提高金剛石工具質量的有效途徑 |
據調查結果顯(xian)示,中國石(shi)(shi)材(cai)總(zong)產(chan)量、石(shi)(shi)材(cai)出口量和石(shi)(shi)材(cai)消耗量均達到世界首位:有(you)石(shi)(shi)材(cai)加工(gong)企業2萬多(duo)家,從業人員(yuan)近500萬,年(nian)產(chan)石(shi)(shi)料600萬立方(fang)米(mi),年(nian)產(chan)板材(cai)1.2億平方(fang)米(mi),年(nian)創產(chan)值(zhi)超(chao)過(guo)800億元,擁(yong)有(you)先進生產(chan)線500多(duo)條(tiao),進出口總(zong)額(e)超(chao)過(guo)12億美元,成(cheng)為名符其實(shi)的(de)石(shi)(shi)材(cai)生產(chan)大國。而金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)與金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)工(gong)具廠家已超(chao)過(guo)1000家,1999年(nian)年(nian)產(chan)金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)已超(chao)過(guo)7.5億克拉(la),成(cheng)為金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)生產(chan)大國。金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)鋸片已能滿足國內需求。有(you)近1/3產(chan)品出口,在DIY市場形成(cheng)一定競(jing)爭實(shi)力(li)。
隨著(zhu)全球經濟一體化,中國進(jin)入WTO,如(ru)何使中國成為生產金剛石工(gong)具的(de)(de)強國,是(shi)值得我們考慮的(de)(de)問題(ti)也是(shi)我們需要提升(sheng)的(de)(de)問題(ti)。
如何提高金剛石工具的質(zhi)量?途徑簡要分析(xi)如下:
1.為金剛(gang)石工具制(zhi)造提供高強(qiang)度金剛(gang)石
金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)的(de)品級(ji)質(zhi)量(liang)、粒度和(he)濃度對金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)工(gong)具(ju)有決定(ding)(ding)性(xing)的(de)作用。我(wo)國(guo)在金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)合(he)(he)成(cheng)方面(mian)(mian),六(liu)面(mian)(mian)頂(ding)(ding)小噸位高強工(gong)藝已趨成(cheng)熟,六(liu)面(mian)(mian)頂(ding)(ding)大噸位大腔(qiang)體工(gong)藝不斷(duan)完善(shan),兩面(mian)(mian)頂(ding)(ding)合(he)(he)成(cheng)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)也初(chu)具(ju)規模(mo),粉(fen)末觸媒合(he)(he)成(cheng)、碳素(su)、葉臘石(shi)(shi)塊(kuai)原材料生(sheng)產(chan)不斷(duan)完善(shan)。因此(ci)針(zhen)對我(wo)國(guo)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)工(gong)具(ju)制造,批量(liang)合(he)(he)成(cheng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)穩定(ding)(ding)、粗顆粒、熱穩定(ding)(ding)性(xing)能(neng)(neng)(neng)好的(de)高強金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)是(shi)完全可能(neng)(neng)(neng)的(de)。國(guo)外的(de)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)公(gong)司,除推出(chu)SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系(xi)列外,De Beers針(zhen)對中國(guo)市場推出(chu)BKI、BK30、BK60、BK70金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi),韓國(guo)日(ri)進公(gong)司推出(chu)六(liu)面(mian)(mian)頂(ding)(ding)合(he)(he)成(cheng)的(de)SDS系(xi)列金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi),都值(zhi)得我(wo)國(guo)*借鑒。
2.強碳化物形成元素 提(ti)高金剛石把持力
提(ti)高(gao)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)鋸片(pian)切割(ge)效率與壽命的一個關鍵(jian)因素是提(ti)高(gao)胎體對(dui)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)的把(ba)持力。胎體對(dui)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)有好(hao)的把(ba)持力,金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)就(jiu)不會(hui)過早(zao)脫落(luo),并(bing)具有*大的凸出(chu)高(gao)度,切割(ge)時鋒利,效率高(gao)。
提高金剛石把持(chi)力一般有以(yi)下三種方法:
提高機械把持力。這是由于預合金粉末末在燒(shao)結時產(chan)(chan)生收縮,形成壓縮應力(li)(li)(li)把(ba)持(chi)住金剛石(shi)。壓縮應力(li)(li)(li)的產(chan)(chan)生是由于(yu)(yu)金剛石(shi)與胎體金屬熱膨(peng)脹系數不同,由于(yu)(yu)燒(shao)結時或晶體形成與長大引起體積(ji)變化所(suo)致。由于(yu)(yu)胎體屈服強度(du)有(you)限(xian),故產(chan)(chan)生的壓縮應力(li)(li)(li)與機械把(ba)持(chi)力(li)(li)(li)有(you)限(xian)。
粉(fen)末(mo)中(zhong)添加少(shao)量(liang)強碳(tan)化物形(xing)成元素(su)如Cr、W、Mo等,由于其對金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)潤濕性(xing)與(yu)(yu)親(qin)和力(li)較好(hao),燒結時在金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)與(yu)(yu)胎體金(jin)(jin)屬界(jie)面上形(xing)成碳(tan)化物,實現對金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的次金(jin)(jin)結合(he),有利于把持力(li)的加強與(yu)(yu)提(ti)高。
金(jin)剛石表面鍍覆一層強碳化物(wu)形成金(jin)屬元素如Cr、Ni、Ti、W等。這是近幾年來(lai)采用較多的工藝措(cuo)施(shi)。為此燕山(shan)大學(xue)專門研制(zhi)生產了三種型號的真空微蒸發鍍鈦設備。
根據(ju)國內外(wai)的實(shi)驗研究與(yu)使(shi)用(yong)表明,金剛石鍍覆技(ji)術(shu)*為有(you)效(xiao)的使(shi)用(yong)條件與(yu)范圍是:
適用于(yu)高(gao)品級(ji)金(jin)剛石(shi),效果更為明(ming)顯;
在純鉆胎體中對把(ba)持力的(de)提高次序是:鍍Cr>鍍Ti>未鍍覆金剛石。
MBS-960Cr2鍍鉻金(jin)剛石(shi)適用于Co基胎(tai)體(ti)(ti)、低鐵低青銅(tong)胎(tai)體(ti)(ti)和WC胎(tai)體(ti)(ti)。
MBS-960Ti2鍍鈦金剛石適用于鉆青(qing)銅基胎(tai)體,鐵基胎(tai)體
在切割瀝青、養護混凝土(Green Concrete)和加(jia)強(鋼筋(jin))混凝土鋸片中采用鍍鎢金剛石。
鍍(du)鎳金(jin)(jin)剛(gang)石適用于樹脂(zhi)結合(he)劑(ji)砂輪,其使用效果依次為:針刺形鍍(du)鎳金(jin)(jin)剛(gang)石>鍍(du)鎳金(jin)(jin)剛(gang)石>未鍍(du)鎳金(jin)(jin)剛(gang)石。
鍍銀金(jin)剛石適用于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)碳化鎢硬質合金(jin)工具用精密(mi)(mi)樹(shu)脂結合劑(ji)砂(sha)輪。因為銀的(de)價(jia)格不算十分昂貴,適于(yu)高(gao)精密(mi)(mi)磨(mo)(mo)削(xue),其導(dao)熱(re)性能好,適用于(yu)油冷磨(mo)(mo)削(xue)硬質合金(jin)。同時銀是(shi)一種很好的(de)潤滑劑(ji),可(ke)減小砂(sha)輪與(yu)工件之間的(de)摩擦(ca),發熱(re)量不大。
鍍(du)覆(fu)(fu)強碳化(hua)(hua)(hua)物形(xing)成元素Ti、Ni、W、Cr等(deng)提高金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)把持力(li),主要是由于(yu):鍍(du)覆(fu)(fu)金(jin)屬可(ke)防止金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)在一(yi)定溫(wen)度(du)、壓力(li)與(yu)燒(shao)結時間條(tiao)件下的(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)、石(shi)(shi)墨(mo)(mo)化(hua)(hua)(hua)以及鐵元素的(de)熱蝕(shi)性。筆(bi)者(zhe)對不同金(jin)屬鍍(du)覆(fu)(fu)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)進行TG(熱重)分(fen)析(xi),發現(xian)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)在800℃左右即開始失(shi)重與(yu)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)化(hua)(hua)(hua)。而鍍(du)Ti、W、TiN等(deng)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)分(fen)別在900℃、925℃與(yu)940℃時才開始失(shi)重與(yu)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)化(hua)(hua)(hua)。說明(ming)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)鍍(du)覆(fu)(fu)金(jin)屬后有(you)利于(yu)防止氧(yang)化(hua)(hua)(hua)與(yu)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)化(hua)(hua)(hua),能(neng)承受熱沖擊與(yu)熱分(fen)解。對高溫(wen)燒(shao)結胎體有(you)明(ming)顯的(de)保(bao)護作用。
鍍(du)(du)覆(fu)強(qiang)碳(tan)化物元素在(zai)燒結條件下可在(zai)金(jin)(jin)剛(gang)石與胎體(ti)界(jie)面形成碳(tan)化物合金(jin)(jin),有(you)利于金(jin)(jin)剛(gang)石與胎體(ti)金(jin)(jin)屬的化學(xue)鍵合與冶(ye)金(jin)(jin)結合,大大提(ti)高(gao)胎體(ti)對(dui)金(jin)(jin)剛(gang)石的把持力(li),對(dui)鍍(du)(du)鎢金(jin)(jin)剛(gang)石進(jin)行X射線分(fen)析,發現(xian)在(zai)金(jin)(jin)剛(gang)石表面已形成WC相。
可提高金剛石的靜壓(ya)強(qiang)度5%~20%。
金(jin)剛(gang)石鍍覆金(jin)屬后,可(ke)提(ti)高金(jin)剛(gang)石的摩擦(ca)力(li),而后者有助于增加把持力(li)。
3.超細粉末與預合金化粉末
在生產專用鋸片時,宜采用超細預合金粉末末與預合金化粉末。預合金粉末末細化有利于降低燒結溫度、提高硬度。采用預合金化粉末,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,還可降低燒結溫度與保溫時間。韓國在生產*鋸片時,廣泛使用BASF,UM,INCO,Fum-tungstene, Kennametal等公司的超細粉末與預合金粉末。
4.刀頭生產推廣制粒工藝
制(zhi)粒(li)工(gong)藝在我國的(de)(de)(de)硬質合金(jin)、陶(tao)瓷生產中已廣(guang)泛地(di)被采用(yong),近(jin)年(nian)來在金(jin)剛(gang)石刀(dao)頭生產中也獲得了廣(guang)泛應(ying)用(yong)與(yu)(yu)發展。粉末制(zhi)粒(li)的(de)(de)(de)優點(dian)是(shi)(shi),金(jin)剛(gang)石的(de)(de)(de)偏析減少,分布(bu)更為均勻(yun),改(gai)善(shan)了刀(dao)頭的(de)(de)(de)切(qie)割性能(neng),增加粉末的(de)(de)(de)流動性,使容積式(shi)冷(leng)壓(ya)工(gong)藝應(ying)用(yong)成為可(ke)能(neng),普通冷(leng)壓(ya)工(gong)藝性更好,減少了粉塵對工(gong)人的(de)(de)(de)危(wei)害。其缺點(dian)是(shi)(shi)增加了投資與(yu)(yu)工(gong)藝程序,制(zhi)粒(li)時要添(tian)加粘結劑,后者對焊接、燒(shao)結和胎體(ti)性能(neng)可(ke)能(neng)有不(bu)利(li)的(de)(de)(de)影響(xiang)。
各種制粒方法的比較:
噴霧法:優點(dian):產量大,形狀均一。缺點(dian):需清洗,不含金剛(gang)石,僅一種(zhong)金屬,設備大。
滾(gun)動法:優點(dian):易于操作,石蠟粘結性好,球形(xing)。缺點(dian):制粒(li)工藝不穩定,含金剛石,制粒(li)困難,需(xu)過篩。
擠壓篩(shai)(shai)分法:優(you)點(dian):速(su)度快,粘結劑(ji)用量少,易(yi)于操(cao)作。缺點(dian):不含金剛(gang)石(shi),需篩(shai)(shai)分,形狀不均(jun)一,合格率20%~40%。
手(shou)工篩分法:優點(dian):簡(jian)單,投資(zi)少,可含金剛石,生產(chan)量小。缺點(dian):難(nan)以選擇粘(zhan)結劑,所需勞動(dong)繁重(zhong),形狀不規則。
壓力搓篩與滾動法:優點:工藝(yi)穩定,易于清洗,可(ke)自動化,可(ke)含(han)金剛石,一次制(zhi)粒(li)量任選。缺點:難以選擇(ze)粘(zhan)結劑,需用較多熔劑。
低速(su)攪(jiao)拌高(gao)速(su)斬(zhan)切法:優點:可(ke)自動化(hua),粒(li)度大小可(ke)人為控制。缺點:不含(han)金剛(gang)石(shi),一次制粒(li)量不能太(tai)少,合(he)格(ge)率70%~80%。
德國(guo)飛羽公司(si)推出GA180、GA240制(zhi)粒(li)(li)機,其制(zhi)粒(li)(li)工藝由于混→加粘結劑攪拌→刮板搓(cuo)篩→滾動制(zhi)粒(li)(li)構(gou)成。采用(yong)此法使刀頭(tou)冷壓(ya)速度(du)提高3倍,模具壽(shou)命提高1倍,冷壓(ya)成本降(jiang)低2/3。
韓國迪(di)愛克斯公司推出CA-10制粒機,其工(gong)藝由加粘結劑干混→外圓低速攪拌(ban)(25~28r/min)→中心高速斬切(2300~2800r/min)構成。
為了(le)制粒(li),德國(guo)研(yan)制了(le)GB300、400、500型粘(zhan)結劑(ji),韓國(guo)使用(yong)Olycox,我國(guo)南京思尚科貿中心(xin)研(yan)制成的WS-120造粒(li)劑(ji)為白(bai)色團體球狀(zhuang)粉末,密(mi)度(du)(du)為1.068g/cm3,熱分解(jie)溫(wen)度(du)(du)320~350℃,燒結后(hou)殘留灰分<0.01%,已取代(dai)進口粘(zhan)結劑(ji),已在各金剛石工具廠得到廣泛應用(yong)。
5.燒(shao)(shao)結工藝中推廣真空保護氣氛熱壓燒(shao)(shao)結工藝與設備
燒(shao)結(jie)是金剛石(shi)鋸片生產(chan)中一(yi)道關鍵工藝,它的(de)(de)好壞將影響鋸片的(de)(de)刀(dao)頭密度、硬度與切割性能,燒(shao)結(jie)設備的(de)(de)技術(shu)性能也影響鋸片生產(chan)成本、產(chan)品與質量。*近我們對金剛石(shi)鋸片整體(ti)燒(shao)結(jie)爐進行(xing)了調(diao)研,用幾種有代表性的(de)(de)爐型同時采用同一(yi)配方(fang)粉末進行(xing)對比燒(shao)結(jie)試驗,其結(jie)果表明:
(1)氫氣保護、無壓燒結(jie)并式(shi)爐與鐘(zhong)罩(zhao)爐適于生(sheng)產低(di)檔(dang)小(xiao)尺寸鋸片(pian),它單次(ci)產量大(da),但鋸片(pian)壽命較低(di);
(2)CSF500熱壓燒結爐,爐溫分布均勻,氮(dan)氣保(bao)護(hu)加壓燒結鋸(ju)片硬(ying)度高,密度大。鋸(ju)切時鋒利、壽命長(chang),可生產*鋸(ju)片,并能生產多(duo)規格多(duo)品(pin)種鋸(ju)片;
(3)RYL系列(lie)中(zhong)頻氣氛保護熱壓燒結爐設計性(xing)能優越,適于單一(yi)規格鋸片的大批量(liang)生(sheng)產,但對于多品種的適應性(xing)差,爐溫分(fen)布有待(dai)進一(yi)步完善;
(4)SF500、ZBRY-2型燒(shao)結爐經(jing)過完(wan)善(shan)后,是一(yi)種有發展(zhan)前途(tu)的燒(shao)結設備(bei)。
6.金剛(gang)石繩鋸生產中采(cai)用熱等靜壓與高(gao)溫(wen)釬焊工藝
近十年(nian)來,金剛石(shi)繩(sheng)鋸(ju)在(zai)采石(shi)與(yu)建筑(zhu)工(gong)程中得到(dao)了創(chuang)造性的(de)應(ying)用(yong),使金剛石(shi)繩(sheng)鋸(ju)從采石(shi)場到(dao)石(shi)材(cai)加(jia)工(gong)廠,從大塊切(qie)割到(dao)修整成形(xing),從板(ban)材(cai)切(qie)割到(dao)異形(xing)制品的(de)加(jia)工(gong)以及建筑(zhu)工(gong)程中多種應(ying)用(yong),在(zai)世(shi)界范圍的(de)石(shi)材(cai)切(qie)割中占(zhan)有10%的(de)份額,并且還(huan)有不斷增(zeng)長的(de)趨勢。在(zai)發(fa)展進程中有幾(ji)個主要特點:
(1)串(chuan)(chuan)珠(zhu)生產方(fang)法由(you)電鍍單層與雙層金屬金剛石串(chuan)(chuan)珠(zhu),到(dao)熱壓燒(shao)結(jie)及高溫釬焊串(chuan)(chuan)珠(zhu),使繩鋸應(ying)用(yong)范(fan)圍由(you)大理石擴大到(dao)花崗巖與混(hun)凝土。
(2)繩鋸直徑由10~12mm減小到6~8mm,提高(gao)了加割效率(lv),降低了材料(liao)消耗。
(3)CNC控制(zhi)的繩鋸機(ji)的發展,使多繩鋸成為可(ke)能,從而(er)使繩鋸機(ji)進入(ru)板(ban)材廠,可(ke)有效(xiao)切割(ge)板(ban)材與(yu)異形制(zhi)品,可(ke)取代框(kuang)架鋸與(yu)橋式(shi)板(ban)材鋸機(ji)。
(4)將熱等靜壓工藝(yi)用于串珠生(sheng)產,提高(gao)串珠的密度、硬度、強(qiang)度與(yu)使(shi)用壽(shou)命(ming)。
熱等靜壓(HIP)是將(jiang)燒(shao)結好的制品,置于熱等靜壓機中(zhong),以(yi)惰性氣(qi)體(ti)Ar(氬氣(qi))為(wei)傳壓介質,溫(wen)度升(sheng)至1320~1400℃,氣(qi)體(ti)受熱膨脹產生80~150MPa壓力,將(jiang)串珠置于玻璃包(bao)套中(zhong)處理一定時間即可。
熱等靜壓可降(jiang)低(di)制(zhi)品中(zhong)的孔隙度(du)(du),提(ti)高密度(du)(du)、強度(du)(du)、沖擊韌性(xing)(xing)及使用性(xing)(xing)能。我國北(bei)京(jing)鋼(gang)鐵研(yan)究(jiu)(jiu)院、中(zhong)南工大粉冶所、北(bei)京(jing)有色金屬研(yan)究(jiu)(jiu)總(zong)院、株洲(zhou)硬質合金廠都有熱等靜壓設備(bei)。
(5)采用單層(ceng)高溫釬焊(han)金(jin)剛石串(chuan)珠
該工藝是我國(guo)臺北臺灣砂輪制造公司(KNIK Inc.)推出的(de)新技術(shu),高溫釬焊串珠中金(jin)剛(gang)石(shi)排列(lie)規(gui)則(ze),分布合(he)(he)理(li),化學鍵合(he)(he)與冶金(jin)結合(he)(he)并存,金(jin)剛(gang)石(shi)把持力強(qiang)、突出高。其金(jin)剛(gang)石(shi)使用量可節省(sheng)一半,鋸切(qie)速度為普通鋸片的(de)2~4倍,切(qie)割壽命相當(dang),鋸片成本下降。
7.積極發展*激光(guang)焊接(jie)專(zhuan)用鋸片
激(ji)光焊接(jie)鋸片由于具(ju)有(you)很(hen)多(duo)優(you)點(dian),在美(mei)國(guo)和歐洲不斷獲(huo)得發展,到(dao)目(mu)前已(yi)有(you)15年的(de)(de)歷(li)史(shi),全世界金剛石工具(ju)行業已(yi)有(you)300條激(ji)光鋸片生(sheng)產線,在我國(guo)已(yi)超過20條。因此(ci)發揮現(xian)有(you)設備的(de)(de)生(sheng)產能力(li),研制*激(ji)光焊接(jie)專(zhuan)用(yong)鋸片,占領國(guo)際(ji)市場(chang)是我們的(de)(de)發展目(mu)標。
(1)激光(guang)發生器(qi)不斷完(wan)善與更新換(huan)代。國(guo)外已由橫(heng)流(liu)式、快速(su)軸(zhou)流(liu)式發展到第三代板(ban)塊式。功(gong)(gong)率達(da)2~2.5kW,我國(guo)研制出氣體橫(heng)向流(liu)動、縱向約束放電激勵、多(duo)折激光(guang)諧振腔(qiang)、低吸收光(guang)學元件激光(guang)發生器(qi)。它們的(de)特點是:功(gong)(gong)率大,耗氣量(liang)少(shao),運行(xing)成(cheng)本低,維(wei)修工作(zuo)量(liang)少(shao),工作(zuo)可靠,光(guang)束質量(liang)好,光(guang)斑小(xiao),焊接質量(liang)提高。
(2)鋸片基體與刀頭固定方式(shi)由手動改為全自動,精度(du)高,工(gong)作可靠。美國(guo)、意大利、德國(guo)、韓國(guo)與我(wo)國(guo)都有不(bu)同固定方式(shi),其(qi)中有手動夾(jia)具、磁力夾(jia)具、氣動夾(jia)具、滾壓(ya)夾(jia)具等。
(3)不(bu)用焊料,但(dan)必須采用合理過渡層配(pei)方,使其(qi)性(xing)(xing)能與工(gong)作(zuo)層及基體相匹配(pei),提高焊接強度、焊透性(xing)(xing),減少氣孔與裂(lie)紋。
(4)研制合(he)理的(de)工作層配方(fang)。一般Fe基(ji)、Co基(ji)、Ni基(ji)胎體易焊接,對含Cu、Sn、W、Wc、Pb過多的(de)胎體難以焊接
(5)為適應瀝青、養護(hu)混(hun)凝(ning)土加工的需要,研制(zhi)斜齒(chi)、高低齒(chi)、刀形齒(chi)、硬質合金(jin)加強齒(chi)。
(6)重(zhong)(zhong)視激光鋸片(pian)刀頭燒(shao)(shao)結(jie)工藝的研究,選(xuan)擇合理的燒(shao)(shao)結(jie)溫度(du)、壓力與時間,控制好燒(shao)(shao)結(jie)氣氛與溫度(du),是保證激光焊接質(zhi)量的重(zhong)(zhong)要因素。
(7)選擇合(he)理(li)的焊接工藝參數,控制(zhi)好焊接功(gong)率、角度、速度、偏移量、深寬比,保(bao)證焊接質(zhi)量與強度。