金剛石鋸片

壽命和鋒利度

當(dāng)金剛石濃度由低到高變化時(shí)，鋸片鋒利性和鋸切效率逐漸下降，而使壽命逐漸延長(zhǎng)，但是濃度過(guò)高，鋸片會(huì)變鈍。而采用低濃度，效率則提高。因此，在金剛石鋸片的制造過(guò)程，要根據(jù)不同的切割對(duì)象以及使用的機(jī)器，合理控制金剛石濃度，從而使金剛石在使用過(guò)程得到充分利用。

1、燒結(jié)金剛石鋸片：分冷壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種，壓制燒結(jié)而成。

2、焊接金剛石鋸片：分釬焊和激光焊兩種，釬焊是通過(guò)高溫熔化介質(zhì)將刀頭與基體焊接在一起，如高頻感應(yīng)釬焊鋸片、真空釬焊鋸片等；激光焊接通過(guò)高溫激光束將刀頭與基體接觸邊緣熔化形成冶金結(jié)合。

3、電鍍（釬焊）金剛石鋸片：是將刀頭粉末通過(guò)電鍍方法附著在基體上。2012年開始，國(guó)家逐步在取消電鍍金剛石產(chǎn)品制作，主要是因?yàn)槲廴鞠喈?dāng)嚴(yán)重。

金剛石鋸片鋸片速度：

在實(shí)際工作中，金剛石圓鋸片的線速度受到設(shè)備條件、鋸片質(zhì)量和被鋸切石才性質(zhì)的限制。從最佳鋸片使用壽命與鋸切效率來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)不同石材的性質(zhì)選擇鋸片的線速度。鋸切花崗石時(shí)，鋸片線速度可在25m～35m/s范圍內(nèi)選定。對(duì)于石英含量高而難于鋸切的花崗石，鋸片線速度取下限值為宜。在生產(chǎn)花崗石面磚時(shí)，使用的金剛石圓鋸片直徑較小，線速度可以達(dá)到35m/s。

金剛石鋸片鋸切深度

鋸切深度是涉及金剛石磨耗、有效鋸切、鋸片受力情況和被鋸切石材性質(zhì)的重要參數(shù)。一般來(lái)講，當(dāng)金剛石圓鋸片的線速度較高時(shí)，應(yīng)選取小的切消深度，從技術(shù)來(lái)說(shuō)，鋸切金剛石的深度可在1mm～10mm之間選擇。通常用大直徑鋸片鋸切花崗石荒料時(shí)，鋸切深度可控制在1mm～2mm之間，與此同時(shí)應(yīng)降低進(jìn)刀速度。當(dāng)金剛石圓鋸片的線速度較大時(shí)，應(yīng)選取大的切削深度。但當(dāng)在鋸機(jī)性能和刀具強(qiáng)度許可范圍內(nèi)，應(yīng)盡量取較大的切削濃度進(jìn)行切削，以提高切削效率。當(dāng)對(duì)加工表面有要求時(shí)，則應(yīng)采用小深度切削。

金剛石鋸片進(jìn)刀速度

進(jìn)刀速度即被鋸切石材的進(jìn)給速度。它的大小影響鋸切率、鋸片受力以及鋸切區(qū)的散熱情況。它的取值應(yīng)根據(jù)被鋸切石材的性質(zhì)來(lái)選定。一般來(lái)講，鋸切較軟的石材，如大理石，可適當(dāng)提高進(jìn)刀速度，若進(jìn)刀速度過(guò)低，更有利于提高鋸切率。鋸切細(xì)粒結(jié)構(gòu)的、比較均質(zhì)的花崗石，可適當(dāng)提高進(jìn)刀速度，若進(jìn)刀速度過(guò)低，金剛石刃容易被磨平。但鋸切粗粒結(jié)構(gòu)而軟硬不均的花崗石時(shí)，應(yīng)降低進(jìn)刀速度，否則會(huì)引起鋸片振動(dòng)導(dǎo)致金剛石碎裂而降低鋸切率。鋸切花崗石的進(jìn)刀速度一般在9m～12m/min范圍內(nèi)選定。

在金剛石的產(chǎn)業(yè)化中還存在一些關(guān)鍵問(wèn)題函待解決，如高速大面積的金剛石厚膜沉積工藝、控制金剛石膜的晶界密度和缺陷密度、金剛石膜的低溫生長(zhǎng)，金剛石薄膜與基體結(jié)合力弱等。金剛石刀具優(yōu)異的性能和廣泛的發(fā)展前途吸引國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)的專家進(jìn)行研究，有些已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，相信不久的將來(lái)金剛石刀具將廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代加工中。

隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能及加工技術(shù)的要求日益提高。新型材料如碳纖維增強(qiáng)塑料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（PRMMC）及陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用。這些材料具有強(qiáng)度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特性，這決定了對(duì)它們進(jìn)行機(jī)加工時(shí)刀具的壽命非常短。開發(fā)新型耐磨且穩(wěn)定的超硬切削刀具是許多高校、科研院所和企業(yè)研究的課題。 金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等眾多優(yōu)異性能于一身，具有極高的硬度，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性高，熱膨脹系數(shù)和化學(xué)惰性低，是制造刀具的理想材料。本文對(duì)近年來(lái)金剛石刀具制造方法的發(fā)展作一概述。

金剛石鋸片應(yīng)用范圍

（1）難加工有色金屬材料的加工

加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時(shí)，材料易粘附刀具，加工困難。利用金剛石摩擦系數(shù)低、與有色金屬親和力小的特點(diǎn)，金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發(fā)生粘結(jié)。此外，由于金剛石彈性模量大，切削時(shí)刃部變形小，對(duì)所切削的有色金屬擠壓變形小，可使切削過(guò)程在小變形下完成，從而可以提高加工表面質(zhì)量。

（2）難加工非金屬材料的加工

加工含有大量高硬度質(zhì)點(diǎn)的難加工非金屬材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料、填硅材料、硬質(zhì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時(shí)，材料的硬質(zhì)點(diǎn)使刀具磨損嚴(yán)重，用硬質(zhì)合金刀具難以加工，而金剛石刀具硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。

（3）超精密加工

隨著現(xiàn)代集成技術(shù)的問(wèn)世，機(jī)加工向高精度方向發(fā)展，對(duì)刀具性能提出了相當(dāng)高的要求。由于金剛石摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，能切下極薄的切屑，切屑容易流出，與其它物質(zhì)的親和力小，不易產(chǎn)生積屑瘤，發(fā)熱量小，導(dǎo)熱率高，可以避免熱量對(duì)刀刃和工件的影響，因此刀刃不易鈍化，切削變形小，可以獲得較高質(zhì)量的表面。

(4)刨花板木工加工

大型木工切削作業(yè)，尤其是刨花板、密度板、抗倍特板等高致密性、高硬度難加工的板料，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金鋸片切削性能難以滿足。PCD復(fù)合金剛石鋸片已經(jīng)成為最硬材料的切削刀具，成為木工干切削作業(yè)刀具的佼佼者，其超硬性能以及經(jīng)久耐磨是木工材料的克星，金剛石鋸片，維氏硬度10000HV，耐酸性強(qiáng)，刃口不易鈍化，加工木材一次成型質(zhì)量好，耐磨度高，相比硬質(zhì)合金更耐磨，針對(duì)刨花板、密度板、木地板、貼面板等切削加工連續(xù)作業(yè)時(shí)間可達(dá)300~400個(gè)小時(shí)，最高使用報(bào)廢時(shí)間可以達(dá)到4000小時(shí)/片，相比硬質(zhì)合金刀片而言，使用壽命更長(zhǎng)，而且加工效率和加工精度更是達(dá)到最優(yōu)質(zhì)的需求。

金剛石鋸片制造方法

金剛石的主要加工方法有以下四種：薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結(jié)體刀具和單晶金剛石刀具。

2.1 薄膜涂層刀具

薄膜涂層刀具是在剛性及高溫特性好的集體材料上通過(guò)化學(xué)氣相沉積法（CVD）沉積金剛石薄膜制成的刀具。

由于Si3N4系陶瓷、WC-Co系硬質(zhì)合金以及金屬W的熱膨脹系與金剛石接近，制膜時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，因此可作為刀體的基體材料。WC-Co系硬質(zhì)合金中，粘結(jié)相Co的存在易使金剛石薄膜與基體之間形成石墨而降低附著強(qiáng)度，在沉積前需進(jìn)行預(yù)處理以消除Co的影響（一般通過(guò)酸腐蝕去Co）。

化學(xué)氣相沉積法是采用一定的方法把含有C源的氣體激活，在極低的氣體壓強(qiáng)下，使碳原子在一定區(qū)域沉積下來(lái)，碳原子在凝聚、沉積過(guò)程中形成金剛石相。用于沉積金剛石的CVD法主要包括：微波、熱燈絲、直流電弧噴射法等。

金剛石薄膜的優(yōu)點(diǎn)是可應(yīng)用于各種幾何形狀復(fù)雜的刀具，如帶有切屑的刀片、端銑刀、鉸刀及鉆頭；可以用來(lái)切削許多非金屬材料，切削時(shí)切削力小、變形小、工作平穩(wěn)、磨損慢、工件不易變形，適用于工件材質(zhì)好、公差小的精加工。主要缺點(diǎn)是金剛石薄膜與基體的粘接力較差，金剛石薄膜刀具不具有重磨性。

2.2 金剛石厚膜焊接刀具

金剛石厚膜焊接刀具的制作過(guò)程一般包括：大面積的金剛石膜的制備；將金剛石膜切成刀具需要的形狀尺寸；金剛石厚膜與刀具基體材料的焊接；金剛石厚膜刀具切削刃的研磨與拋光。（1）金剛石厚膜的制備與切割

常用的制備金剛石厚膜的工藝方法是直流等離子體射流CVD法。將金剛石沉積到WC-Co合金（表面進(jìn)行鏡面加工）上，在基體的冷卻過(guò)程中，金剛石膜自動(dòng)脫落。此方法沉積速度快（最高可達(dá)930μm/h），晶格之間結(jié)合比較緊密，但是生長(zhǎng)表面比較粗糙。金剛石膜硬度高、耐磨、不導(dǎo)電決定了它的切割方法是激光切割（切割可在空氣、氧氣和氬氣的環(huán)境中進(jìn)行）。采用激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還可以切出刀具的后角，具有切縫窄、高效等優(yōu)點(diǎn)。

（1）金剛石厚膜刀具的焊接

金剛石與一般的金屬及其合金之間具有很高的界面能，致使金剛石不能被一般的低熔點(diǎn)合金所浸潤(rùn)，可焊性極差。主要通過(guò)在銅銀合金焊料中添加強(qiáng)碳化物形成元素或通過(guò)對(duì)金剛石表面進(jìn)行金屬化處理來(lái)提高金剛石與金屬之間的可焊性。

①活性釬料法

焊料一般用含Ti的銅銀合金，不加助熔劑在惰性氣體或真空中焊接。常用的釬料成分Ag=68.8wt%，Cu=26.7wt%，Ti=4.5wt%，常用的制備方法是電弧熔煉法和粉末冶金法。Ti作為活性元素在焊接過(guò)程中與C反映生成TiC，可提高金剛石與焊料的潤(rùn)濕性和粘結(jié)強(qiáng)度。加熱溫度一般為850℃，保溫10分鐘，緩冷以減小內(nèi)應(yīng)力。

②表面金屬化后焊接

金剛石表面的金屬化是通過(guò)表面處理技術(shù)在金剛石表面鍍覆金屬，使其表面具有金屬或類金屬的性能。一般是在金剛石的表面鍍Ti，Ti與C反應(yīng)生成TiC，TiC與Ag-Cu合金釬料有較好的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度。常用的鍍鈦方法有：真空物理氣相沉積（PVD，主要包括真空蒸發(fā)鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍等），化學(xué)氣相鍍和粉末覆蓋燒結(jié)。PVD法單次鍍覆量低，鍍覆過(guò)程中金剛石的溫度低于500℃，鍍層與金剛石之間是物理附著、無(wú)化學(xué)冶金。CVD法Ti與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)力冶金結(jié)合，反應(yīng)溫度高，損害金剛石。

（2）厚膜金剛石刀具的刃磨

金剛石厚膜刀具的加工方法有：機(jī)械磨削，熱金屬盤研磨，離子束、激光束和等離子體刻蝕等。

2.3 金剛石燒結(jié)體刀具

將金剛石厚膜用滾壓研磨破壞的方法加工成平均粒度為32～37μm的金剛石晶?；蛑苯永酶邷馗邏悍ㄖ频媒饎偸Я＃丫Я７勰┒逊诺絎C-16wt%Co合金上，然后用Ta箔將其隔離，在5.5GPa、1500℃條件下燒結(jié)60分鐘，制成金剛石燒結(jié)體，用此燒結(jié)體制成的車刀具有很高的耐磨性。

2.4 單晶金剛石刀具

單晶金剛石刀具通常是將金剛石單晶固定在小刀頭上，小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法主要有：機(jī)械加固法（將金剛石底面和加壓面磨平，用壓板加壓固定在小刀頭上）；粉末冶金法（將金剛石放在合金粉末中，經(jīng)加壓在真空中燒結(jié)，使金剛石固定在小刀頭上）；粘結(jié)和釬焊法（使用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑或其它粘結(jié)劑固定金剛石）。由于金剛石與基體的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，金剛石易松動(dòng)，脫落。

1、連續(xù)邊緣鋸片：連續(xù)鋸齒金剛石鋸片，一般通過(guò)燒結(jié)方法制作，常用青銅結(jié)合劑作為基礎(chǔ)胎體料，切割時(shí)須加水以保證切割效果，并有用激光將刀頭切割縫隙的種類。

2、刀頭型鋸片：鋸齒斷開，切割速度快，適合干、濕兩種切割方法。

3、渦輪型鋸片：結(jié)合了前面1、2兩項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)，鋸齒連續(xù)呈現(xiàn)渦輪狀均勻凸凹，提高了切割速度，增加使用壽命。

不同的材料選用不同種類的金剛石鋸片，不同粉類配方適合不同材質(zhì)的特性，對(duì)材料產(chǎn)品的質(zhì)量、效果、合格率乃至成本和效益造成直接的影響。

影響金剛石圓鋸片效率和壽命的因素有鋸切工藝參數(shù)和金剛石的粒度、濃度、結(jié)合劑硬度等。據(jù)切參數(shù)有鋸片線速度、鋸切濃度和進(jìn)刀速度。

金剛石鋸片粒度

常用的金剛石粒度在30/35～60/80范圍內(nèi)。巖石愈堅(jiān)硬，宜選取用較細(xì)的粒度。因?yàn)樵谕葔毫l件下，金剛石愈細(xì)愈鋒利，有利于切入堅(jiān)硬的巖石。另外，一般大直徑的鋸片要求鋸切效率高，宜選取用較粗的粒度，如30/40，40/50；小直徑的鋸片鋸切的效率低，要求巖石鋸切截面光滑，宜選用較細(xì)的粒度，如50/60，60/80。

金剛石鋸片刀頭濃度

所謂金剛石濃度，是指金剛石在工作層胎體中分布的密度(即單位面積內(nèi)所含金剛石的重量)?！耙?guī)范”規(guī)定，每立方厘米工作胎體中含4.4克拉的金剛石時(shí)，其濃度為100%，含3.3克拉的金剛石時(shí)，其濃度為75%。體積濃度表示結(jié)塊中金剛石所占體積的多少，并規(guī)定，當(dāng)金剛石的體積占總體積的1/4時(shí)的濃度為100%。增大金剛石濃度可望延長(zhǎng)鋸片的壽命，因?yàn)樵黾訚舛燃礈p小了每粒金剛石所受的平均切削力。但增加濃度必然增加鋸片的成本，因而存在一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的濃度，且該濃度隨鋸切率增大而增大。

金剛石鋸片刀頭硬度

一般來(lái)說(shuō)，結(jié)合劑的硬度越高，其抗磨損能力越強(qiáng)。因而，當(dāng)鋸切研磨性大的巖石時(shí)，結(jié)合劑硬度宜高；當(dāng)鋸切材質(zhì)軟的巖石時(shí)，結(jié)合劑硬度宜低；當(dāng)鋸切研磨性大且硬的巖石時(shí)，結(jié)合劑硬度宜適中。

金剛石鋸片效應(yīng)

金剛石圓鋸片在切割石材的過(guò)程中，會(huì)受到離心力、鋸切力、鋸切熱等交變載荷的作用。

由于力效應(yīng)和溫度效應(yīng)而引起金剛石圓鋸片的磨破損。

力效應(yīng)：在鋸切過(guò)程中，鋸片要受到軸向力和切向力的作用。由于在圓周方向和徑向存在力的作用，使得鋸片在軸向呈波浪狀，在徑向呈碟狀。這兩種變形都會(huì)造成巖石切面不平直、石材浪費(fèi)多、鋸切時(shí)噪音大、振動(dòng)加劇，造成金剛石結(jié)塊早期破損、鋸片壽命降低。

溫度效應(yīng)：傳統(tǒng)理論認(rèn)為：溫度對(duì)鋸片過(guò)程的影響主要表現(xiàn)于兩個(gè)方面：一是導(dǎo)致結(jié)塊中的金剛石石墨化；二是造成金剛石與胎體的熱應(yīng)力而導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落。新研究表明：切割過(guò)程中產(chǎn)生的熱量主要傳入結(jié)塊。弧區(qū)溫度不高，一般在40～120℃之間。而磨粒磨削點(diǎn)溫度卻較高，一般在250～700℃之間。而冷卻液只降低弧區(qū)的平均溫度，對(duì)磨粒溫度卻影響較小。這樣的溫度不致使石墨炭化，卻會(huì)使磨粒與工件之間摩擦性能發(fā)生變化，并使金剛石與添加劑之間發(fā)生熱應(yīng)力，而導(dǎo)致金剛石失效機(jī)理發(fā)生根本性變化。研究表明，溫度效應(yīng)是使鋸片破損的最大影響因素。

磨破損：由于力效應(yīng)和溫度較應(yīng)，鋸片經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用往往會(huì)產(chǎn)生磨破損。磨破損的形式主要有以下幾種：磨料磨損、局部破碎、大面積破碎、脫落、結(jié)合劑沿鋸切速度方向的機(jī)械擦傷。磨料磨損：金剛石顆粒與式件不斷摩擦，棱邊鈍化成平面，失去切削性能，增大摩擦。鋸切熱會(huì)使金剛石顆粒表面出現(xiàn)石墨化薄層，硬度大大降低，加劇磨損：金剛石顆粒表面承受交變的熱應(yīng)力，同時(shí)還承受交變的切削應(yīng)力，就會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋而局部破碎，顯露出銳利的新棱邊，是較為理想的磨損形態(tài)；大面積破碎：金剛石顆粒在切入切出時(shí)承受沖擊載荷，比較突出的顆粒和晶粒過(guò)早消耗掉；脫落：交變的切削力使金剛石顆粒在結(jié)合劑中不斷的被晃動(dòng)而產(chǎn)生松動(dòng)。同時(shí)，鋸切過(guò)程中的結(jié)合劑本身的磨損和鋸切熱使結(jié)合劑軟化。這就使結(jié)合劑的把持力下降，當(dāng)顆粒上的切削力大于把持力時(shí)，金剛石顆粒就會(huì)脫落。無(wú)論哪一種磨損都與金剛石顆粒所承受的載荷和溫度密切相關(guān)。而這兩者都取決于鋸切工藝和冷卻潤(rùn)滑條件。