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提高金剛石工具質(zhì)量的有效途徑

2007年07月24日 0:0 11397次瀏覽 來源:   分類: 新技術(shù)

  據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示,中國石材總產(chǎn)量、石材出口量和石材消耗量均達(dá)到世界首位:有石材加工企業(yè)2萬多家,從業(yè)人員近500萬,年產(chǎn)石料600萬立方米,年產(chǎn)板材1.2億平方米,年創(chuàng)產(chǎn)值超過800億元,擁有先進(jìn)生產(chǎn)線500多條,進(jìn)出口總額超過12億美元,成為名符其實的石材生產(chǎn)大國。而金剛石與金剛石工具廠家已超過1000家,1999年年產(chǎn)金剛石已超過7.5億克拉,成為金剛石生產(chǎn)大國。金剛石鋸片已能滿足國內(nèi)需求。有近1/3產(chǎn)品出口,在DIY市場形成一定競爭實力。
  隨著全球經(jīng)濟一體化,中國進(jìn)入WTO,如何使中國成為生產(chǎn)金剛石工具的強國,是值得我們考慮的問題也是我們需要提升的問題。
  如何提高金剛石工具的質(zhì)量?途徑簡要分析如下:
  1.為金剛石工具制造提供高強度金剛石
  金剛石的品級質(zhì)量、粒度和濃度對金剛石工具有決定性的作用。我國在金剛石合成方面,六面頂小噸位高強工藝已趨成熟,六面頂大噸位大腔體工藝不斷完善,兩面頂合成金剛石也初具規(guī)模,粉末觸媒合成、碳素、葉臘石塊原材料生產(chǎn)不斷完善。因此針對我國金剛石工具制造,批量合成性能穩(wěn)定、粗顆粒、熱穩(wěn)定性能好的高強金剛石是完全可能的。國外的金剛石公司,除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外,De Beers針對中國市場推出BKI、BK30、BK60、BK70金剛石,韓國日進(jìn)公司推出六面頂合成的SDS系列金剛石,都值得我國同行借鑒。
  2.強碳化物形成元素 提高金剛石把持力
  提高金剛石鋸片切割效率與壽命的一個關(guān)鍵因素是提高胎體對金剛石的把持力。胎體對金剛石有好的把持力,金剛石就不會過早脫落,并具有最大的凸出高度,切割時鋒利,效率高。
  提高金剛石把持力一般有以下三種方法:

  提高機械把持力。這是由于金屬粉末在燒結(jié)時產(chǎn)生收縮,形成壓縮應(yīng)力把持住金剛石。壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生是由于金剛石與胎體金屬熱膨脹系數(shù)不同,由于燒結(jié)時或晶體形成與長大引起體積變化所致。由于胎體屈服強度有限,故產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力與機械把持力有限。

  粉末中添加少量強碳化物形成元素如Cr、W、Mo等,由于其對金剛石潤濕性與親和力較好,燒結(jié)時在金剛石與胎體金屬界面上形成碳化物,實現(xiàn)對金剛石的次金結(jié)合,有利于把持力的加強與提高。
  金剛石表面鍍覆一層強碳化物形成金屬元素如Cr、Ni、Ti、W等。這是近幾年來采用較多的工藝措施。為此燕山大學(xué)專門研制生產(chǎn)了三種型號的真空微蒸發(fā)鍍鈦設(shè)備。
  根據(jù)國內(nèi)外的實驗研究與使用表明,金剛石鍍覆技術(shù)最為有效的使用條件與范圍是:
  適用于高品級金剛石,效果更為明顯;
  在純鉆胎體中對把持力的提高次序是:鍍Cr>鍍Ti>未鍍覆金剛石。
  MBS-960Cr2鍍鉻金剛石適用于Co基胎體、低鐵低青銅胎體和WC胎體。
  MBS-960Ti2鍍鈦金剛石適用于鉆青銅基胎體,鐵基胎體。
  在切割瀝青、養(yǎng)護(hù)混凝土(Green Concrete)和加強(鋼筋)混凝土鋸片中采用鍍鎢金剛石。
  鍍鎳金剛石適用于樹脂結(jié)合劑砂輪,其使用效果依次為:針刺形鍍鎳金剛石>鍍鎳金剛石>未鍍鎳金剛石。
  鍍銀金剛石適用于磨削碳化鎢硬質(zhì)合金工具用精密樹脂結(jié)合劑砂輪。因為銀的價格不算十分昂貴,適于高精密磨削,其導(dǎo)熱性能好,適用于油冷磨削硬質(zhì)合金。同時銀是一種很好的潤滑劑,可減小砂輪與工件之間的摩擦,發(fā)熱量不大。
  鍍覆強碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金剛石把持力,主要是由于:
  鍍覆金屬可防止金剛石在一定溫度、壓力與燒結(jié)時間條件下的氧化、石墨化以及鐵元素的熱蝕性。筆者對不同金屬鍍覆金剛石進(jìn)行TG(熱重)分析,發(fā)現(xiàn)金剛石在800℃左右即開始失重與石墨化。而鍍Ti、W、TiN等金剛石分別在900℃、925℃與940℃時才開始失重與石墨化。說明金剛石鍍覆金屬后有利于防止氧化與石墨化,能承受熱沖擊與熱分解。對高溫?zé)Y(jié)胎體有明顯的保護(hù)作用。
  鍍覆強碳化物元素在燒結(jié)條件下可在金剛石與胎體界面形成碳化物合金,有利于金剛石與胎體金屬的化學(xué)鍵合與冶金結(jié)合,大大提高胎體對金剛石的把持力,對鍍鎢金剛石進(jìn)行X射線分析,發(fā)現(xiàn)在金剛石表面已形成WC相。
  可提高金剛石的靜壓強度5%~20%。
  金剛石鍍覆金屬后,可提高金剛石的摩擦力,而后者有助于增加把持力。
  3.超細(xì)粉末與預(yù)合金化粉末
  在生產(chǎn)專用鋸片時,宜采用超細(xì)金屬粉末與預(yù)合金化粉末。金屬粉末細(xì)化有利于降低燒結(jié)溫度、提高硬度。采用預(yù)合金化粉末,可防止低熔點金屬過早流失與偏析,有利于燒結(jié)制品的彈性極限和屈服強度,增加對金剛石的把持力,還可降低燒結(jié)溫度與保溫時間。韓國在生產(chǎn)高檔鋸片時,廣泛使用BASF,UM,INCO,F(xiàn)um-tungstene, Kennametal等公司的超細(xì)粉末與預(yù)合金粉末。
  4.刀頭生產(chǎn)推廣制粒工藝
  制粒工藝在我國的硬質(zhì)合金、陶瓷生產(chǎn)中已廣泛地被采用,近年來在金剛石刀頭生產(chǎn)中也獲得了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。粉末制粒的優(yōu)點是,金剛石的偏析減少,分布更為均勻,改善了刀頭的切割性能,增加粉末的流動性,使容積式冷壓工藝應(yīng)用成為可能,普通冷壓工藝性更好,減少了粉塵對工人的危害。其缺點是增加了投資與工藝程序,制粒時要添加粘結(jié)劑,后者對焊接、燒結(jié)和胎體性能可能有不利的影響。
  各種制粒方法的比較:
  噴霧法:優(yōu)點:產(chǎn)量大,形狀均一。缺點:需清洗,不含金剛石,僅一種金屬,設(shè)備大。
  滾動法:優(yōu)點:易于操作,石蠟粘結(jié)性好,球形。缺點:制粒工藝不穩(wěn)定,含金剛石,制粒困難,需過篩。
  擠壓篩分法:優(yōu)點:速度快,粘結(jié)劑用量少,易于操作。缺點:不含金剛石,需篩分,形狀不均一,合格率20%~40%。
  手工篩分法:優(yōu)點:簡單,投資少,可含金剛石,生產(chǎn)量小。缺點:難以選擇粘結(jié)劑,所需勞動繁重,形狀不規(guī)則。
  壓力搓篩與滾動法:優(yōu)點:工藝穩(wěn)定,易于清洗,可自動化,可含金剛石,一次制粒量任選。缺點:難以選擇粘結(jié)劑,需用較多熔劑。
  低速攪拌高速斬切法:優(yōu)點:可自動化,粒度大小可人為控制。缺點:不含金剛石,一次制粒量不能太少,合格率70%~80%。
  德國飛羽公司推出GA180、GA240制粒機,其制粒工藝由于混→加粘結(jié)劑攪拌→刮板搓篩→滾動制粒構(gòu)成。采用此法使刀頭冷壓速度提高3倍,模具壽命提高1倍,冷壓成本降低2/3。
  韓國迪愛克斯公司推出CA-10制粒機,其工藝由加粘結(jié)劑干混→外圓低速攪拌(25~28r/min)→中心高速斬切(2300~2800r/min)構(gòu)成。
  為了制粒,德國研制了GB300、400、500型粘結(jié)劑,韓國使用Olycox,我國南京思尚科貿(mào)中心研制成的WS-120造粒劑為白色團體球狀粉末,密度為1.068g/cm3,熱分解溫度320~350℃,燒結(jié)后殘留灰分<0.01%,已取代進(jìn)口粘結(jié)劑,已在各金剛石工具廠得到廣泛應(yīng)用。
  5.燒結(jié)工藝中推廣真空保護(hù)氣氛熱壓燒結(jié)工藝與設(shè)備
  燒結(jié)是金剛石鋸片生產(chǎn)中一道關(guān)鍵工藝,它的好壞將影響鋸片的刀頭密度、硬度與切割性能,燒結(jié)設(shè)備的技術(shù)性能也影響鋸片生產(chǎn)成本、產(chǎn)品與質(zhì)量。最近我們對金剛石鋸片整體燒結(jié)爐進(jìn)行了調(diào)研,用幾種有代表性的爐型同時采用同一配方粉末進(jìn)行對比燒結(jié)試驗,其結(jié)果表明:
  (1)氫氣保護(hù)、無壓燒結(jié)并式爐與鐘罩爐適于生產(chǎn)低檔小尺寸鋸片,它單次產(chǎn)量大,但鋸片壽命較低;
  (2)CSF500熱壓燒結(jié)爐,爐溫分布均勻,氮氣保護(hù)加壓燒結(jié)鋸片硬度高,密度大。鋸切時鋒利、壽命長,可生產(chǎn)高檔鋸片,并能生產(chǎn)多規(guī)格多品種鋸片;
  (3)RYL系列中頻氣氛保護(hù)熱壓燒結(jié)爐設(shè)計性能優(yōu)越,適于單一規(guī)格鋸片的大批量生產(chǎn),但對于多品種的適應(yīng)性差,爐溫分布有待進(jìn)一步完善;
  (4)SF500、ZBRY-2型燒結(jié)爐經(jīng)過完善后,是一種有發(fā)展前途的燒結(jié)設(shè)備。
  6.金剛石繩鋸生產(chǎn)中采用熱等靜壓與高溫釬焊工藝
  近十年來,金剛石繩鋸在采石與建筑工程中得到了創(chuàng)造性的應(yīng)用,使金剛石繩鋸從采石場到石材加工廠,從大塊切割到修整成形,從板材切割到異形制品的加工以及建筑工程中多種應(yīng)用,在世界范圍的石材切割中占有10%的份額,并且還有不斷增長的趨勢。在發(fā)展進(jìn)程中有幾個主要特點:
  (1)串珠生產(chǎn)方法由電鍍單層與雙層金屬金剛石串珠,到熱壓燒結(jié)及高溫釬焊串珠,使繩鋸應(yīng)用范圍由大理石擴大到花崗巖與混凝土。
  (2)繩鋸直徑由10~12mm減小到6~8mm,提高了加割效率,降低了材料消耗。
  (3)CNC控制的繩鋸機的發(fā)展,使多繩鋸成為可能,從而使繩鋸機進(jìn)入板材廠,可有效切割板材與異形制品,可取代框架鋸與橋式板材鋸機。
  (4)將熱等靜壓工藝用于串珠生產(chǎn),提高串珠的密度、硬度、強度與使用壽命。
  熱等靜壓(HIP)是將燒結(jié)好的制品,置于熱等靜壓機中,以惰性氣體Ar(氬氣)為傳壓介質(zhì),溫度升至1320~1400℃,氣體受熱膨脹產(chǎn)生80~150MPa壓力,將串珠置于玻璃包套中處理一定時間即可。
  熱等靜壓可降低制品中的孔隙度,提高密度、強度、沖擊韌性及使用性能。我國北京鋼鐵研究院、中南工大粉冶所、北京有色金屬研究總院、株洲硬質(zhì)合金廠都有熱等靜壓設(shè)備。
  (5)采用單層高溫釬焊金剛石串珠
  該工藝是我國臺北臺灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的專利新技術(shù),高溫釬焊串珠中金剛石排列規(guī)則,分布合理,化學(xué)鍵合與冶金結(jié)合并存,金剛石把持力強、突出高。其金剛石使用量可節(jié)省一半,鋸切速度為普通鋸片的2~4倍,切割壽命相當(dāng),鋸片成本下降。
  7.積極發(fā)展高檔激光焊接專用鋸片
  激光焊接鋸片由于具有很多優(yōu)點,在美國和歐洲不斷獲得發(fā)展,到目前已有15年的歷史,全世界金剛石工具行業(yè)已有300條激光鋸片生產(chǎn)線,在我國已超過20條。因此發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力,研制高檔激光焊接專用鋸片,占領(lǐng)國際市場是我們的發(fā)展目標(biāo)。
  (1)激光發(fā)生器不斷完善與更新?lián)Q代。國外已由橫流式、快速軸流式發(fā)展到第三代板塊式。功率達(dá)2~2.5kW,我國研制出氣體橫向流動、縱向約束放電激勵、多折激光諧振腔、低吸收光學(xué)元件激光發(fā)生器。它們的特點是:功率大,耗氣量少,運行成本低,維修工作量少,工作可靠,光束質(zhì)量好,光斑小,焊接質(zhì)量提高。
  (2)鋸片基體與刀頭固定方式由手動改為全自動,精度高,工作可靠。美國、意大利、德國、韓國與我國都有不同固定方式,其中有手動夾具、磁力夾具、氣動夾具、滾壓夾具等。
  (3)不用焊料,但必須采用合理過渡層配方,使其性能與工作層及基體相匹配,提高焊接強度、焊透性,減少氣孔與裂紋?!  ?br />   (4)研制合理的工作層配方。一般Fe基、Co基、Ni基胎體易焊接,對含Cu、Sn、W、Wc、Pb過多的胎體難以焊接。
  (5)為適應(yīng)瀝青、養(yǎng)護(hù)混凝土加工的需要,研制斜齒、高低齒、刀形齒、硬質(zhì)合金加強齒。
  (6)重視激光鋸片刀頭燒結(jié)工藝的研究,選擇合理的燒結(jié)溫度、壓力與時間,控制好燒結(jié)氣氛與溫度,是保證激光焊接質(zhì)量的重要因素。
  (7)選擇合理的焊接工藝參數(shù),控制好焊接功率、角度、速度、偏移量、深寬比,保證焊接質(zhì)量與強度。

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