提高我国金刚石工具质量的有效途径
发布时间：2006/3/6 22:11:41
调查结果显示，我国石材总产量、石材出口量和石材消耗量均达到世界首位：有石材加工企业2万多家，从业人员近500万，年产石料600万立方米，年产板材1.2亿平方米，年创产值超过800亿元，拥有先进生产线500多条，进出口总额超过12亿美元，成为名符其实的石材生产大国。我国也是一个陶瓷生产大国，1999年各类瓷砖总产量16亿平方米(为世界总产量的33.6%)，总消耗量为13亿平方米(为世界总消耗量的30.8%)。而金刚石与金刚石工具厂家已超过1000家，1999年年产金刚石已超过7.5亿克拉，成为金刚石生产大国。金刚石锯片已能满足国内需求。有近1/3产品出口，在DIY市场形成一定竞争实力。
我国在上述几方面虽已跨入大国行列，但还不是强国。随着全球经济一体化，我国进入WTO，如何使我国成为生产金刚石工具的强国，这是摆在我国同行面前的一项重要课题。根据我们的实践与考察，仅就提高我国金刚石工具质量的问题，提出一些看法。
1．为金刚石工具制造提供批量生产性能稳定、粗颗粒、热稳定性好的高强度金刚石
金刚石的品级质量、粒度和浓度对金刚石工具有决定性的作用。我国在金刚石合成方面，六面顶小吨位高强工艺已趋成熟，六面顶大吨位大腔体工艺不断完善，两面顶合成金刚石也初具规模，粉末触媒合成、碳素、叶腊石块原材料生产不断完善。因此针对我国金刚石工具制造，批量合成性能稳定、粗颗粒、热稳定性能好的高强金刚石是完全可能的。国外的金刚石公司，除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外，De Beers针对中国市场推出BKI、BK30、BK60、BK70金刚石，韩国日进公司推出六面顶合成的SDS系列金刚石，都值得我国同行借鉴。
2．采用强碳化物形成元素，提高金刚石把持力
提高金刚石锯片切割效率与寿命的一个关键因素是提高胎体对金刚石的把持力。胎体对金刚石有玫陌殉至Γ鸶帐筒换峁缤崖洌⒕哂凶畲蟮耐钩龈叨龋懈钍狈胬矢摺?
提高金刚石把持力一般有以下三种方法：
(1)提高机械把持力。这是由于金属粉末在烧结时产生收缩，形成压缩应力把持住金刚石。压缩应力的产生是由于金刚石与胎体金属热膨胀系数不同，由于烧结时或晶体形成与长大引起体积变化所致。由于胎体屈服强度有限，故产生的压缩应力与机械把持力有限。
(2)粉末中添加少量强碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其对金刚石润湿性与亲和力较好，烧结时在金刚石与胎体金属界面上形成碳化物，实现对金刚石的次金结合，有利于把持力的加强与提高。
(3)金刚石表面镀覆一层强碳化物形成金属元素如Cr、Ni、Ti、W等。这是近几年来采用较多的工艺措施。为此燕山大学专门研制生产了三种型号的真空微蒸发镀钛设备。
根据国内外的实验研究与使用表明，金刚石镀覆技术*为有效的使用条件与范围是：
①适用于高品级金刚石，效果更为明显；
②在纯钻胎体中对把持力的提高次序是：镀Cr＞镀Ti＞未镀覆金刚石。
③MBS-960Cr2镀铬金刚石适用于Co基胎体、低铁低青铜胎体和WC胎体。
④MBS-960Ti2镀钛金刚石适用于钻青铜基胎体，铁基胎体。
⑤在切割沥青、养护混凝土(Green Concrete)和加强(钢筋)混凝土锯片中采用镀钨金刚石。
⑥镀镍金刚石适用于树脂结合剂砂轮，其使用效果依次为：针刺形镀镍金刚石＞镀镍金刚石＞未镀镍金刚石。
⑦镀银金刚石适用于磨削碳化钨硬质合金工具用精密树脂结合剂砂轮。因为银的价格不算十分昂贵，适于高精密磨削，其导热性能好，适用于油冷磨削硬质合金。同时银是一种很好的润滑剂，可减小砂轮与工件之间的摩擦，发热量不大。
镀覆强碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金刚石把持力，主要是由于：
①镀覆金属可防止金刚石在一定温度、压力与烧结时间条件下的氧化、石墨化以及铁元素的热蚀性。笔者对不同金属镀覆金刚石进行TG(热重)分析，发现金刚石在800℃左右即开始失重与石墨化。而镀Ti、W、TiN等金刚石分别在900℃、925℃与940℃时才开始失重与石墨化。说明金刚石镀覆金属后有利于防止氧化与石墨化，能承受热冲击与热分解。对高温烧结胎体有明显的保护作用。
②镀覆强碳化物元素在烧结条件下可在金刚石与胎体界面形成碳化物合金，有利于金刚石与胎体金属的化学键合与冶金结合，大大提高胎体对金刚石的把持力，对镀钨金刚石进行X射线分析，发现在金刚石表面已形成WC相。
③可提高金刚石的静压强度5％～20%。
④金刚石镀覆金属后，可提高金刚石的摩擦力，而后者有助于增加把持力。
3．采用超细粉末与预合金化粉末
在生产专用锯片时，宜采用超细金属粉末与预合金化粉末。金属粉末细化有利于降低烧结温度、提高硬度。采用预合金化粉末，可防止低熔点金属过早流失与偏析，有利于烧结制品的弹性极限和屈服强度，增加对金刚石的把持力，还可降低烧结温度与保温时间。我国上海材料所、北京人工晶体所、长沙冶金材料所与中南工大粉冶所都在这方面做了大量工作。韩国在生产*锯片时，广泛使用BASF，UM，INCO，Fum-tungstene, Kennametal等公司的超细粉末与预合金粉末。
4．在刀头生产中推广制粒工艺
制粒工艺在我国的硬质合金、陶瓷生产中已广泛地被采用，近年来在金刚石刀头生产中也获得了广泛应用与发展。粉末制粒的优点是，金刚石的偏析减少，分布更为均匀，改善了刀头的切割性能，增加粉末的流动性，使容积式冷压工艺应用成为可能，普通冷压工艺性更好，减少了粉尘对工人的危害。其缺点是增加了投资与工艺程序，制粒时要添加粘结剂，后者对焊接、烧结和胎体性能可能有不利的影响。各种制粒方法的优缺点比较见表3。
表3 各种制粒方法比较
喷雾法：优点：产量大，形状均一。缺点：需清洗，不含金刚石，仅一种金属，设备大。
滚动法：优点：易于操作，石蜡粘结性好，球形。缺点：制粒工艺不稳定，含金刚石，制粒困难，需过筛。
挤压筛分法：优点：速度快，粘结剂用量少，易于操作。缺点：不含金刚石，需筛分，形状不均一，合格率20％～40%。
手工筛分法：优点：简单，投资少，可含金刚石，生产量小。缺点：难以选择粘结剂，所需劳动繁重，形状不规则。
压力搓筛与滚动法：优点：工艺稳定，易于清洗，可自动化，可含金刚石，一次制粒量任选。缺点：难以选择粘结剂，需用较多熔剂。
低速搅拌高速斩切法：优点：可自动化，粒度大小可人为控制。缺点：不含金刚石，一次制粒量不能太少，合格率70％～80%。
德国飞羽公司推出GA180、GA240制粒机，其制粒工艺由于混→加粘结剂搅拌→刮板搓筛→滚动制粒构成。采用此法使刀头冷压速度提高3倍，模具寿命提高1倍，冷压成本降低2/3。
韩国迪爱克斯公司推出CA-10制粒机，其工艺由加粘结剂干混→外圆低速搅拌(25～28r/min)→中心高速斩切(2300～2800r/min)构成。
为了制粒，德国研制了GB300、400、500型粘结剂，韩国使用Olycox，我国南京思尚科贸中心研制成的WS-120造粒剂为白色团体球状粉末，密度为1.068g/cm3，热分解温度320～350℃，烧结后残留灰分＜0.01%，已取代进口粘结剂，已在各金刚石工具厂得到广泛应用。
5．烧结工艺中推广真空保护气氛热压烧结工艺与设备
烧结是金刚石锯片生产中一道关键工艺，它的好坏将影响锯片的刀头密度、硬度与切割性能，烧结设备的技术性能也影响锯片生产成本、产品与质量。*近我们对金刚石锯片整体烧结炉进行了调研，用几种有代表性的炉型同时采用同一配方粉末进行对比烧结试验，其结果表明：
(1)氢气保护、无压烧结并式炉与钟罩炉适于生产低档小尺寸锯片，它单次产量大，但锯片寿命较低；
(2)CSF500热压烧结炉，炉温分布均匀，氮气保护加压烧结锯片硬度高，密度大。锯切时锋利、寿命长，可生产*锯片，并能生产多规格多品种锯片；
(3)RYL系列中频气氛保护热压烧结炉设计性能优越，适于单一规格锯片的大批量生产，但对于多品种的适应性差，炉温分布有待进一步完善；
(4)SF500、ZBRY-2型烧结炉经过完善后，是一种有发展前途的烧结设备。
6．金刚石绳锯生产中采用热等静压与高温钎焊工艺
近十年来，金刚石绳锯在采石与建筑工程中得到了创造性的应用，使金刚石绳锯从采石场到石材加工厂，从大块切割到修整成形，从板材切割到异形制品的加工以及建筑工程中多种应用，在世界范围的石材切割中占有10%的份额，并且还有不断增长的趋势。在发展进程中有几个主要特点：
(1)串珠生产方法由电镀单层与双层金属金刚石串珠，到热压烧结及高温钎焊串珠，使绳锯应用范围由大理石扩大到花岗岩与混凝土。
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我国在上述几方面虽已跨入大国行列，但还不是强国。随着全球经济一体化，我国进入WTO，如何使我国成为生产金刚石工具的强国，这是摆在我国同行面前的一项重要课题。根据我们的实践与考察，仅就提高我国金刚石工具质量的问题，提出一些看法。
1．为金刚石工具制造提供批量生产性能稳定、粗颗粒、热稳定性好的高强度金刚石
金刚石的品级质量、粒度和浓度对金刚石工具有决定性的作用。我国在金刚石合成方面，六面顶小吨位高强工艺已趋成熟，六面顶大吨位大腔体工艺不断完善，两面顶合成金刚石也初具规模，粉末触媒合成、碳素、叶腊石块原材料生产不断完善。因此针对我国金刚石工具制造，批量合成性能稳定、粗颗粒、热稳定性能好的高强金刚石是完全可能的。国外的金刚石公司，除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外，De Beers针对中国市场推出BKI、BK30、BK60、BK70金刚石，韩国日进公司推出六面顶合成的SDS系列金刚石，都值得我国同行借鉴。
2．采用强碳化物形成元素，提高金刚石把持力
提高金刚石锯片切割效率与寿命的一个关键因素是提高胎体对金刚石的把持力。胎体对金刚石有玫陌殉至Γ鸶帐筒换峁缤崖洌⒕哂凶畲蟮耐钩龈叨龋懈钍狈胬矢摺?
提高金刚石把持力一般有以下三种方法：
(1)提高机械把持力。这是由于金属粉末在烧结时产生收缩，形成压缩应力把持住金刚石。压缩应力的产生是由于金刚石与胎体金属热膨胀系数不同，由于烧结时或晶体形成与长大引起体积变化所致。由于胎体屈服强度有限，故产生的压缩应力与机械把持力有限。
(2)粉末中添加少量强碳化物形成元素如Cr、W、Mo等，由于其对金刚石润湿性与亲和力较好，烧结时在金刚石与胎体金属界面上形成碳化物，实现对金刚石的次金结合，有利于把持力的加强与提高。
(3)金刚石表面镀覆一层强碳化物形成金属元素如Cr、Ni、Ti、W等。这是近几年来采用较多的工艺措施。为此燕山大学专门研制生产了三种型号的真空微蒸发镀钛设备。
根据国内外的实验研究与使用表明，金刚石镀覆技术*为有效的使用条件与范围是：
①适用于高品级金刚石，效果更为明显；
②在纯钻胎体中对把持力的提高次序是：镀Cr＞镀Ti＞未镀覆金刚石。
③MBS-960Cr2镀铬金刚石适用于Co基胎体、低铁低青铜胎体和WC胎体。
④MBS-960Ti2镀钛金刚石适用于钻青铜基胎体，铁基胎体。
⑤在切割沥青、养护混凝土(Green Concrete)和加强(钢筋)混凝土锯片中采用镀钨金刚石。
⑥镀镍金刚石适用于树脂结合剂砂轮，其使用效果依次为：针刺形镀镍金刚石＞镀镍金刚石＞未镀镍金刚石。
⑦镀银金刚石适用于磨削碳化钨硬质合金工具用精密树脂结合剂砂轮。因为银的价格不算十分昂贵，适于高精密磨削，其导热性能好，适用于油冷磨削硬质合金。同时银是一种很好的润滑剂，可减小砂轮与工件之间的摩擦，发热量不大。
镀覆强碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金刚石把持力，主要是由于：
①镀覆金属可防止金刚石在一定温度、压力与烧结时间条件下的氧化、石墨化以及铁元素的热蚀性。笔者对不同金属镀覆金刚石进行TG(热重)分析，发现金刚石在800℃左右即开始失重与石墨化。而镀Ti、W、TiN等金刚石分别在900℃、925℃与940℃时才开始失重与石墨化。说明金刚石镀覆金属后有利于防止氧化与石墨化，能承受热冲击与热分解。对高温烧结胎体有明显的保护作用。
②镀覆强碳化物元素在烧结条件下可在金刚石与胎体界面形成碳化物合金，有利于金刚石与胎体金属的化学键合与冶金结合，大大提高胎体对金刚石的把持力，对镀钨金刚石进行X射线分析，发现在金刚石表面已形成WC相。
③可提高金刚石的静压强度5％～20%。
④金刚石镀覆金属后，可提高金刚石的摩擦力，而后者有助于增加把持力。
3．采用超细粉末与预合金化粉末
在生产专用锯片时，宜采用超细金属粉末与预合金化粉末。金属粉末细化有利于降低烧结温度、提高硬度。采用预合金化粉末，可防止低熔点金属过早流失与偏析，有利于烧结制品的弹性极限和屈服强度，增加对金刚石的把持力，还可降低烧结温度与保温时间。我国上海材料所、北京人工晶体所、长沙冶金材料所与中南工大粉冶所都在这方面做了大量工作。韩国在生产*锯片时，广泛使用BASF，UM，INCO，Fum-tungstene, Kennametal等公司的超细粉末与预合金粉末。
4．在刀头生产中推广制粒工艺
制粒工艺在我国的硬质合金、陶瓷生产中已广泛地被采用，近年来在金刚石刀头生产中也获得了广泛应用与发展。粉末制粒的优点是，金刚石的偏析减少，分布更为均匀，改善了刀头的切割性能，增加粉末的流动性，使容积式冷压工艺应用成为可能，普通冷压工艺性更好，减少了粉尘对工人的危害。其缺点是增加了投资与工艺程序，制粒时要添加粘结剂，后者对焊接、烧结和胎体性能可能有不利的影响。各种制粒方法的优缺点比较见表3。
表3 各种制粒方法比较
喷雾法：优点：产量大，形状均一。缺点：需清洗，不含金刚石，仅一种金属，设备大。
滚动法：优点：易于操作，石蜡粘结性好，球形。缺点：制粒工艺不稳定，含金刚石，制粒困难，需过筛。
挤压筛分法：优点：速度快，粘结剂用量少，易于操作。缺点：不含金刚石，需筛分，形状不均一，合格率20％～40%。
手工筛分法：优点：简单，投资少，可含金刚石，生产量小。缺点：难以选择粘结剂，所需劳动繁重，形状不规则。
压力搓筛与滚动法：优点：工艺稳定，易于清洗，可自动化，可含金刚石，一次制粒量任选。缺点：难以选择粘结剂，需用较多熔剂。
低速搅拌高速斩切法：优点：可自动化，粒度大小可人为控制。缺点：不含金刚石，一次制粒量不能太少，合格率70％～80%。
德国飞羽公司推出GA180、GA240制粒机，其制粒工艺由于混→加粘结剂搅拌→刮板搓筛→滚动制粒构成。采用此法使刀头冷压速度提高3倍，模具寿命提高1倍，冷压成本降低2/3。
韩国迪爱克斯公司推出CA-10制粒机，其工艺由加粘结剂干混→外圆低速搅拌(25～28r/min)→中心高速斩切(2300～2800r/min)构成。
为了制粒，德国研制了GB300、400、500型粘结剂，韩国使用Olycox，我国南京思尚科贸中心研制成的WS-120造粒剂为白色团体球状粉末，密度为1.068g/cm3，热分解温度320～350℃，烧结后残留灰分＜0.01%，已取代进口粘结剂，已在各金刚石工具厂得到广泛应用。
5．烧结工艺中推广真空保护气氛热压烧结工艺与设备
烧结是金刚石锯片生产中一道关键工艺，它的好坏将影响锯片的刀头密度、硬度与切割性能，烧结设备的技术性能也影响锯片生产成本、产品与质量。*近我们对金刚石锯片整体烧结炉进行了调研，用几种有代表性的炉型同时采用同一配方粉末进行对比烧结试验，其结果表明：
(1)氢气保护、无压烧结并式炉与钟罩炉适于生产低档小尺寸锯片，它单次产量大，但锯片寿命较低；
(2)CSF500热压烧结炉，炉温分布均匀，氮气保护加压烧结锯片硬度高，密度大。锯切时锋利、寿命长，可生产*锯片，并能生产多规格多品种锯片；
(3)RYL系列中频气氛保护热压烧结炉设计性能优越，适于单一规格锯片的大批量生产，但对于多品种的适应性差，炉温分布有待进一步完善；
(4)SF500、ZBRY-2型烧结炉经过完善后，是一种有发展前途的烧结设备。
6．金刚石绳锯生产中采用热等静压与高温钎焊工艺
近十年来，金刚石绳锯在采石与建筑工程中得到了创造性的应用，使金刚石绳锯从采石场到石材加工厂，从大块切割到修整成形，从板材切割到异形制品的加工以及建筑工程中多种应用，在世界范围的石材切割中占有10%的份额，并且还有不断增长的趋势。在发展进程中有几个主要特点：
(1)串珠生产方法由电镀单层与双层金属金刚石串珠，到热压烧结及高温钎焊串珠，使绳锯应用范围由大理石扩大到花岗岩与混凝土。
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