全面的金刚石刀锯基础知识

木工刀具论坛 2018-11-07 10:22:17

 

金刚石工具定义:金刚石工具是指以人造金刚石为切磨材料,借助于结合剂或其它辅助材料制成的具有一定形状,用于加工石材、陶瓷、玻璃、混凝土等非金属硬脆材料的系列工具。


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金刚石



  金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石,它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质,因此也就具有了许多重要的工业用途,如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。金刚石还被作为很多精密仪器的部件。

  







  1.1金刚石的成份


  早在公元1世纪的文献中就有了关于金刚石的记载,然而,在其后的1600多年中,人们始终不知道金刚石的成分是什么。

  

  直到18世纪的70至90年代,才有法国化学家拉瓦锡(1743~1794)等人进行的在氧气中燃烧金刚石的实验,结果发现得到的是二氧化碳气体 。证明了组成金刚石的材料是碳。

  

  1.2金刚石和石墨的区别


  石墨和金刚石都属于碳单质,但金刚石和石墨不是同种物质,它们是由相同元素构成的同素异型体. 所不同的是物理结构特征。二者的化学式都是c ,石墨原子间构成正六边形是平面结构,呈片状。金刚石原子间是立体的正四面体结构,呈金字塔形结构。正是这种致密的结构,使得金刚石具有最大的硬度。换句话说,金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。

  

  1.3金刚石的硬度


  金刚石的硬度一般用莫氏硬度来表示,其硬度值为10 。显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍,比刚玉高150倍。

  

  依照莫氏硬度标准(Mohs hardness scale)共分10级,钻石(金刚石)为最高级第10级;如小刀其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。

  

  1.4工业金刚石


  金刚石由其生成方式分为天然金刚石和人工合成金刚石,用于金刚石工具制作的一般是人工合成金刚石。也称作工业金刚石。

  

  其密度为3.52g/cm3, 其质量单位一般情况用“克拉”表示,1克拉=0.2克。

  

  人造金刚石的粒度(颗粒大小)一般用“目”表示 。人造金刚石常见粒度为25/30、30/40、40/45、45/50、50/60、60/70… …

  


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粉料



  金刚石工具的原材料,除金刚石之外,其它主要为粉末,这些粉末可以是金属、非金属,也可以是合金、化合物。金刚石工具采用的粉末,不仅仅对化学成分有一定的要求,而且对粉末颗粒的大小、形状、松装比重、压制性、烧结性等也有不同的要求,这取决于金刚石工具的用途、品种、生产工艺等因素。

  

  常见的金属粉料及特点


  (a) 铜粉:电解法制取,颗粒形态为树枝状,玫瑰红色,氧化后颜色发暗,严重时变成黑色粉末。

  

  作为结合剂材料,铜粉的主要优点有:电解铜粉成型性好,广泛用于冷压成型后烧结;纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好,如W、WC;铜可与Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成性能优异的合金,价格远低于钴粉。

  

  (b)铁粉:有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉,顾名思义还原铁粉用还原法制取 ,电解铁粉电解法制取,羰基铁粉通过热离解羰基化合物制取。作为结合剂材料,铁粉的优点有:价格低,与金刚石有好的润湿性;与骨架材料(WC)的相容性很好;一定温度烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度,反而会提高金刚石在胎体中的把持力。刻蚀作用实质是金刚石中的碳原子溶入铁中并向其中扩散的过程,金刚石未发生结构及强度变化。

  

  (c) 钴粉:不规则海绵状,还原法制取,作为粘结剂,其综合性能最好。是一种优异的粘结剂材料,国外发达国家用的较多,其主要优点有:优良的成型性和可烧结性;可使胎体的抗弯强度提高;和金刚石的粘结力大,润湿性好;胎体的韧性好、自锐性好。由于价格昂贵,国内以铁代钴的研究很多,选择合适的粉末、合理的烧结工艺可获得钴基粘结剂相似的性能。

  

  钴的缺点是:价格昂贵;松装密度太小,易造成投料困难。另外使压制磨具设计宽度和高度变大,手装料热压模具高度加大,从而使模具成本提高。

  

  (d) 镍粉:不规则树枝状,电解法制取。优点:适于制作重载荷下作用的工具,具有出色的强韧性;可以减少铁铜基胎体的烧结损失(铜镍无限互溶);镍与铁、钴搭配可以得到另人满意的综合性能,如小的变形和适度耐磨性。接近或达到钴基胎体的性能。

  

  (e) 锡粉:颗粒呈滴状,灰白色粉末,易氧化,氧化后呈黄色,雾化法制取。锡粉在粘结剂中的作用是:改善胎体的可烧结性(降低熔点);易形成金属间化合物,可以改善磨损性能和变形性;适宜添加到压制成型胎体中,烧结熔化后的毛细现象使胎体收缩,从而增加胎体的致密性;降低液态合金的表面张力,改善合金对金刚石的润湿性。其缺点是:加入量太多,易造成流失。

  

  (f) 钨粉:青黑色,微米级粉末,还原法制取,钨与铜、铁、钴、镍都有较好的相容性;烧结时在金刚石表面生成WC,但金刚石表面不发生石墨化;增加胎体的耐磨性,减少变形;作为骨架材料,耐磨性不如WC,但可使胎体的韧性增加。不足是烧结坯的空隙度较大,要提高烧结的密度必须提高温度和压力

  

  (g)碳化钨: 黑色,无机械夹杂物,多孔海绵状,还原法制取。须化验杂质硫含量,硫易导致烧结断面发黑(烧结时生成硫化物),大大降低刀头的强度。钨和碳化钨主要作为骨架材料加入胎体中,以提高胎体的耐磨性,含量过高易使胎体的脆性加大。



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金刚石工具



  金刚石工具是金刚石颗粒与金属、树脂等结合剂混合按一定工艺而成的一种特殊的复合材料。由于建材工业的发展,对金刚石工具的使用也越来越广泛,这也使对工具的生产从经济和性能上都有很高的要求。而提高金刚石工具性能的关键是制品的耐磨,同时保持锋利性。

  



  3.1金刚石工具的结构:


  金刚石+金属粉末=刀头(主要技术)

  

  刀头+基体(刚体)=金刚石锯片(钻头、磨盘)

  

 

  3.2金刚石工具的分类

  

  按用途划分:钻头类、锯片类、磨削类、即“钻、切、磨”工具。

  

  按制作工艺划分:烧结类、焊接类、电镀制品等

  

  按结合剂划分:金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂等

  

  3.3金刚石工具的浓度概念


  定义金刚石在胎体中体积比为25%时浓度为100%。

  

  浓度是金刚石工具的重要特性之一,对工具的效率、寿命和加工效果有很大的影响。一般金刚石浓度高,则单位工作层面积上的金刚石颗粒数就多,每个磨粒的受力就小,切入工件的深度小,金刚石不易破碎和脱落,反而容易被磨平和抛光,宏观表现为效率低、寿命长;金刚石浓度低,每个磨粒有更大的切入压力,切入深,金刚石易破碎和脱落,工具表现为效率高、寿命低。

  

  通常,锯切工具的金刚石浓度多选在10%~45%;钻探工具、烧结金属结合剂金刚石磨具多选50%~125%浓度;树脂金刚石磨具的浓度多选50%~100%;陶瓷金刚石磨具多选75%~150%浓度;电镀金刚石工具用200%的浓度。

  

  3.4金刚石工具的原材料


  基体:金属结合剂金刚石工具基体主要是钢基体为主,常用材质为45号钢、65Mn、28CrMo、16Mn等。

  

  金刚石磨料:在“金刚石简介”中已经介绍,不再赘述。

  

  金属粉末 :烧结金属结合剂制品中常用元素主要有:Fe  Ni  Cu  Mn  Sn  Zn  AI  Co  Cr  W  Ti  Ce  La

  






  

  3.5金刚石制品常用金属基结合剂的种类

  

  铜基结合剂:以铜或青铜为主要结合剂元素,添加Ni、Mn、Co、Fe等中的一种或几种。

  

  钴基结合剂:钴由于它对金刚石有好湿润性在金刚石工具制造中,尤其是刀头要求重负荷高效率切割时,具有不可取代的地位。但它过高的价格正迫使人们用铁、镍逐步取代它。

  

  铁剂结合剂:铁弹性模量中等,对金刚石也有很好的湿润性,加之低廉的价格,是结合剂发展的方向。

  

  W基或WC基结合剂:在国内应用不多,但是在欧美发达国家专业切割沥青马路、新鲜混凝土路面应用极为广泛。


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金刚石工具的制作工艺



(金属粉末+金刚石+液体石蜡)、混合、模具组装、投料压制、烧结、焊接、应力调整、喷漆开刃、检验、包装、入库

  

  混料

  

  主要功能是将配好的粉料进行充分的混合,保证后序压制的正常进行。目前金刚石工具行业常用的摇摆三维混料机。这种混料设备具有旋转运动、平移摆动和颠倒反转三种运动方式,粉料的运动轨迹呈三维立体状态,可以使粉料在较短的时间内混合均匀,且可以细化颗粒。

  


  

  制粒


  (1)粉末的流动性得到提高与改善。

  

  (2)减少粉末与金刚石的偏析与聚集,使金刚石分布更为均匀,改善了制品的性能。

  

  (3)降低了冷压模具的损耗,由于粉末流动性好,金刚石均被粉末包裹,分布更为均匀,故冷压模具损耗降低,模具寿命提高50%以上。

  

  (4)提高了生产效率,为实现冷压自动化生产创造了条件。

  

  冷压


  主要功能是通过模具配合实现产品(刀头)毛坯的压制成型,分手动冷压和自动冷压两种。

  

 

  

  烧结


  烧结设备主要是电阻炉和热压机,主要完成金刚石工具或刀头的烧结致密化工作。

  

 

  

  影响烧结的因素有三个:烧结温度、保温时间、保温压力。

  

  烧结温度和保温时间主要取决与胎体材料的组成成分,以使胎体合金很好的熔合、充分合金化为目的。烧结温度和保温时间应该适宜,过高的烧结温度和过长的保温时间会使金刚石受到热损害,胎体硬度增加,磨损性降低,低熔点元素大量流失,从而影响锯片的切割性能。烧结温度过低和保温时间过短会使各合金之间得不到充分的熔合,造成组织疏松、硬度降低,从而使锯片的寿命降低。

  

  保温时若压力过低则会造成金刚石烧结体烧不到位;若压力过高会增加磨具的损耗,且可能会使胎体材料流失。

  

  焊接


  焊接式金刚石圆锯片是通过焊接的方式将节块和基体连接到一起的。目前常用的焊接形式有两种,一是高频焊接,另一种是激光焊接。


  

  后处理


  后处理设备主要包括抛光机、开刃机、应力调整机、喷漆线等设备。这些设备主要工作是完成成品前的开刃、满足产品设计的应力要求、美观要求等。

5
金刚石工具的工作原理


在一定的压力、一定的速度下,靠刀头上的金刚石磨掉被加工材料。而在此过程在中,金刚石也要磨损、破碎、脱落,但同时被加工材料会将镶裹金刚石的胎体也磨掉,从而露出后面的金刚石继续工作,一直下去,就完成了加工工作。



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金刚石工具的正确使用



合理选用金刚石工具,对提高工作效率,降低加工成本具有重要意义。下面以金刚石锯片为例简要介绍部分内容:(四个因素)

  

 

  

  6.1要考虑适用对象的因素:根据不同加工对象选择通用型、石材专用、混凝土专用、瓷砖专用等锯片。

  

  6.2要考虑性能匹配的因素:针对硬度较高、研磨性较差的切割材料要选用锋利度好、寿命适中的锯片,以保证其切割效率;针对硬度较低、研磨性高的材料要选用长寿命、锋利度适中的锯片,有利降低切割成本。

  

  6.3要考虑几何尺寸的影响因素:要根据切割材料的规格和质量要求选定锯片的尺寸及类型。例如圆锯片的直径一般应大于被切工件的三倍。同时根据加工精度要求选定锯片结构形式,即要求锯切表面光滑或加工较薄、易碎的材料时,应选用窄槽型或连续齿锯片,反之,锯切表面要求不高或较厚的材料,可选用宽槽型锯片。

  

  6.4要考虑使用设备的影响因素:设备功率较大可选用耐磨型锯片保证其寿命,设备功率较小选择锋利型产品以保证其切割效率。对有偏摆或精度较差的切割机最好选用耐磨型锯片,对于较新的精度好的切割机,可选用快速锋利型锯片。



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金刚石工具配方设计概述


  

  金刚石工具的配方是指粉末压制层的配方,包括含金刚石层配方和过渡层配方。

  


  7.1配方的确定依据

  配方设计依据多方面的因素,主要是这几点:被加工工件的材质、加工方式、加工质量要求、加工使用设备、所选原材料的性能、所选的制造工艺。

  

  7.2配方确定前的实验程序

  根据依据设计好配方初稿,只是一个理论设计,到底能否满足或达到各方面的要求,需要进行系统的实验来验证,并最终确定。

  

  第一步:选择结合剂成分及配比(一般设计若干种配比,以供优选)

  

  第二步:测定结合剂试样的强度、硬度等各项性能,优选出性能良好的结合剂(一种或两种)

  

  第三步:利用选出的结合剂,按照设想的配方和设定工艺, 试制成制品

  

  第四步:进行“切磨钻”实验,测定制品的各项性能,从而选出最佳配方

  

  7.3配方的投料计算

  一般金刚石制品的投料按其理论密度计算后增加5%的烧结料损。其公式如下:

  

  m=ρ*V

  式中:m——理论投料量

  ρ——配方理论密度

  V——制品齿部体积

  其中配方的理论密度用下式计算:

  ρ=100/(g1/ρ1+g2/ρ2+…+ gn /ρn)

  式中:g1, g2, …gn——配方中各组分所占的百分数。

  ρ1, ρ2, …ρn——对应个组分的密度。

  

  计算示例:某配方(不含金刚石)比例为Fe40%、Sn5%、Ni5%、Cu50%,求烧结40*10*4的刀头的投料为多少克?

  

  解:配方的理论密度为

  

  ρ=100/(40/7.8+5/7.3+5/8.9+50/8.9)=8.34g/cm3

  刀头体积为:V =40*10*4/1000=1.6 cm3

  理论投料:m=ρ*V=8.34*1.6=13.3g

  实际投料:m实=13.3*1.05=13.95g



8
新技术在金刚石工具中的应用



8.1预合金粉在金刚石工具中的应用

  

  预合金粉末由于每个粉末颗粒都包含组成合金的各种金属元素,因此成分均匀性相当好。由于其共熔点比合金中单元素熔点要低得多,因此预合金粉末所需的烧结温度低。

  

  目前,制备预合金粉末的常用方法主要有以下几种:

  

  (1)雾化法

  预合金粉末高压雾化法是按照设计好的胎体配比,在烧结之前预先将各种成分的金属熔炼成合金,然后雾化喷粉,得到所需粒度的胎体粉末。雾化法按雾化介质可分为水雾化和气雾化,气体雾化可用空气、氮气或氩气等气体。气体雾化冷却速度快、粉末晶粒细、粉末收得率高、成本低。由于水比气体的粘度大且冷却能力强,水雾化法特别适于熔点较高的金属与合金。

  

  (2)共沉淀法

  共沉淀法即是在含有两种或多种金属离子的溶液中,加入沉淀剂、表面改性剂,通过强化工艺条件,使各种金属离子几乎同时沉淀而获得成分均匀的沉淀物,再将沉淀物通过加热分解、还原、破碎、过筛等工序处理后,最终得到所需粉末的方法。

  

  共沉淀法是制备含有两种以上金属元素的复合粉料的重要方法。由于化学共沉淀法各组分预先可在溶液中达到分子间的均匀混合,因此制品的成分均匀稳定,另外其他参数(如粒度、粒形等)也易于控制。制取的粉料具有粒度细、粒度分布范围窄、成分分布均匀、纯度高、烧结活性好等优点。

  

  (3)机械合金化法

  机械合金化法通常也称为高能球磨法,是将不同的金属粉末或弥散强化粉末装入高能球磨机,在保护气氛下按一定的球料比、球大小比进行长时间球磨,在球磨机的转动等机械驱动力的作用下,粉末经反复的挤压、冷焊及粉碎过程,使不同的原料粉末达到原子级紧密结合,如果原料中含有固态时不能互溶的金属或陶瓷之类的硬颗粒,硬颗粒就均匀地弥散嵌入较软金属颗粒中而制得复合粉末。

  

  机械合金化法的一个显著特点是能在低温下合成通常要求高温加工才能制备的材料,并能获得常规方法难以获得的非晶合金、超饱和固溶体等材料。但是机械合金化法容易在球磨过程中将杂质带入粉末中,降低产品的纯度,且反复的挤压使粉末内部产生很大的内应力,影响粉末的压制性能和烧结性能。

  

  8.2金刚石有序排列

  在常规金刚石锯片中,金刚石在金属胎体中是随机、无序排列的,因此,金刚石在刀头中容易产生偏析与聚集。在金刚石富集区,金刚石浓度高,单颗金刚石锯切力小,而易被抛光与磨损,同时易于堵塞与阻碍岩屑的排除,致使锯切效率下降;在金刚石稀少区,由于单颗金刚石承受工作负荷过大,冲击力大,金刚石易于碎裂与脱落。因此,金刚石无序排列的锯片存在锯切效率低、工具寿命短和锯切效率与寿命相互矛盾的问题。近年来在金刚石工具行业中,推出了刀头金刚石有序排列的设计与工艺,可在金刚石刀头生产中以最优间距均匀排布金刚石。试验数据表明有序排布能够同时提高金刚石锯片的锋利性与寿命,并且降低了金刚石浓度,节约了成本。

  

  8.3钎焊金刚石工具

  钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术,以活性钎料或镍基钎料焊接金刚石, 通过强碳化物形成元素或合金, 使金刚石与工具胎体实现化学冶金结合, 这大大提高了金刚石的把持力。另外,金刚石可凸出2/3,且不易脱落,又创造了切割锋利、排屑好的有利条件。再加上易于与金刚石有序排列技术相结合,实现金刚石在工具表面合理规则均布,充分利用了金刚石的切割作用,既能节省金刚石用量,降低工具成本,又提高了切割效率。

  

  目前使用的钎焊设备主要有两种。一种是高频感应焊机;一种是高温真空炉。

  

  


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