金刚石锯切工具制造技术的研究

金刚石锯切工具制造技术的研究

近年来，由于石材行业的快速增长，石材行业的竞争日益激烈。石头的价格下跌后，锯屑工具的价格也降低了。因此，研究人员在代替昂贵的钴基钻石工具的生产中开发了铁基和铜基钻石工具。目前,随着竞争的进一步加剧,石材资源的日渐短缺,对金刚石工具的设计制造提出了更高的要求,不仅要成本低,而且能够提高切削效率,保证足够的使用寿命。这不仅仅是配方设计的问题,而是涉及材料设计、工具制造、使用等诸多方面的综合内容,这些问题都归结为一个中心即:如何提高基体金属对金刚石的把持力,保证金刚石的有效出刃,提高金刚石的利用率,使得金刚石工具既锋利又有足够的寿命。本文就此作初步的探讨。1铁基金刚石工具作为金属基复合材料的金刚石工具,基体配方主要有钴基、镍基、铜基及铁基。配方设计的主要任务是如何提高金属与金刚石的结合力,使基体具有适当的强度与硬度。金属钴具有极佳的高温强度和耐磨性,因此国外的金刚石锯切工具采用高钴配方,工具的锯切性能优异,但成本很高;这种钴基配方并不适合于国产金刚石,主要是国产金刚石强度和耐冲击性等级低,而钴基体很耐磨,使金刚石不能出刃,工具变钝。关于钴基基体对金刚石的把持作用,众所不一。文献认为金刚石有较大的化学惰性和很高的表面能,使得基体中的金属在热压的温度下既不能与金刚石发生化学反应,又难以浸润金刚石,所以高钴基体对金刚石的把持力主要来源于机械镶嵌力的作用。文献认为机械镶嵌力的结合太弱,而化学结合力才能有效地粘结金刚石。文献分析证实金刚石与基体间Co的碳化物和Co-C固溶体存在,使金刚石与基体之间实现了冶金结合,从而使钴基基体对金刚石具有高的把持力。并总结钴基基体对金刚石的把持力有三方面:首先,热压过程中金刚石与钴化学键合生成Co3C相,金刚石中C原子向Co中扩散形成C-Co固溶体,提高了基体对金刚石的粘结强度。其次,热压后的冷却过程中,Co在427℃发生β-α相变,使得Co在冷却过程中既有冷却引起的体积收缩,又有相变引起的体积收缩。第三,钴的延伸率在430℃有一峰值,这抑制了由体积异常变化时裂纹的产生和扩展。通过这三方面的作用,使钴基基体材料对金刚石具有高的把持力。国内热压烧结生产的金刚石锯切工具,为了降低成本大多数采用铜基合金作为粘结材料,但铜合金与金刚石不浸润,也无化学亲和力,因此铜合金与金刚石的界面间基本没有结合强度。文献认为,在600～1200℃时,镀钛金刚石表面的钛镀层能够与金刚石反应,在金刚石表面外延生长岛状TiC,使Ti镀层与金刚石间实现冶金结合;同时,Ti及TiC对铜合金是可焊的,所以镀钛金刚石在铜基体中可获得较高的粘结强度,使金刚石工具的使用性能提高。而文献认为,金刚石表面镀覆Ti、Cr等材料对金刚石工具性能的提高作用并不大,有效的办法是使金刚石和基体材料进行钎焊连接,实现化学冶金结合。而热压过程中的热力学条件并不充分,时间短温度低,这也正是镀钛金刚石在实际生产中难以推广应用的主要原因。另外一个原因可能是国内的金刚石品级比较低,即使镀膜金刚石与基体有较强的结合力,但在使用过程中低品级金刚石由于内部存在大量的缺陷而被撞碎,无法体现镀膜的优势。为了寻找替代价格昂贵的钴基金刚石工具的基体材料,研究人员开发了铁基金刚石工具。铁虽没有钴的低温粘结特性,但铁与钴有相似的化学性质,而铁在与金刚石有关的性质如:线胀系数、导热系数上则优于钴(表1所示),铁的这种优良特性有利于改善结合剂的致密化程度和结合剂与金刚石界面的应力状况,适当的以铁代钴生产金刚石锯切工具是可行的。在铁基配方中,实现以铁代钴的主要作用在于,在配方中加入适量Ni来提高粘结金属的流动性和胎体强度,由于铁、镍与金刚石接触后在高温常压下有致使金刚石石墨化的倾向,降低了金刚石工具的锯切性能,所以铁基配方中的铁镍含量应控制在一定的范围内。总之,国内外的研究人员在配方设计方面做了大量的工作,无论所采用的是何种配方体系,一致认为,提高基体与金刚石把持力的主要途径在于,金刚石能够与基体中的碳化物形成元素发生化学反应,在金刚石表面生成碳化物薄膜,而此碳化物膜又能被基体中的低熔点金属所浸润,形成钎焊连接。因此,在热压-烧结制造金刚石锯切工具的配方中,采取了以下措施:(1)采用镀覆Ti,Cr、W等碳化物形成元素的镀膜金刚石,使得热压烧结过程中在金刚石表面生成能够被粘结金属所润湿的碳化物膜;(2)在基体中加入少量的碳化物形成元素,如:Ti、Cr、W等;(3)在基体中加入稀土元素,用于强化基体并改善基体金属对金刚石的润湿性,增加基体对金刚石的把持力。虽然众多文献认为提高基体对金刚石的把持力在于界面的反应与粘结相的润湿作用,但如何量化界面反应的程度,准确反映界面结合力及其对工具的性能的影响还没有成熟的方法。文献提出了一种单层钎焊拉伸法测量界面有效结合力的方法,通过密排金刚石于钎料和基体上制成拉伸试样,取得了一定的成果。2刀头的形状和结构的设计2.1矩形刀头组合锯目前在市场上出现的金刚石刀头有长方形、梯形、“V”字形、面包形及工字形等。长方形刀头(图1a)是应用最广泛的刀头形状,因为其模具简单,装料方便,质量相对较为稳定,为广大用户所接受。但在切割过程中容易产生圆角或被磨成楔形而在切割后期磨损锯体。楔形刀头(图1b)是将刀头做成上宽下窄,这是为了解决切割过程中的夹锯问题,但是随着切割过程的进行,石材的尺寸会发生变化,对加工精度有不利的影响。“V”形刀头(图1c)目前在组合锯中大量使用,其目的是提高工具的开刃速度,使工具提前进入工作状态,提高组合锯的工作效率。为了提高排渣能力所开发的“锯齿”形刀头(图1d)避免了刀头的二次磨损,另外冷却效果也增强了,从而提高了金刚石的利用率,但是模具加工制造复杂且装料、卸模困难,影响生产率。总之为了适应不同的加工对象所开发的各种结构形式的刀头,各有利弊而不能简单的以一概全,需要具体情况具体分析。2.2提高锯片的自动程度刀头的尺寸包括刀头的长宽高,通过调整这三个尺寸,针对不同的加工对象,可以有效的提高工作效率,延长刀头寿命。减小刀头的长度,对于一定直径的锯片实际上增加了两个刀头之间的距离,增加了锯片的撞击力,同时也减少了参与工作的金刚石颗粒的数量,在一定程度上可以提高锯片的锋利度。但是如果一味地减小刀头的长度,增加节块间的距离,使得冲击力过大,切机主电机电流随之增加,切削效率反而受到影响,同时使得切机主轴容易产生疲劳,降低了机器的寿命。减小刀头的宽度,可以有效地降低刀头的工作载荷,提高锯切效率,但刀头宽度的减小受到基体厚度的限制,过小的刀头宽度容易发生夹锯的现象,造成基体磨损,不利于基体的翻修。增加刀头的高度,一方面可降低金刚石的浓度,在单位时间内参与切削的金刚石颗粒减少,在一定程度上了提高锯片的锋利度,另一方面由于高度增加,锯片寿命也相应增加。但随之而来的问题是,刀头内所受到的冲击力增加,对刀头强度及刀头与锯体的焊接强度提出了更高的要求,否则会出现崩刃或掉齿的情况。2.3夹层厚度对刀头的导向作用为了提高刀头锋利度,大锯片所使用的刀头基本上都采用夹层结构,即刀头中包括含金刚石层“工作层”和不含金刚石层“夹层”,二者交替排列。夹层结构的主要作用原理在于,切削过程中,不含金刚石的夹层先于含有金刚石的工作层磨损,在刀头上出现细小的沟槽,形成了工作层的出露,如同多个微型刀头同时工作。一方面沟槽的出现有利于排屑及冷却液的进入,另一方面起到了多刃同时破碎的作用。与之对应在石材表面形成了多条岩脊对刀头起到导向作用,稳定了锯片,减小了锯片的震动。夹层的层数一般为二到三层,随着层数的增加,刀头的锋利度增加,但装料工艺比较复杂,生产效率较低,国内的刀头生产一般为手工装料,如果装料不均匀,就起不到夹层的作用。为此有使用铁片作为夹层材料,来简化装料过程。使用铁片虽简化了工艺但又带来新的问题,一是铁片磨损太快,所形成的沟槽太深,当刀头的工作层还有一定高度时,夹层就被磨完,如果锯体稍微摆动,工作层便会脱落;另一个问题是铁片与工作层的结合力较弱,容易出现工作层的脱落。作者提出一种设想如果减小铁片厚度,表面能够粗化处理,并且预先镀覆一层钎料,提高铁片与工作层的结合强度,会防止铁片过快磨损。夹层厚度也影响刀头的锋利度。夹层越厚刀头越锋利,适用于较软的石材,夹层过厚,所对应的石材上所形成的岩脊过宽,相邻两个变形带的交互影响小,岩脊内部无法产生达到剪切破坏的应力,不能顺利破碎。同时夹层厚度过大,会使刀头上形成过深的沟槽,在工作后期,工作层还有一定高度时,而夹层已被磨光,碰到锯片基体,刀头无法使用。夹层过窄,工作面上的金刚石超出所需量,对有效利用金刚石不利,同时所形成的沟槽较小,体现不了夹层的优势。3混合粒度金刚石刀头破碎难,造成分配失衡金刚石工具工作过程中,起磨削作用的主要是金刚石,因此金刚石是影响刀头质量的关键因素之一。在已有的金刚石工具的理论及文献中普遍认为,金刚石的抗压强度越高,粒度越粗,浓度越低,锋利度就越好,反之亦然。为此在设计金刚石工具时,取锋利度及寿命曲线的交叉点附近区域的金刚石浓度及粒度。为了使得工具在锯切过程中金刚石能连续出刃,在实际生产中许多工具设计者采用了混合粒度的方法,文献认为这种思路有着致命的缺陷。通过统计计算分析,在结块齿面上有20%的金刚石承受的负荷是平均负荷的二倍以上,而这些超负荷工作的金刚石在锯切过程中,不是因强度欠佳而被冲击破碎,就是因为把持力不足而早期脱落。那么在混合粒度的金刚石刀头中,粗粒度金刚石就充当着预先出刃的角色,在锯切过程中承受着超负荷的载荷,一旦破碎脱落,会加剧齿面上金刚石的受力不均,形成恶性循环。只要结合剂的配方合适,选用细粒度的金刚石同样能获得既耐用又锋利的锯切效果。上述结论是在保证金刚石在刀头内均匀分布的前提下得出的,但在实际生产中很难做到。现场生产为了提高金刚石的均匀度常用延长混料时间,添加甘油或石蜡等润湿剂等办法,但对金刚石的均匀度提高是有限的。混料时间过长容易引起粉末氧化,甘油或石蜡在烧结的过程中引起环境的污染。目前较为理想的方法是通过制粒技术,通过混料在金刚石表面均匀包裹一定厚度的金属粉末,然后进行装料热压烧结,保证金刚石的均匀分布。4工艺条件的设置热压烧结的基本工艺参数有:温度、保温时间、压力,在生产过程中,只有这三个参数达到合理的配合才能制造出高质量的刀头。另外烧结所用的模具质量、混料过程、装模及环境条件直接影响刀头的质量。针对不同的胎体成分,应该设计与之相适应的工艺曲线,目前国内大多数企业采用的是电阻加热式热压烧结机,测量温度大都采用比色温度计或热电偶,所测温度实际上是石墨模具的温度,因此应该对所测的温度进行适当的校正,才能真正反映热压过程模具内部真实的温度。若采用真空炉内热压烧结,所测温度为气氛温度,工件的温度一般滞后于气氛温度,如何保证所测温度与工件实际温度的一致,需要在实践中针对不同的装炉量,加热速度及装炉位置的重复性进行深入的研究。以防过热造成液相溢流,发生跑料粘结模具;或欠烧造成刀头“夹生”。为了降低生产成本,热压烧结所用的石墨模具一般反复使用,每次使用过后模具表面都会有不同程度的磨损或烧损,模腔内的体积发生变化,一般是增大,如果装料量不变会造成“欠料”,降低了刀头烧结密度。因此,随着模具使用次数的增加,装料量也应增加,即随时“补料”,同时应防止新旧模具混合使用,以免刀头密度的波动。混料过程应控制混料时间,在保证混料均匀的前提下应尽量减少混料时间,夏天环境温度高,空气湿度大时,混料时间应短一些,冬天混料时间可长一些,以减少粉末的氧化。如果条件许可,可将混料设备放置在温度和湿度及气氛可控的环境中。烧结过程冷却速度的控制,从粉末冶金的角度一直强调缓慢冷却,减小冷却过程由于氧化所形成的体积膨胀;如果粘结相已充满烧结体的孔隙,冷却过程空气不易侵入,可避免氧化的危害,在这种情况下,适当的快冷可以加速冷却过程的体积收缩,提高基体对金刚石的机械把持力。5基性裂违禁浮柱锚点。采用区别登记,根据所使用的切机及加工对象选用合适的锯片基体:无水槽圆锯片,外缘节块为连续金刚石层刃口,一般直径100～300mm,锯切时切口窄,切缝光滑,主要用于切边和修边;窄水槽圆锯片,直径一般为200～800mm;通常用于切边和小规格板材;宽水槽锯片,排屑,冷却能力强,锯切速度高。基体硬度要适当控制,基体硬度过高,锯片寿命短,难校平,易出现裂纹。硬度过低,锯片寿命长,锯片跳动大,切割表面划痕明显。锯片张力值负值方向超差,可能出现单面摩擦石材,造成垂直方向弯板。反之可能出现水平方向弯板。6焊接温度对应力的影响焊接不仅是将金刚石刀头与基体的连接过程,同时也是对基体和刀头进行热处理的过程,因此应严格控制操作工艺,将热影响区控制在最小范围。焊接温度控制在银基钎料的熔点加上50～100℃的范围内,温度过高不仅造成金刚石的石墨化,刀头基体金属的氧化变形,而且会引起锯片基体局部变形,退火甚至晶粒长大,产生焊接应力。应尽量采用能量集中的焊接方法比如:高频感应焊或激光焊,避免采用氧—乙炔火焰钎焊,刀头位置应对称统一,即高出基体平面的尺寸要对称,以免使锯片产生新的附加径向或端跳动。7常用的锯切线速度锯片