王明智

（燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)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(jī)械包鑲，故易于脫落，且金剛石無序排列，凸出低、容屑空間??；在孕鑲燒結(jié)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(xiàn)冶金結(jié)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(yōu)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(diǎn)

釬焊金剛石工具采用金剛石表面金屬化技術(shù)，以活性釬料或鎳基釬料焊接金剛石，通過強(qiáng)碳化物形成元素或合金，使金剛石與工具胎體實現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)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(chuàng)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(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)金剛石在工具表面合理規(guī)則均布，充分利用了金剛石的切割作用，既能節(jié)省金剛石用量，降低工具成本，又提高了切割效率?？梢哉f，這一技術(shù)正好適應(yīng)了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大力節(jié)約資源，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)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F(xiàn)ig.12 The brazing diamond saw blade

用金剛石釬焊工藝取代電鍍工藝生產(chǎn)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(qiáng)度提高40%，金剛石把持力提高22%左右，金剛石凸出高達(dá)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(xiàn)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(xué)結(jié)合，良好的把持力；

⑤有較低的熔點(diǎn)，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(yīng)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(qiáng)度和工具壽命。因此尋求低熔點(diǎn)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(shè)備

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

①高頻感應(yīng)焊必須在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行焊接；

②設(shè)計相應(yīng)工裝，便于固定工件以及工件的旋轉(zhuǎn)，移動與準(zhǔn)確定位；

③精確的溫度測控系統(tǒng)；

④真空爐應(yīng)保證有足夠的真空度和穩(wěn)定、均勻的溫度場；

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

⑥有觀察口，便于觀察爐內(nèi)工具釬焊過程；

⑦為提高生產(chǎn)效率，升溫、保溫與冷卻階段能分段連續(xù)進(jìn)行，便于縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)量；

⑧良好的工藝控制系統(tǒng)。

（4）發(fā)展多層磨料金剛石釬焊工具

目前，大多數(shù)釬焊金剛石工具為單層釬焊產(chǎn)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(jìn)一步提高金剛石工具壽命，必須發(fā)展多層金剛石釬焊工具。圖13為多層金剛石釬焊刀頭結(jié)構(gòu)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(fù)合的試驗方法，試圖尋找一種新的金屬結(jié)合劑金剛石磨具的制造方法。

（2）研究依據(jù)

圖13 多層金剛石釬焊刀頭設(shè)計Fig.13 Design of multilayer brazed diamond segment

在本項目研究中，依據(jù)熱軋復(fù)合的基本原理，根據(jù)金剛石磨料的性能，制品的使用狀態(tài)，在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：

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(jié)過程中造成氧化；

②加入一定量的輔助結(jié)合劑，在軋制和燒結(jié)過程中可形成冶金結(jié)合，并且可按復(fù)合材料進(jìn)行選配組元；

③在軋制復(fù)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(dāng)于普通軋制復(fù)合體的雜質(zhì)。

（3）研究方法

①試驗流程

軋制復(fù)合法在金屬固態(tài)連接方面的應(yīng)用已很普遍，技術(shù)成熟。能否應(yīng)用到金剛石金屬結(jié)合劑胎體制造方面，關(guān)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(shù)將不能應(yīng)用到該領(lǐng)域。因此，首先要進(jìn)行軋制復(fù)合試驗；另一關(guān)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(jīng)過軋制能否使組成復(fù)合體的上下基板結(jié)合或經(jīng)過燒結(jié)結(jié)合，只有良好結(jié)合才能達(dá)到使用的目的。為此，本項目的試驗將按圖14的流程進(jìn)行。

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

②復(fù)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(shè)想能否成立的關(guān)鍵，因此首先考察金剛石在復(fù)合體中的形態(tài)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(jié)合劑選擇FQSn663則是考慮其燒結(jié)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(jìn)行處理。首先檢驗金剛石質(zhì)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(fù)合體備用。如圖15～圖16所示。

圖15 組裝復(fù)合體示意圖Fig.15 Schematic diagram of assembling complex

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

采用自制小型軋機(jī)，將復(fù)合體置于上下軋輥的輥隙處，調(diào)整輥隙至2mm，開動軋機(jī)，將復(fù)合體咬入，進(jìn)行初軋；繼續(xù)調(diào)整輥隙至1.2mm，再次軋制。如此調(diào)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(xù)軋制至0.12mm。最終厚度的設(shè)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(fù)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(jìn)行初步觀察及復(fù)合性能試驗。觀察選擇體示顯微鏡進(jìn)行，復(fù)合強(qiáng)度試驗采用彎折90°，觀察復(fù)合層是否開裂。

④試驗結(jié)果及分析

圖18為軋制前后復(fù)合體長度變化（非終軋）。從圖中可見，復(fù)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(fù)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(jié)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(shè)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(jié)合劑線，說明結(jié)合良好。

圖19 金剛石在復(fù)合體內(nèi)分布情況樣品表面經(jīng)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(fù)合體內(nèi)分布及運(yùn)動狀態(tài)，將復(fù)合體不加入輔助結(jié)合劑進(jìn)行軋制，且未燒結(jié)，獲得樣品撕開后結(jié)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(xiàn)象分析，在軋制過程中，固態(tài)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(cè)繞過，形成具有流線特征的表面。這個過程形成的隆起預(yù)計將會在其應(yīng)用時發(fā)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(jié)合劑未燒結(jié)軋制后樣品Fig.20 The rolled sample without aided bond and sintering

經(jīng)過燒結(jié)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(fù)合強(qiáng)度完全滿足要求（見圖21）。圖22顯示的是經(jīng)過初軋－燒結(jié)－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(jié)合劑及Cu基板材料，對其復(fù)合強(qiáng)度及其有利。

圖21 經(jīng)過初軋－燒結(jié)－終軋后經(jīng)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(jīng)過初軋－燒結(jié)－終軋的樣品撕開表面Fig.22 Appearance of rived sample after bloom rolling－sintering－finished rolling

⑤后續(xù)研究

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

4 幾種新型金剛石圓鋸片基體的發(fā)展

隨著國家對環(huán)保的日益重視，礦山荒料資源緊缺，電力資源的供應(yīng)偏緊，石材企業(yè)的制造成本上升，競爭加劇，一些節(jié)能型、資源型、環(huán)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(xiàn)了一些新的特點(diǎn)：

4.1 薄片、超薄片鋸片基體

主要以基體的厚度來區(qū)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(shè)想的軋制刀頭生產(chǎn)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(fā)

目前，國內(nèi)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(chǎn)效率低、作業(yè)不安全，而且成材率很低。使用直徑Φ2600mm以上的超大型鋸片進(jìn)行礦山開采，礦山資源利用率可達(dá)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(zhì)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(yè)的發(fā)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(guī)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(guī)片基體突出表現(xiàn)了以下幾個有點(diǎn)：

（1）易于進(jìn)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(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，電流同比下降5A；

（4）降低了運(yùn)行噪音；

（5）由于基體重量的減輕，使小組合鋸機(jī)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(shù)，焊接變形?。?/p>

（7）使用間歇，張力恢復(fù)性能良好。

從大量的使用數(shù)據(jù)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(chǎn)率。目前，掏空型鋸片基體不僅廣泛應(yīng)用于石材加工領(lǐng)域，而且在石材開采領(lǐng)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(jié)束語

從金剛石鋸片制造技術(shù)的發(fā)展來看，還有很多的新亮點(diǎn)。如在促進(jìn)金屬結(jié)合劑燒結(jié)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(jié)性得到很大改善；還有在結(jié)合劑中添加可溶性物質(zhì)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(jié)塊長度和降低刀頭厚度（在鋸片基體允許的條件下）、分層側(cè)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(jié)約了電能。

總而言之，在我國行業(yè)技術(shù)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(rèn)為，在同等材料及設(shè)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(chǎn)品還是比較粗糙，特別是專業(yè)分工方面還不是很細(xì)致，這也是我們今后的任務(wù)和發(fā)展的目標(biāo)。