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如何提高提高金剛石工具質(zhì)量

查看：1375 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:57:00

據(jù)調(diào)查結(jié)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(jié)時產(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(yīng)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(jié)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(jié)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(xué)專門研制生產(chǎn)了三種型號的真空微蒸發(fā)鍍鈦設(shè)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(shù)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(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)合金工具用精密樹脂結(jié)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(dǎo)熱性能好，適用于油冷磨削硬質(zhì)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(jié)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?zé)Y(jié)胎體有明顯的保護作用。
鍍覆強碳化物元素在燒結(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(yù)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(yù)合金化粉末。金屬粉末細化有利于降低燒結(jié)溫度、提高硬度。采用預(yù)合金化粉末，可防止低熔點金屬過早流失與偏析，有利于燒結(jié)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(jié)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(yù)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(jié)劑，后者對焊接、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：產(chǎn)量大，形狀均一。缺點：需清洗，不含金剛石，僅一種金屬，設(shè)備大。
滾動法：優(yōu)點：易于操作，石蠟粘結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)劑攪拌→刮板搓篩→滾動制粒構(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。
韓國迪愛克斯公司推出CA-10制粒機，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，德國研制了GB300、400、500型粘結(jié)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(jié)后殘留灰分＜0.01%，已取代進口粘結(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。最近我們對金剛石鋸片整體燒結(jié)爐進行了調(diào)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(jié)試驗，其結(jié)果表明：
(1)氫氣保護、無壓燒結(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，氮氣保護加壓燒結(jié)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(jié)爐設(shè)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(yīng)性差，爐溫分布有待進一步完善；
(4)SF500、ZBRY-2型燒結(jié)爐經(jīng)過完善后，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，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(jié)及高溫釬焊串珠，使繩鋸應(yīng)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(jié)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(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(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
該工藝是我國臺北臺灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的專利新技術(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、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(shè)備的生產(chǎn)能力，研制高檔激光焊接專用鋸片，占領(lǐng)國際市場是我們的發(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(xué)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(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(yīng)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(zhì)合金加強齒。
(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)量與強度。

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