體球狀粉末，密度為1.068g/cm3，熱分解溫度320～350℃，燒結(jié)后殘留灰分＜0.01%，已取代進(jìn)口粘結(jié)劑，已在各金剛石工具廠得到廣泛應(yīng)用。 
5．燒結(jié)工藝中推廣真空保護(hù)氣氛熱壓燒結(jié)工藝與設(shè)備 
燒結(jié)是金剛石鋸片生產(chǎn)中一道關(guān)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(jié)設(shè)備的技術(shù)性能也影響鋸片生產(chǎn)成本、產(chǎn)品與質(zhì)量。最近我們對(duì)金剛石鋸片整體燒結(jié)爐進(jìn)行了調(diào)研，用幾種有代表性的爐型同時(shí)采用同一配方粉末進(jìn)行對(duì)比燒結(jié)試驗(yàn)，其結(jié)果表明： 
(1)氫氣保護(hù)、無(wú)壓燒結(jié)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(jié)爐，爐溫分布均勻，氮?dú)獗Ｗo(hù)加壓燒結(jié)鋸片硬度高，密度大。鋸切時(shí)鋒利、壽命長(zhǎng)，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(hù)熱壓燒結(jié)爐設(shè)計(jì)性能優(yōu)越，適于單一規(guī)格鋸片的大批量生產(chǎn)，但對(duì)于多品種的適應(yīng)性差，爐溫分布有待進(jìn)一步完善； 
(4)SF500、ZBRY-2型燒結(jié)爐經(jīng)過(guò)完善后，是一種有發(fā)展前途的燒結(jié)設(shè)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(lái)，金剛石繩鋸在采石與建筑工程中得到了創(chuàng)造性的應(yīng)用，使金剛石繩鋸從采石場(chǎng)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(yīng)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(zhǎng)的趨勢(shì)。在發(fā)展進(jìn)程中有幾個(gè)主要特點(diǎn)： 
(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(jié)及高溫釬焊串珠，使繩鋸應(yīng)用范圍由大理石擴(kuò)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(jī)的發(fā)展，使多繩鋸成為可能，從而使繩鋸機(jī)進(jìn)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(jī)。 
(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(qiáng)度與使用壽命。 
熱等靜壓(HIP)是將燒結(jié)好的制品，置于熱等靜壓機(jī)中，以惰性氣體Ar(氬氣)為傳壓介質(zhì)，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(shí)間即可。 
熱等靜壓可降低制品中的孔隙度，提高密度、強(qiáng)度、沖擊韌性及使用性能。我國(guó)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(zhì)合金廠都有熱等靜壓設(shè)備。 
(5)采用單層高溫釬焊金剛石串珠 
該工藝是我國(guó)臺(tái)北臺(tái)灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的專(zhuān)利新技術(shù)，高溫釬焊串珠中金剛石排列規(guī)則，分布合理，化學(xué)鍵合與冶金結(jié)合并存，金剛石把持力強(qiáng)、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(dāng)，鋸片成本下降。 
7．積極發(fā)展高檔激光焊接專(zhuān)用鋸片 
激光焊接鋸片由于具有很多優(yōu)點(diǎn)，在美國(guó)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(guó)已超過(guò)20條。因此發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力，研制高檔激光焊接專(zhuān)用鋸片，占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)是我們的發(fā)展目標(biāo)。 
(1)激光發(fā)生器不斷完善與更新?lián)Q代。國(guó)外已由橫流式、快速軸流式發(fā)展到第三代板塊式。功率達(dá)2～2.5kW,我國(guó)研制出氣體橫向流動(dòng)、縱向約束放電激勵(lì)、多折激光諧振腔、低吸收光學(xué)元件激光發(fā)生器。它們的特點(diǎn)是：功率大，耗氣量少，運(yùn)行成本低，維修工作量少，工作可靠，光束質(zhì)量好，光斑小，焊接質(zhì)量提高。 
(2)鋸片基體與刀頭固定方式由手動(dòng)改為全自動(dòng)，精度高，工作可靠。美國(guó)、意大利、德國(guó)、韓國(guó)與我國(guó)都有不同固定方式，其中有手動(dòng)夾具、磁力夾具、氣動(dòng)夾具、滾壓夾具等。 
(3)不用焊料，但必須采用合理過(guò)渡層配方，使其性能與工作層及基體相匹配，提高焊接強(qiáng)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(duì)含Cu、Sn、W、Wc、Pb過(guò)多的胎體難以焊接。 
(5)為適應(yīng)瀝青、養(yǎng)護(hù)混凝土加工的需要，研制斜齒、高低齒、刀形齒、硬質(zhì)合金加強(qiáng)齒。 
(6)重視激光鋸片刀頭燒結(jié)工藝的研究，選擇合理的燒結(jié)溫度、壓力與時(shí)間，控制好燒結(jié)氣氛與溫度，是保證激光焊接質(zhì)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(zhì)量與強(qiáng)度。
 
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