金剛石工具制造技術的發展與熱點問題①

王明智

（燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島066004）

3.3.2 釬焊金剛石圓鋸片

電鍍金剛石工具中，金剛石僅能用鎳金屬作機械包鑲，故易于脫落，且金剛石無序排列，凸出低、容屑空間小；在孕鑲燒結金剛石工具中，金剛石無序排列，出刃自銳問題難于解決，金剛石與粉料也很難實現冶金結合。這兩種工藝都不能充分有效地利用金剛石的鋸切性能。而釬焊金剛石工具有上述兩種金剛石工具無可比擬的優越性，所以近10年來金剛石釬焊工藝引起了人們的重視。

（1）釬焊金剛石工具的特點

釬焊金剛石工具采用金剛石表面金屬化技術，以活性釬料或鎳基釬料焊接金剛石，通過強碳化物形成元素或合金，使金剛石與工具胎體實現化學冶金結合，這大大提高了金剛石的把持力。另外，金剛石可凸出2／3，且不易脫落，又創造了切割鋒利、排屑好的有利條件。再加上易于與金剛石有序排列技術相結合，實現金剛石在工具表面合理規則均布，充分利用了金剛石的切割作用，既能節省金剛石用量，降低工具成本，又提高了切割效率。可以說，這一技術正好適應了我國國民經濟發展的大力節約資源，加快建設資源節約型、環境友好型社會的要求。圖11、圖12所示分別是一般釬焊金剛石工具制造工藝流程圖和釬焊金剛石鋸片。

圖11 釬焊金剛石工具的工藝流程圖Fig.11 Process flow diagram of brazed diamond tools

圖12 釬焊金剛石鋸片Fig.12 The brazing diamond saw blade

用金剛石釬焊工藝取代電鍍工藝生產制品是必然的趨勢。實驗表明，金剛石釬焊工藝與電鍍工藝相比，胎體強度提高40%，金剛石把持力提高22%左右，金剛石凸出高達2／3（電鍍工藝僅為1／3），而金剛石用量僅為其1／5。

（2）金剛石釬焊料研究現狀

釬焊料的選擇原則：

①釬料合金對金剛石有良好的潤濕性，較低的潤濕角；

②良好的延展性；

③很好的爬升能力，使金剛石有足夠的凸出高度與良好的容屑能力；

④與金剛石形成有效的冶金化學結合，良好的把持力；

⑤有較低的熔點，以降低釬焊溫度；

⑥較低的成本，有利于降低釬焊工具成本。

目前，釬焊金剛石的釬料多使用Ni－Cr、Ag－Cu和Cu－Sn三類合金。其中，應用最廣泛的是Ni－Cr基釬料，但由于其釬焊溫度較高（900℃以上），這也增加了金剛石石墨化的傾向，影響釬焊金剛石的強度和工具壽命。因此尋求低熔點的適合金剛石的釬料成為目前釬焊金剛石工具的一個研究趨勢。

（3）金剛石釬焊專用設備

目前使用的釬焊設備主要有兩種。一種是高頻感應焊機；一種是高溫真空爐，金剛石釬焊專用設備應滿足下列要求：

①高頻感應焊必須在真空或惰性氣體保護下進行焊接；

②設計相應工裝，便于固定工件以及工件的旋轉，移動與準確定位；

③精確的溫度測控系統；

④真空爐應保證有足夠的真空度和穩定、均勻的溫度場；

⑤爐型至少兩種，一種供小批量生產或試制新產品用，一種要有較大的工作空間，易于大批量生產；

⑥有觀察口，便于觀察爐內工具釬焊過程；

⑦為提高生產效率，升溫、保溫與冷卻階段能分段連續進行，便于縮短生產周期，提高產量；

⑧良好的工藝控制系統。

（4）發展多層磨料金剛石釬焊工具

目前，大多數釬焊金剛石工具為單層釬焊產品，單層釬焊金剛石工具其壽命主要取決于單層金剛石的耐磨性，一旦金剛石被磨損與破壞，工具壽命即告終。因此，要進一步提高金剛石工具壽命，必須發展多層金剛石釬焊工具。圖13為多層金剛石釬焊刀頭結構示意圖。

3.3.3 軋制法制造金剛石刀頭的嘗試

（1）背景問題

本項目通過類似軋制復合的試驗方法，試圖尋找一種新的金屬結合劑金剛石磨具的制造方法。

（2）研究依據

圖13 多層金剛石釬焊刀頭設計Fig.13 Design of multilayer brazed diamond segment

在本項目研究中，依據熱軋復合的基本原理，根據金剛石磨料的性能，制品的使用狀態，在以下方面進行改進：

①改熱軋為冷軋。由于金剛石的耐熱性限制，熱軋的高溫很容易引起金剛石的氧化和熱損傷。通過冷軋，依靠金屬與金剛石硬度的懸殊差異，使金屬軋制后包裹磨料，造成密封，防止在隨后的燒結過程中造成氧化；

②加入一定量的輔助結合劑，在軋制和燒結過程中可形成冶金結合，并且可按復合材料進行選配組元；

③在軋制復合過程中，將有75%～100%（3.3～4.4克拉／厘米3）濃度的金剛石磨料加入，相當于普通軋制復合體的雜質。

（3）研究方法

①試驗流程

軋制復合法在金屬固態連接方面的應用已很普遍，技術成熟。能否應用到金剛石金屬結合劑胎體制造方面，關鍵的問題是在軋制過程中金剛石是否會破碎，如果破損率超過可容忍的程度，該項技術將不能應用到該領域。因此，首先要進行軋制復合試驗；另一關鍵問題是金剛石在軋制過程中如何移動和分布，這個問題涉及使用軋制方法能否制造出可使用的胎體；第三方面，經過軋制能否使組成復合體的上下基板結合或經過燒結結合，只有良好結合才能達到使用的目的。為此，本項目的試驗將按圖14的流程進行。

圖14 軋制復合體制備流程圖Fig.14 FloWChart of preparing complex

②復合體材料選擇

材料選擇如表8所示。

表8 試驗材料及配方Table 8 Test materials and ingredient

③試驗方法

在軋制過程中金剛石能否破碎及分布是設想能否成立的關鍵，因此首先考察金剛石在復合體中的形態及分布。為此選擇Cu作為基板材料，主要是考慮其柔韌性。輔助結合劑選擇FQSn663則是考慮其燒結溫度及其與Cu的浸潤性。金剛石的種類及粒度并無特別考慮。

將表7所示材料，按圖14流程進行處理。首先檢驗金剛石質量及稱量，將金剛石含量控制在75%濃度，然后與FQSn663粉末充分混合。將混合料鋪放在兩基板之間，并將基板周邊用Sn基焊料釬焊制成復合體備用。如圖15～圖16所示。

圖15 組裝復合體示意圖Fig.15 Schematic diagram of assembling complex

圖16 組裝復合體橫斷面示意圖Fig.16 Cross section diagram of assembling complex

采用自制小型軋機，將復合體置于上下軋輥的輥隙處，調整輥隙至2mm，開動軋機，將復合體咬入，進行初軋；繼續調整輥隙至1.2mm，再次軋制。如此調整，直至0.8mm。之后，將獲得的樣品放入箱式爐中加熱至720℃，并保溫20min，自然冷卻后繼續軋制至0.12mm。最終厚度的設定是考慮到金剛石的顆粒度為120μm，如果厚度小于120μm，將會有金剛石露出復合體的表面而傷及軋輥表面。（見圖17軋制示意圖）

圖17 軋制示意圖Fig.17 Schematic diagram of rolling

對樣品進行初步觀察及復合性能試驗。觀察選擇體示顯微鏡進行，復合強度試驗采用彎折90°，觀察復合層是否開裂。

④試驗結果及分析

圖18為軋制前后復合體長度變化（非終軋）。從圖中可見，復合體主要是沿長度方向延伸，與普通軋制相同。一般延長至原始長度的2～3.5倍，視總壓下量而定。

圖18 復合體軋制前后長度變化情況Fig.18 Length changes of complex being pre－rolled and post－rolled

樣品金剛石分布情況如圖19所示。從圖中可見，軋制后結合面金剛石顆粒分布基本均勻，且未見明顯的破碎顆粒，基本設想是成功的。橫截面也可見金剛石顆粒牢固嵌入上下基板之間，并可見輔助結合劑線，說明結合良好。

圖19 金剛石在復合體內分布情況樣品表面經過腐蝕處理Fig.19 The diamond distribution in complex and anti－corrosion process for sample appearance

為了分析判斷金剛石顆粒在復合體內分布及運動狀態，將復合體不加入輔助結合劑進行軋制，且未燒結，獲得樣品撕開后結合面金剛石分布如圖20所示。從圖中可清楚地看到，沿軋制方向，在金剛石顆粒前后各形成金屬隆起，從現象分析，在軋制過程中，固態金屬在軋制力的推動下，金剛石顆粒首先從滾動變成滑動，使在金剛石前面的金屬形成隆起，并因此使金剛石顆粒的滑動速度變慢；在接下來的軋制中，由于滑動變慢的金剛石顆粒的阻礙，使金剛石顆粒后面的金屬流動困難，又形成隆起，而其他部位的金屬則從金剛石顆粒兩側繞過，形成具有流線特征的表面。這個過程形成的隆起預計將會在其應用時發揮作用，隆起部位將成為對金剛石顆粒的支撐。

圖20 無輔助結合劑未燒結軋制后樣品Fig.20 The rolled sample without aided bond and sintering

經過燒結和終軋，樣品厚度為0.13mm。通過3次90°彎折試驗，彎折處未見開裂，樣品復合強度完全滿足要求（見圖21）。圖22顯示的是經過初軋－燒結－終軋的樣品撕開表面，從圖中可清晰地看到金剛石排布均勻，且其表面沾附有明顯的輔助結合劑及Cu基板材料，對其復合強度及其有利。

圖21 經過初軋－燒結－終軋后經3次彎折的樣品撕開表面Fig.21 Appearance of rived sample being three－time bending after bloom rolling－sintering－finished rolling

圖22 經過初軋－燒結－終軋的樣品撕開表面Fig.22 Appearance of rived sample after bloom rolling－sintering－finished rolling

⑤后續研究

上面就RC法制造金屬結合劑金剛石胎體的可行性進行了初步的研究，而更深入的相關試驗研究還有很多的工作要做。在本項目的研究中，燒結是在普通的大氣條件下進行的，如果在保護氣氛條件下燒結，將會獲得更好的結果；前面研究的過程中，是一個工序、一個工序進行的，布料由手工完成。在未來的研究中將加入自動上料機、自動卷管機、壓平機，連接到初軋機、退火爐及終軋機，形成完全的自動化生產線，這也是很容易做到的（參見圖23）。切斷工序已經在考慮之中，甚至金剛石的有序排布、多層軋制、多層復合等問題也在設計之中。如果本研究獲得成功，其應用價值是可想而知的。

4 幾種新型金剛石圓鋸片基體的發展

隨著國家對環保的日益重視，礦山荒料資源緊缺，電力資源的供應偏緊，石材企業的制造成本上升，競爭加劇，一些節能型、資源型、環保型的鋸片基體越來越受到市場的歡迎，客戶對鋸片基體的品種需求出現了一些新的特點：

4.1 薄片、超薄片鋸片基體

主要以基體的厚度來區分，對于Φ1600mm基體，正常厚度為7.3mm，厚度在6.5mm以下的稱之為薄片基體，厚度在5.5mm以下的稱之為超薄片基體。利用薄片、超薄片鋸片基體切割花崗石和大理石板材，可以大幅提高切割效率和荒料成材率，降低電力消耗，如使用厚度為4.0mm的Φ1600mm超薄基體，可以提高切割效率10%以上，降低電力消耗20%以上，提高荒料利用率16%以上。

圖23 設想的軋制刀頭生產線Fig.23 Assumed production line of rolling segments

4.2 直徑Φ2600mm以上的超大型鋸片基體的開發

目前，國內還普遍存在打眼放炮這種落后的方法來開采石材荒料，不但生產效率低、作業不安全，而且成材率很低。使用直徑Φ2600mm以上的超大型鋸片進行礦山開采，礦山資源利用率可達90%。另外，市場對石材大板的需求量越來越大，過去主要依賴于框架鋸條加工石材大板，但金剛石框架鋸條主要適用于切割大理石等軟質石材，對于花崗石和工藝石的切割仍需圓鋸片來完成。隨著石材加工業的發展，超大型圓鋸片的需求量將越來越大。

4.3 掏空型鋸片基體

掏空型鋸片基體相對于常規鋸片基體，只是在基體上多加了幾排孔，孔的形狀主要以水滴型為主。從目前Φ1600mm掏空型圓鋸片的使用情況看，對莫氏硬度7度以下的石材，鋸切工藝不作任何的改變，掏空型鋸片基體相對于常規片基體突出表現了以下幾個有點：

（1）易于進水，明顯提高了冷卻效果；

（2）加大了排屑量；

（3）減輕了基體重量及鋸機的運行負荷，電流同比下降5A；

（4）降低了運行噪音；

（5）由于基體重量的減輕，使小組合鋸機裝載更多的鋸片成為可能；

（6）可延長基體使用壽命，增加切割平米數，焊接變形小；

（7）使用間歇，張力恢復性能良好。

從大量的使用數據表明，使用掏空型鋸片基體加工石材，不僅能夠使單位平方米的電能消耗大大降低，而且提高了石材荒料資源的利用率，提高了石材加工的勞動生產率。目前，掏空型鋸片基體不僅廣泛應用于石材加工領域，而且在石材開采領域，Φ2600mm以上超大型掏空鋸片基體也越來越得到大量的推廣使用。

5 結束語

從金剛石鋸片制造技術的發展來看，還有很多的新亮點。如在促進金屬結合劑燒結方面，有人采用添加活化劑的方法，在添加微量的活化劑后，使燒結性得到很大改善；還有在結合劑中添加可溶性物質顆粒的方法來增加刀頭的自銳性和鋒利度，起了很好的效果；縮短刀頭節塊長度和降低刀頭厚度（在鋸片基體允許的條件下）、分層側壓等方法，都在一定程度上提高了刀頭壽命、自銳性、鋒利度，降低了刀頭成本，節約了電能。

總而言之，在我國行業技術人員的不懈努力下，我國的金剛石工具制造水平在不斷提高，可以自豪地認為，在同等材料及設備條件下，我們制造的金剛石工具具有世界上最高的性價比。但相比國際上的金剛石工具制造，我國的產品還是比較粗糙，特別是專業分工方面還不是很細致，這也是我們今后的任務和發展的目標。