提高金刚石工具生产工艺的科学探索

据有关调查数据,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:有石材加工企业两万多家,从业人员近五百万,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。而金刚石与金刚石工具厂家已超过1000家,上个世纪末年产金刚石已超过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。

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.提供批量生产高质量的高强度金刚石

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。

2.积极发展高档锯片

激光焊接锯片由于具有很多优点,到目前已有15年的历史,全世界金刚石工具行业已有300条激光锯片生产线,在我国已超过20条。因此发挥现有设备的生产能力,研制高档激光焊接专用锯片,占领国际市场是我们的发展目标。

(1)锯片基体与刀头固定方式由手动改为全自动,工作可靠。美国等国家与我国都有不同固定方式,其中有手动夹具、磁力夹具、气动夹具、滚压夹具等。

(2)重视激光锯片刀头烧结工艺的研究,选择合理的烧结温度、压力与时间,控制好烧结气氛与温度。

(3)激光发生器不断更新换代。国外已由横流式、快速轴流式发展到第三代板块式。它们的特点是:功率大,耗气量少,运行成本低,维修工作量少,工作可靠,光束质量好,光斑小,焊接质量提高。

(4)选择合理的焊接工艺参数,控制好焊接的各种参数,保证焊接质量与强度。

(5)研制合理的工作层配方。一般Fe基、Co基、Ni基胎体易焊接,对含Cu、Sn、W、Wc、Pb过多的胎体难以焊接。

(6)不用焊料,但必须采用合理过渡层配方,使其性能与工作层及基体相匹配,提高焊接强度、焊透性,减少气孔与裂纹。

(7)为适应沥青、养护混凝土加工的需要,研制斜齿、高低齿、刀形齿、硬质合金加强齿。

3.在刀头生产中推广制粒工艺

制粒工艺在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。

各种制粒方法比较

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。

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。

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。

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%。

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%。

4.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。

5.采用强碳化物元素,提高金刚石割力

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。胎体对金刚石有好的把持力,金刚石就不会过早脱落,并具有最大的凸出高度,切割时锋利,效率高。

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。

(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。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。

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。

6.推广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。最近我们对金刚石锯片整体烧结炉进行了调研,结果表明:

(1)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。(2)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;

(3)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;

(4)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,可生产高档锯片,并能生产多规格多品种锯片;

7.热等静压与高温钎焊工艺的应用

今年来,金刚石绳锯在采石与建筑工程中得到了创造性的应用,使金刚石绳锯得到了多种应用,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)将热等静压工艺用于串珠生产,提高串珠的密度、硬度、强度与使用寿命。

(2)采用单层高温钎焊金刚石串珠

该工艺是我国台北台湾砂轮制造公司(KNIK Inc.)推出的专利新技术,高温钎焊串珠中金刚石排列规则,分布合理,化学键合与冶金结合并存,金刚石把持力强、突出高。其金刚石使用量可节省一半,锯切速度为普通锯片的2~4倍,切割寿命相当,锯片成本下降。

(3)绳锯直径由10~12mm减小到6~8mm,提高了加割效率,降低了材料消耗。

(4)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。

(5)CNC控制的绳锯机的发展,使多绳锯成为可能,从而使绳锯机进入板材厂,可有效切割板材与异形制品,可取代框架锯与桥式板材锯机。

金刚石锯片的生产也采用了各种新型生产工艺,很多锯片企业近年来一直在研发新型的生产工艺来提高生产效率,降低生产成本;效果比较显著是的全自动数控锯片开齿机的出现。

全自动锯片数控开齿机是一种全新的冲床设备,是在机械冲床的基础上,采用高级软件编程人员编制特殊软件程序,从而实现全自动控制操作的数控操作冲齿冲床,外观相当于一台或几台普通冲床和一台数控控制柜联合成的一套设备。数控开齿机使用过程视频网址:。

数控冲床主要有两部分组成,冲齿冲床部分和数控控制柜;冲床部分主要完成冲齿的任务,控制柜主要是通过内部编程软件实现自动操控冲床,从而大大节约了人力资源,实现了自动化生产。这种开齿机改变了过去人工和半自动的状态,自动化程度大大提高,生产效率提高了一倍,坏件率降低了一半,得到了广大锯片厂家的一致认同,促进了锯片行业的发展。

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