金剛石鋸片知識*解讀!!!
更新時間：2021-03-26 | 點擊率：4335
金剛石鋸片是一種切割工具,廣泛應(yīng)用于石材,陶瓷等硬脆材料的加工.金剛石鋸片主要由兩部分組成;基體與刀頭.基體是粘結(jié)刀頭的主要支撐部分,而刀頭則是在使用過程中起切割的部分,刀頭會在使用中而不斷地消耗掉,而基體則不會,刀頭之所以能起切割的作用是因為其中含有金剛石,金剛石作為目前最硬的物質(zhì),它在刀頭中摩擦切割被加工對象.而金剛石顆粒則由金屬包裹在刀頭內(nèi)部。
在使用過程中,金屬胎體與金剛石一起消耗,一般較理想的情況是金屬胎體消耗較金剛快,這樣就既能保證刀頭的鋒利度又能確保刀頭有較長的壽命.
金剛石鋸片的分類
越來越多的行業(yè)在生產(chǎn)過程當(dāng)中使用金剛石鋸片，隨著行業(yè)的整合細(xì)分，金剛石鋸片的種類愈見細(xì)化。
一.制造工藝分類：
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：
分高頻焊接和激光焊接兩種，高頻焊接通過高溫熔化介質(zhì)將刀頭與基體焊接在一起，激光焊接通過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電鍍金剛石鋸片：
是將刀頭粉末通過電鍍方法附著在基體上。
二.外觀分類：
1連續(xù)邊緣鋸片：
連續(xù)鋸齒金剛石鋸片，一般通過燒結(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、2兩項的優(yōu)勢，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)切能數(shù)有鋸片線速、鋸切濃度和進(jìn)刀速度。
一、鋸切參數(shù)
1鋸片線速度：
在實際工作中，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。從鋸片使用壽命與鋸切效率來說，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，鋸片線速度可在25m～35m/s范圍內(nèi)選定。對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，使用的金剛石圓鋸片直徑較小，線速度可以達(dá)到35m/s。
2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)。一般來講，當(dāng)金剛石圓鋸片的線速度較高時，應(yīng)選取小的切消深度，從目前技術(shù)來說，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，鋸切深度可控制在1mm～2mm之間，與此同時應(yīng)降低進(jìn)刀速度。當(dāng)金剛石圓鋸片的線速度較大時，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)對加工表面有要求時，則應(yīng)采用小深度切削。
3
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)來選定。一般來講，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，應(yīng)降低進(jìn)刀速度，否則會引起鋸片振動導(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。
二、其他影響因素
1
金剛石粒度：
常用的金剛石粒度在30/35～60/80范圍內(nèi)。巖石愈堅硬，宜選取用較細(xì)的粒度。因為在同等壓力條件下，金剛石愈細(xì)愈鋒利，有利于切入堅硬的巖石。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。
2
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)。“規(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，其濃度為100%，含3.3克拉的金剛石時，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時的濃度為100%。增大金剛石濃度可望延長鋸片的壽命，因為增加濃度即減小了每粒金剛石所受的平均切削力。但增加深度必然增加鋸片的成本，因而存在一個經(jīng)濟(jì)的濃度，且該濃度隨鋮切率增大而增大。
3
刀頭結(jié)合劑的硬度：
一般來說，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，結(jié)合劑硬度宜高；當(dāng)鋸切材質(zhì)軟的巖石時，結(jié)合劑硬度宜低；當(dāng)鋸切研磨性大且硬的巖石時，結(jié)合劑硬度宜適中。
4
力效應(yīng)、溫度效應(yīng)及磨破損：
金剛石圓鋸片在切割石材的過程中，會受到離心力、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捐損。
力效應(yīng)：在鋸切過程中，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。這兩種變形都會造成巖石切面不平直、石材浪費多、鋸切時噪音大、振動加劇，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：溫度對鋸片過程的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：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奕力而導(dǎo)致金剛石顆粒過早脫落。新研究表明：切割過程中產(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，對磨粒溫度卻影響較小。這樣的溫度不致使石墨炭化，卻會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)生根本性彎化。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)過一段時間的使用往往會產(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，同時還承受交變的切削應(yīng)力，就會出現(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承受沖擊載荷，比較突出的顆粒和晶粒過早消耗掉；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而產(chǎn)生松動。同時，鋸切過程中的結(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，金剛石顆粒就會脫落。無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)。而這兩者都取決于鋮切工藝和冷卻潤滑條件。
金剛石鋸片制造方法
隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對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，這決定了對它們進(jìn)行機(jī)加工時刀具的壽命非常短。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*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。本文對近年來金剛石刀具制造方法的發(fā)展作一概述。
1.金剛石鋸片的應(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，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，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，切削時刃部變形小，對所切削的有色金屬擠壓變形小，可使切削過程在小變形下完成，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，材料的硬質(zhì)點使刀具磨損嚴(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)的問世，機(jī)加工向高精度方向發(fā)展，對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。
2.金剛石刀具的制造方法
目前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，碳原子在凝聚、沉積過程中形成金剛石相。目前用于沉積金剛石的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；可以用來切削許多非金屬材料，切削時切削力小、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。
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，在基體的冷卻過程中，金剛石膜自動脫落。此方法沉積速度快(高可達(dá)930μm/h)，晶格之間結(jié)合比較緊密，但是生長表面比較粗糙。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。
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合金所浸潤，可焊性極差。目前主要通過在銅銀合金焊料中添加強(qiáng)碳化物形成元素或通過對金剛石表面進(jìn)行金屬化處理來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程中與C反映生成TiC，可提高金剛石與焊料的潤濕性和粘結(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濕性和結(jié)合強(qiáng)度。目前常用的鍍鈦方法
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。
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的金剛石晶粒或直接利用高溫高壓法制得金剛石晶粒，把晶粒粉末堆放到WC-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，脫落。
3.結(jié)語
目前在金剛石的產(chǎn)業(yè)化中還存在一些關(guān)鍵問題函待解決，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，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)展前途吸引國內(nèi)外無數(shù)的專家進(jìn)行研究，有些已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，相信不久的將來金剛石刀具將廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代加工中。
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