一種組切石材金剛石排鋸的制作*

吳益雄，陳欣宏，黃 云

（1.廣州晶體科技有限公司，廣州 510520；2.中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070）

0 引言

現階段國內組合切割石材荒料的工具有砂鋸（一代）、圓盤鋸（二代）、排鋸（三代）。砂鋸在加工石材過程中需加入切削磨料，這使得鋸切過程產生的廢渣排放量多，對環境造成極大污染。此外，砂鋸的鋼基體自身磨損速度較快，平均一條鋼基體只能切割30 m2的板材。圓盤鋸作為中國獨立自主開發的裝備，在一段時期內，形成規模使用的工具，屬于粗放型的加工，對小塊或異形石材荒料有便捷、高效的特點，但因其巨大的鋸縫損耗、電能損耗、低品質的出板材率，制約著其進一步的拓展。隨著礦山全鋸切開采天然石材荒料技術的普及，人造石材荒料加工工藝成熟，金剛石排鋸成為切割石材板材的先進工具。

新一代金剛石排鋸與傳統砂鋸和圓盤鋸對比，切割效率提高了3～5倍，板材平整度由1～2 mm提升至0.3 mm以內，鋸縫損耗由原來6～9 mm縮小至2.5～3.5 mm，每平方米石材切板綜合成本減少了2/3，鋼基體能重復使用3～5次，平均一條鋼基體能切割200 m2的板材，冷卻水循環使用，產生的泥漿過濾沉淀烘干后，變成人造石材的原材料，做到環保可回收。此外，新一代金剛石排鋸能有效提高石材切割效率、石材平整度，減少鋸縫損耗，給石材加工行業減少綜合加工成本。目前，國內生產金剛石排鋸的幾家企業主要集中在珠三角地區和閩南地區，占據著國內金剛石排鋸的少部分市場份額，但都不具備控制金剛石排鋸性能的技術優勢，不能形成獨立的自主知識產權體系，沒有形成規模的量化生產，生產出的金剛石排鋸無法與國外同類產品抗衡。

金剛石刀頭的制作工藝是金剛石排鋸研究的關鍵，影響金剛石鋸切工具性能的主要因素包括配方設計、刀頭形狀及結構、金剛石的粒度及濃度、工藝過程、鋸片基體、刀頭與基體焊接工藝及現場使用等。國內也有眾多學者進行了研究，文獻[1－3]探討了金屬基結合劑中添加少量稀土對不同類別金剛石節塊力學性能的影響機制，表明稀土元素對不同類別金剛石節塊抗彎強度的影響較為顯著，加入少量稀土可提高胎體對金剛石的把持力；文獻[4－7]研究了不同金屬鍍層對金屬基金剛石鋸片切削性能、冶金鍵合及基體耐磨性等的改善作用；文獻[8]通過調節Fe、Ni添加比例設計結合劑配方組合，對比分析各配方的無壓燒結致密度、抗彎強度、斷口顯微形貌，研究了Ni含量對無壓燒結金剛石刀頭層間結合的影響；文獻[9]探討了金剛石原材料（粒度、濃度和品級）、胎體成分以及燒結工藝對金剛石鋸片性能的影響規律，為金剛石刀頭設計提供了一定的參考指引。目前對制作工藝的研究改善多集中在金屬基配方調制和刀頭的表面處理上，對金剛石排鋸的刀頭內部結構、組切排布方式等工藝環節的研究還不充分。

本文擬在刀頭內部結構設計、排鋸的組切排布方式上以及金屬基結合劑添加稀土的配方調制等幾個方面進行研究，通過設計一種夾層式排鋸刀頭切削部結構[10]來調制刀頭的鋒利度，提高刀頭的導向性。采用一種含稀土改性金屬基來提升金剛石粉粒與基體的焊接強度，提高刀頭的耐磨性，并采用組切非等距排布方式來抑制排鋸在鋸切中的諧振現象，減少切削損耗，研制出一種適用于組切的高效、損耗低、穩定性高的金剛石排距。

1 組切石材金剛石排鋸制作工藝

組切石材金剛石排鋸制作工藝流程如圖1所示。制作工藝主要依據調配出的預合金化的金屬粉末配方，采用金屬粉和金剛石造粒成球形技術及金剛石－金屬鍵合技術，使金剛石和金屬胎體達到最佳冶金結合狀態，提高金剛石刀頭的鋒利度和耐磨度；利用自動冷壓成形技術和真空熱壓燒結成形技術，采用三明治和五明治的工藝，使每一顆刀頭的重量和厚度偏差都控制在1.5%以內，以保證刀頭一致的鋒利度和耐磨度，同步損耗，防止夾板、拖刀、走偏及彎板；依據實驗獲得金剛石排鋸刀頭最佳燒結工藝和致密度，選取高強度的焊接材料，并采用金剛石排鋸成套釬焊技術進行釬焊；設計出適合的金剛石刀頭物理結構，保證與基體有足夠的焊接強度。研究設計金剛石刀頭不同排布方式來抑制諧振現象，減少切削損耗。在排鋸基體上焊接金剛石刀頭后，對排鋸進行整平和應力校正。

圖1 組切石材金剛石排鋸制作工藝流程Fig.1 Group cutting stone.diamond row sawing for process flow diagram

2 組切石材金剛石排鋸關鍵技術研究

2.1 夾層式排鋸刀頭結構設計

夾層刀頭結構設計如圖2所示。刀頭結構包括兩層工作層，兩側為工作層，相鄰兩工作層之間為過渡層。其中工作層中金剛石粉的粒度小于過渡層中金剛石粉的粒度，且工作層中金剛石粉的濃度大于過渡層中金剛石粉的濃度；工作層合金胎體的硬度大于過渡層合金胎體的硬度。制作過程中，精確控制工作層和過渡層的成分和形狀可調制刀頭的鋒利度，提高刀頭的導向性，從而改善切割質量及延長刀頭的使用壽命。

圖2 夾層式金剛石刀頭截面結構Fig.2 Sectional Structure of Sandwich Type Diamond Cutter head

2.2 金剛石排鋸刀頭材料工藝配方試制

本文研制了一種摻稀土的改性金屬基金剛石功能結合劑的制作配方，稀土元素對不同類別金剛石節塊抗彎強度的影響比較顯著，在功能金屬粉中加入少量稀土，有利于細化胎體晶粒，凈化金剛石與胎體界面，改善結合劑與金剛石的界面結合狀態，提高胎體對金剛石的把持力。

2.2.1 工作層工藝配方

工作層中選配金剛石粉的粒徑為300～425μm，濃度范圍為35%～70%；工作層中的功能金屬粉配制由鈷粉、鎳粉、鉻粉、鎢粉、碳化鎢粉、鐵銅合金粉、稀土混合而成，成分占比如表1所示。

表1 工作層功能金屬粉成分Tab.1 Composition table of functional metal powder for working layer

鈷粉和鎳粉的粒徑小于10μm；鉻粉的粒徑為30～50μm；鎢粉、碳化鎢粉的粒徑為80～100μm；鐵銅合金粉的粒徑為20～40μm；稀土的粒徑為20～45μm。功能金屬粉中各成分的重量比例為鈷粉60%～70%、鎳粉2%～8%、鉻粉1%～3%、鎢粉2%～8%、碳化鎢粉2%～6%、鐵銅合金粉20%～30%、稀土0.2%～1.2%。鈷粉是主要成分，其燒結強度高，韌性和耐磨性好；鎳粉的作用是增加耐磨性；鉻粉的作用是增加胎體對金剛石粉的把持力；鎢粉增加胎體的硬度和耐磨性，與鈷粉和鎳粉有一定合金化作用；碳化鎢粉是以單質存在于合金中，增加胎體的硬度和耐磨性；鐵銅合金粉的作用是高溫彌散性好，促使胎體合金均勻。以上工作層燒結成形后的胎體硬度為HRB105～115。

2.2.2 過渡層工藝配方

過渡層中選配金剛石粉的粒徑為500～600μm，濃度范圍為20%～50%；功能金屬粉由銅粉、錫粉、鋅粉、銅錫合金粉、鈷粉、鎳粉、鉻粉、鎢粉混合而成，如表2所示。

表2 過渡層功能金屬粉成分Tab.2 Composition table of transition layer functional metal powder

銅錫合金粉中銅與錫的含量比為85∶15，所述銅粉、錫粉、鋅粉、鉻粉、銅錫合金粉的粒徑為30～50μm，鈷粉和鎳粉的粒徑小于10μm，鎢粉的粒徑為80～100μm。所述過渡層中的功能金屬粉中各成分的重量比例為銅粉53%～63%、錫粉1%～6%、鋅粉1%～5%、銅錫合金粉10%～20%、鈷粉16%～30%、鎳粉3%～6%、鉻粉1%～3%、鎢粉4%～8%、稀土0.2%～1.2%。在過渡層的功能金屬粉中，銅粉的作用是增加胎體的韌性和延展性；錫粉的作用是燒結時產生液相，軟化胎體，降低胎體的燒結溫度；鋅粉的作用是與銅粉、錫粉形成合金，固結液相，增加合金的脆性，提高胎體的鋒利度；銅錫合金粉的作用是軟化胎體，改善胎體的燒結性能，提高胎體的致密度。以上過渡層燒結成形后胎體的硬度為HRB87～99。

2.3 金剛石排距刀頭的排布工藝設計

金剛石排鋸的生產過程需要解決刀頭材料混合、壓制成型、燒結成型、刀頭與鋼基體焊接等系列生產問題，排鋸的排布工藝也有著比較重要的影響。實驗發現，非等距排布方式相對傳統等距排布方式，可有效抑制排鋸諧振現象，減少切削損耗。

通過試驗，設計了一種非等距排鋸排布方式，如圖3所示。

圖3 金剛石排鋸非等距排布工藝設計Fig.3 Non－equidistant arrangement process design of diamond row saw

在排布工藝過程中，將刀頭在中間處排布密集，兩側按一定間隔逐步增大間距排布，排鋸在鋸切過程中的穩定性和刀頭耐磨性有一定程度的提升。

3 結束語

金剛石排距夾層式刀頭制作工藝中，通過精確控制工作層和過渡層的成分和形狀，刀頭的導向性得到很好地調制，提升了刀頭的鋒利度；金屬基結合劑中添加少量稀土元素，細化了胎體晶粒，金剛石與胎體界面得到凈化，提高了胎體對金剛石的把持力，金剛石粉粒與基體的黏結度增強，使刀頭耐磨度得到改善；制作的刀頭硬度值達到HRB105~115，下刀速度達到27 cm/h，刀頭耐磨度和鋒利度均達到進口同類刀頭標準；相對傳統的排鋸等距排布方式，中間處排布密集，兩側按一定間隔逐步增大間距的非等距排布方式，鋸切過程中的諧振現象得到有效抑制，減少了切削損耗，對比國外同類排鋸，在相同條件下，石材鋸切損耗降低了5%~10%。本次實驗設計制作的組切金剛石排距，性能指標達到了國外同類產品水平。