金刚石锯切工具分类

金刚石锯切工具

金刚石锯切工具主要是指各类金刚石切割锯片，包括圆锯片、排锯、绳锯等。主要用于切割大理石、花岗岩和混凝土等非金属材料。

90年代末期，随着世界市场及国内市场对不同种类石材板材需求量的不断增加，极大地刺激了我国石材工业的迅速发展，到1993年底已形成每年生产装饰石材300万m2的生产能力，成为出口创汇的重要途径之一。这些生产能力包括1986年后从国外引进的300多台套石材加工生产线，和我国自行设计、生产的各种石材加工设备。石材行业起步晚，起点高，石材产品直接面向国际市场，为了提高石材的加工效率和加工质量，对于人造金刚石锯切工具的要求愈来愈高，包括切割效率，工具寿命及锯切综合成本等。这里较全面地介绍人造金刚石石材锯切工具的基本性能、用途、制造方法及发展方向。第一节金刚石锯片的类型

人造金刚石锯片种类繁多，用途广泛，很难用一个固定方法区分清楚。可以根据锯片的形状、制造工艺、用途和所用金刚石的品级来进行分类。1.按所用的金刚石进行分类人造金刚石锯片天然金刚石锯片聚晶金刚石锯片3.按照锯片的外形，可以将锯片分为圆锯片、排锯片、带锯计、绳锯、丝锯。2.生产方法有电镀法、滚压法粉末冶金法。(一)圆锯片

圆锯片(图5-1)是最常用的一种锯切工具，其直径跨度大，从φ5mm到φ2800mm，厚度范围从0.1mm到15mm。其用途广泛，制造方法多且难度大。圆锯片主要有三种：(1)节块式锯片(图5-1a)。包括由直接冷压、烧结制造的φ105—450mm干切片，和经热压、焊接制造的φ350一2200mm的大理石、花岗岩切割片，用途最为广泛。(2)连续周边式锯片(图5-1b)，一般由冷压、烧结法制造，包括用于玉石切割的玉雕锯片、其他用途的干切片和湿切片。(3)内圆切割片(图5-1C)。主要用于单晶硅等贵重材料的切割，为了节约贵重材料，要求其厚度很薄(δ＝0.1~0.5mm),一般用电镀法制造。

图5-1金刚石圆锯片示意图

a-结块式锯片,b-外圆锯片,c-内圆式锯片

金刚石连续齿切割片又称为金刚石湿切片.

因为金刚石刀头是连续的,

排削冷却效果不好,

一般在加水或冷却液的条件下切割.这种切割片一般较适合用于切割容易碎边的大理石,

瓷砖,

玻璃,

石英等极脆材料.

当然也可用于切割花岗岩混凝土等

金刚石干式切割片,

又称齿块式切割片.

特点是切割锋利,

主要用于切割花岗岩,

砂岩,

混凝土,

砖块等.

按工艺可分为烧结式和热压烧结式两种,

后者使用寿命更长,更安全.

金刚石激光焊接专业切割片用于混凝土和沥青马路,

耐火砖,

建筑砌块等的切割.由于采用激光焊接,

其焊缝强度在不加冷却液的切割条件下不会降低,

因此适用于野外作业.一、按形状分类(二)排锯片排锯片的形状如图5-2所示。将其装在往复式锯切机上，用于锯切荒料。由于排锯的往复运动不利于胎体对于金刚石颗粒的把持，所以它比圆锯片制造难度大，目前在国内市场上应用也不普遍。但与目前正在大量使用的钢砂锯和φ1600mm的单片式圆锯片相比，却具有效率高，劳动强度低的优点。

L1:3,000to6000mm(根据机型)

L2:20mmL3:180mm

L4:2,000to4000mm

E:3.5mm&3mmX:8mm

G,Y:(视结合的方式而定)

T:5MMV:60(三)带锯

金刚石带锯的基本形状如图5-3所示。其与排锯的主要区别在于其基体为柔性钢带，既要求金刚石要镶焊、粘结牢固，又要能够象皮带一样转动弯曲。带锯是将带锯的两头焊接在一起，组成带锯环，一台锯机只能装一条带锯。这种带锯仅在切割特种材料(如石墨电极)时使用。带锯一般很薄(厚度在1.0~2.0mm),而且很长(约5~8m)，多用电镀方法制造。

(四)绳索锯

绳索锯简称绳锯，如图5-4所示，由很多个金刚心锯节(也称串珠)串装在一根钢丝绳上而成。绳锯主要用于石材矿山的开采．也有用于大石块的破块。其方法是先在采掘面上打孔，将绳锯穿入孔中,将两头接牢，套在由动力机带动的轮子上，轮子带动绳锯运转,岩石一面一面地依次切开

图5-4金刚石绳锯示意图

1-可分接头;2-弹簧保持器;3-串珠；4-备用串珠

专业石材切割，大型石材的开采，提高石材质量(五)丝锯丝锯是一种简单的手用锯切工具(图5-5)，由在钢丝上镀上金刚石粉制成。主要用于玉石和石材工艺品的切割。图5-5金刚石丝锯示意图

1-金刚石;2-镀层金属;3-钢丝二、锯切工具按金刚石分类：（一）人造金刚石

(二)天然金刚石锯片在人们尚未合成出高品级粗颗粒金刚石之前，制造石材切割工具的金刚石都是天然金刚石，现在基本上已经为人造金刚石所替代。除一些特殊场合外，已经没有人用天然金刚石制造锯片。

(三)复合聚晶金刚石锯片复合聚晶金刚石具有极高耐磨性、抗冲击韧性，在国外已开始用于制造圆锯片，用以切割有色金属材料、石墨材料、硬质木材和塑料制品等。三.按制造方法分

金刚石圆锯片的类型很多，在不同的场合具有不同的用途，其制造方法也不同。本章着重介绍各种工艺方法的基本生产过程、原理和产品特色，并将对生产中的工艺和技术问题进行分析和讨论。本节先简单地归纳一下生产方法，具体内容将在下一节详细介绍。常用的生产方法有电镀法、滚压法和粉末冶金法(一)电镀法使用电镀法可以制造多种金刚石工具。电镀法是在常温常压下进行，对金刚石没有损害，且易于操作，特别适于制造特殊形状的金刚石工具，例如金刚石修整轮、内圆切割片、外圆锯片、绳锯钢节、带锯和丝锯等。使用电镀法制造的切割片，其镀层对于基体的粘结性好，对于金刚石的把持力强，而且可以作得很薄，切削效率高，耐磨性强，经济效益显著。(二)滚压法滚压锯片的基体是一种较软的低碳钢，在其外圆周边开成很窄的槽，将金刚石涂布于外圆处，然后用钢挤轮将金刚石挤入缝中，并使基体材料产生塑性变形，将金刚石卡嵌牢固。滚压锯片仅用于钟表宝石的切割和稀土铁氧体的加工。(三)粉末冶金法粉末冶金法在金刚石锯片的制造中获得了最为广泛的应用，从传统的冷压-烧结锯片，到性能优异的热压-复焊锯片，都可以采用粉末冶金方法制造。第二节金刚石锯片制造工艺

虽然金刚石锯片种类繁多，用途各异，但在制造过程中的参数设计；工艺制订原则等，均有许多相近之处。一、基本概念（1)人造金刚石。作为工具的最小切削单元，孕镶于各种胎体之中，工作时随胎体的磨损不断出刃和脱落，以接力的形式切削被加工对象。

(2)金刚石品级。表示金刚石质量的好坏，评定指标有金刚石单颗粒抗压强度和冲击强度两项。其强度越高，品级越高，质量也就越好。冲击强度指标在国内应用还很少。在国内，金刚石的品级、粒度和强度指标的对应值见表2-3。锯片一般使用MBD级和SMD级金刚石。表5-l是国内外超硬材料品种牌号及基本用途对照表。

(3)金刚石粒度表示金刚石颗粒的大小。金刚石粒度用标准筛分级，用上、下筛网的精度范围表示，例如50/60目、70/80目。根据其用途不同，有时需要使用窄范围，以限定金刚石颗粒大小的差异，例如，对于通常所讲的46目，宽范围为40/50目，窄范围则又可以分为40/45目和45/50目，以示区别。根据目前人造金刚石的生产水平，美国G.E.公司、南非DeBeers公司等可生产18/20目(直径φ1.0-1.3mm)的金刚石。而国内正常生产的金刚石粒度仅可达35/40目(直径φ0.6mm左右)。

(4)金刚石浓度。表示金刚石在粉末胎体中所占的比例。使用中有重量百分比浓度和体积百分比浓度两种。重量百分比的的意义与一般溶液的百分比浓度相同；体积百分比浓度则规定，以每立方厘米体积内含有4.4克拉金刚石时的浓度为100%。由于金刚石的密度为3.52g/cm3，相当于17.6克拉/cm3，所以当体积百分比浓度为400％时，是金刚石的理论密度，而当体积百分比浓度为100％时，含金刚石所占的体积为胎体总体积的25％。体积百分比浓度由于比较直观，易于计算，所以在金刚石工具的生产中被广泛采用。

(5)胎体。指粉末烧结体。其作用是，包镶并粘结金刚石颗粒，并与基体粘结形成一体。

(6)基体。即钢基体，对金刚石工具的工作部分起支承作用，如锯片的钢基体和钻头的钢体等。

(7)骨架相。指胎体材料中的高熔点金属粉末及其化合物粉末，其在烧结中不变形或很少变形，在作业中起耐磨作用，例如：WC、W2C以及钨、铬和钼等。

(8)粘结相。指浸润并粘结骨架相和金刚石颗粒的低熔点金属或合金。目前应用较多的是铜以及铜的合金。对于固相烧结而言，没有确定的粘结相。

(9)中间相。指胎体中介于骨架相与粘结相之间的，用以调节胎体的综合力学性能的胎体材料，如镍、锰、钴和铁等，可以提高胎体的硬度、强度和耐磨性等综合性能。(10)添加相。指为了改善或提高胎体某一方面的性能而添加的某些少量元素、合金或化合物：如，为了改善胎体与金刚石的粘结性能，可以添加的铬、钨、钛和TiH2等。冷压---烧结锯片的制造

与普通粉末冶金制品的生产一样，冷压烧结锯片一般较小、较薄，但是批量大，其规格从φ10×0.5mm到φ105×1.2mm；φ125×1.2mm，φ180×2.0mm，φ230×2.5mm。据说还要向更大的直径发展。这种冷压烧结锯片分为全粉锯片和周边锯片：周边锯片又分连续周边式、节块式、长城式、涡轮式等，其中心为钢基体，只在周边压制、烧结上胎体工作层。如表5-2所示。全粉锯片就是全部由粉末与金刚石混合后压制浇结而成，无钢基体，直径较小。(一)生产设备

金刚石锯片冷压-烧结工艺流程示意图见图5-6。其所需设备为：混料机、冷压机、烧结炉和开刃机等。

1.压机压机的选择主要是根据产品的规格大小确定压机吨位。压制所需的总压力按下式计算

P总＝S0P设式中P总—压制工件时所需总压力，kN；

S0—工件压制横截面积，cm2；

P设—设计(或实际)冷压单位面积压力kN/cm2

所选择压机的压力P压机应符合下式：P总≤70％P压机

(5—2)

根据计算结果，可以选择25t、40t、63t单臂压力机或者l00t、200t、315t四柱压机。在满足压制压力要求的前提下，应尽量选择小吨位压机，以避免“大马拉小车”。锯片的单位压制压力一般为294~490MPa(3~5tf／cm2)。2．烧结炉

烧结炉是锯片生产的最关键设备之一，根据条件不同可以选择普通箱式电阻炉、氢气保护烧结炉和真空烧结炉等。

(1)普通箱式电阻炉。无保护气氛，属含氧气氛，对烧结不利，但可将锯片置于密闭容器内并用活性碳充填保护，或用石墨舟烧结，从而达到隔氧烧结的目的(图5-7)。其特点是，设备简单、操作方便、成本低廉。(2)氢气烧结炉。H2气为还原性气氛，在烧结过程中，既可以还原粉末颗粒的氧化膜。促进烧结，又可以保护金刚石免受热损害，因而产品质量较高，为大多数生产厂家所采用。氢气烧结炉的类型较多，主要有：推舟式连续烧结炉、井式炉和钟罩式炉等(图5-8)。最近，为了满足更高的质量要求，又发展了氢气保护热压式钟罩炉，即在钟罩炉内进行烧结的同时，施加压力。这几种炉子都具有生产批量大，质量稳定的特点。(3)真空烧结炉。真空度一般在(0.00133~0.133)Pa，属无氧活化烧结。在烧结过程中，通过粉末颗粒表面气体的解析，活化粉末表面，促进颗粒间的烧结及致密化，适于性能要求较高的产品。3.开刃机开刃是在金刚石锯片烧结好以后进行加工的机器，即通过普通砂轮的磨削，使孕镶的表层金刚石出露，以减少工作前的初磨，同时也是一种美化。开刃机必须能磨侧刃和顶刃，其结构如图5-9所示。

(二)冷压模具

锯片的压制是生产中的关键环节之一。模具设计的合理性直接关系到成品的质量、生产效率以及操作工人的劳动强度。磨具设计必须坚持操作方便、结构合理和造价低廉等原则。

1.全粉锯片模具全粉锯片全部由工作层组成。无基体，一般规格较小。其磨具结构比较简单，模具装配如图5-10所示。全粉锯片冷压磨具壁厚由下式确定：

式中：δ-磨具壁厚mm；d-模套内半径，mm[σ]-磨具材料的许用应力MPa。

P侧-单位面积模壁承受的侧压力，MPa。侧压力是在压制压力的作用下，压坯产生径向应变，作用于模套内壁上的力。单位侧压力P侧与压制压力P之间的关系为：P侧=ξ0P

式中：ξ0--材料的侧压力系数，只取决于材料的泊桑系数μ，表5-3列出了几种材料的值μ和ξ0值

与普通的粉末冶金产品不同的是，锯片、锯齿的厚比较小．锯片齿厚T＝1.0~5.0mm。而齿高H＝6~20mm，即T／H≌0.2~0.4。因此．压制时压力降很小，侧压力很低．模套的壁厚并不太厚。2.周边式锯片模具

周边式锯片模具包括涡轮式模具和结块式模具，经多年的改进，已经非常合理，具备了操作简便、可靠性强、省时省力和生产效率高等特点。模具组配如图5-11所示。装料时，通过外模下限位块11心模限位块12，将外模套的高度和锯片基体的高度限定，使外模与芯模之间的环隙体积恰好等于粉料松装时的体积。添料后极易刮平刮匀。通过限位块12，使锯片基体在该环隙高度的正中位置，以确保压实后基体两侧工作层凸出高度相等。压制完毕后，用一内径大于上压头7的外径尺寸的钢压环，将模套3压下，即可将锯片4取出。该模具由于刮料迅速、均匀，压制、退模、卸模只需移动一次模具，劳动强度低、生产效率高，已被广泛地应用于大批量生产中。（三)冷压工艺

压制时首先要调试压机，设定压制压力，校正上下压头的平行度，压制时一般需保压8~10s，在一定的压力范围内，压力越高越好，因为压力越高，压坯密度越大，烧结越容易进行；同时收缩变形也越小，因而质量也越稳定。压制压力与压坯密度的关系如图5-12所示。

锯片压制对胎体粉末的成形性要求很高，一般要求使用电解法制取的树枝状铜粉，还原法生产的海绵状钴粉、镍粉和铁粉等。避免使用雾化球状粉、漩涡研磨粉和机械粉碎粉。否则，成形困难或压坯的强度极差。锯片胎体粉料一般是几种粉末的混合料，混料时只用少量钢球或干混数个小时即可。若选用硬质合金球进行长时间混料，会造成粉末的严重加工硬化，成形性能降低（四）烧结工艺

烧结工艺主要是烧结温度T烧和保温时间t的确定，根据设备和配方不同T烧与t需要进行调整，烧结温度的确定可以遵循粉末冶金制品的烧结温度确定原则，烧结温度必须低于主要成分的熔点(T烧=0.6~0.8T熔点)．并使在保温期间胎体发生收缩和致密化。冷压锯片中的玉雕锯片，胎体以Cu为主，其典型配方为：80%Cu十15％Sn十5%Ag．烧结温度约850。湿切片与干切片，根据用途不同，其胎体有铜基、铁基和镍基三种类型，其主要胎体配方列于表5-5。1．烧结工艺曲线

典型烧结工艺曲线如图5-13所示，由图可见，其烧结过程可以分为三个阶段

(1)i：升温阶段；在该阶段，粉末颗粒发生重排，密度开始上升，到一定时候，由于低熔点金属的熔化，还会出现液相，但这种液相是瞬时的，其会迅速地扩散到铜等粉未中去，因而有助于致密化。到接近第Ⅱ阶段时，出现粉末的塑性流动，在互相接触的粉末之间出现烧结颈，部分孔隙闭合。

(2)Ⅱ：保温烧结阶段。由于温度的升高，原子的扩散速度加快，原子通过体积扩散、表面扩散和晶界扩散进行迁移，使烧结颈长大、孔隙减少并球化，从而使胎体的密度、强度和硬度等性能指标达到要求。(3)Ⅲ降温冷却阶段。为了保证锯片的尺寸精度和表面的光洁平整度，并防止由于冷却速度过快而引起翘曲现象，许多生产厂家都在想办法。在烧结结束时，若在压力机上压一下，则会收到较好的效果。由此引出了冷压-热压烧结工艺，而且这种冷压-热压烧结工艺，并不是一次一片，而是在特殊加工的模腔内将数十片经冷压好的锯片依次用隔板隔开放好，在烧结过程中加压或者在烧结结束时加压，起到热压烧结的作用，如图5-14所示。这样可以使锯片的尺寸更精确、平整度更好、并为锯片的后处理打下良好的基础。2．液态金属及其合金对于金刚石的浸润

在高温烧结过程中，大部分胎体为液相烧结或部分液相烧结，粘结相既对胎体中的其他组元进行浸润和粘结。又要对金刚石颗粒进行浸润和粘结。但由于金刚石与大部分的金属或合金不浸润，使金刚石与胎体的界面部位成为薄弱环节、造成胎体对于金刚石的包镶仅依据机械卡固作用。这样，在使用过程中，容易造成金刚石的脱落，使金刚石锯片寿命降低。因此，选择合适的胎体材料，或者对金刚石表面进行适当的处理，实现金刚石和胎体之间的有效粘结就成为金刚石工具制造的技术关键之一。

如图5-15所示，θ表示接触角或浸润角，当θ趋近0或cosθ=1时，金刚石几乎被液相金属(或合金)完全润湿，而当θ＞900时，则金刚石就不能够被液态金属(或合金)润湿。液态金属对于金刚石的浸润、根据杨氏方程，液体与固体接触时的情况可以用下式表示。

式中：γsg-固-气接触表面张力，即金刚石的表面张力

γLg--液态合金的表面张力；

γLs-金刚石和液态金属或合金的内界面张力

换言之，γLgγLs的值越低则越有利于润湿。表面能之间的关系决定了润湿行为和铺展系数。其铺展系数为：

SLS＝γsg一(γLg+γLs)

要使液体铺展，即润湿固相，则SLS必须是正值，是相应的是必要的，不是充分的铺展条件是；液-气界面能应小于固-气界面能(γLg＜γsg)。

表5-6列出了几种金属或合金对于金刚石的浸润情况。全面分析润湿行为要比通过式(5-5)及式(5-6)所表示的要复杂些。因为过程中各相的组成经常会发生变化。通常是讨论纯相的初始铺展系数和互饱和相的最终铺展系数。在某些特殊条件下，一系列中间的铺展系数也可能是重要的。一般来说，所有各种界面能都受到组分变动的影响。已经知道会发生两种情况，即滞后润湿及开始铺展继之以不润湿。只要γsg

、γLg、γLs对应于测量时的条件，则式(5-5)总可适用。此外，还常常观察到，液体向固体表面扩展时的角度和液体从已润湿表面退出时的角度有相当大的差别，这种差别有时可能是由于表面洁净度引起的，有时可能是固体表面在润湿之后发生了不可逆的变化。

实验表明，在对于金刚石呈惰性的低熔点金属(铜、银、锡、铅等)中加入少量的活性元素(钛、铬、锆、钒、硼）可以改变金刚石的表面状态，从而可以大大地改善熔液对于金刚石表面的浸润性。从表5-7所示，可明显地看出某些台金元素对于金刚石的浸润性具有显著地影响。通过比较可以发现，这些合金之所以能够有效地润湿金刚石，是由于添加了少量的强碳化物形成元素。实验已经证明，强碳化形成元素的加入，使在烧结过程中，造成了合金中的这些元素向金刚石界面的迁移、富集并发生反应，生成碳化物，由于金刚石表面形成了碳化物层，使金刚石的表面能大大降低，表现出某些金属特性，即实现了所谓的金刚石表面金属化。

影响表面吸附的因素之一是合金元素的表面张力，表面张力低的合金元素易于在金刚石界面偏聚，从而降低合金的表面张力，此类元素有硅、锡、钛和镁等，影响表面吸附的第二个因素是合金的混合热，混合热的值越大，对于表面吸附越有利，试验研究业已证明，添加钼、铬、钒、铁和钴等合金元素，可以改善铜合金对碳的浸润性，这类合金元系在铜中有较高的固溶度，并对应有较高的混合热值，提供了合金元素向表面和内界面偏聚的原动力。

莫蒂默(D.A.mortimor)和尼