金剛石工具基礎(chǔ)知識(shí)

1、金剛石工具基礎(chǔ)金剛石工具基礎(chǔ)金剛石工具定義： 金剛石工具是指以人造金剛石為切磨材料，借助于結(jié)合劑或其它輔助材料制成的具有一定形狀，用于加工石材、陶瓷、玻璃、混凝土等非金屬硬脆材料的系列工具。1.1.金剛石金剛石 金剛石俗稱金剛石俗稱“金剛鉆金剛鉆”。也就是我們常說(shuō)的。也就是我們常說(shuō)的鉆石鉆石，它，它是一種由純是一種由純碳碳組成的組成的礦物礦物。金剛石是。金剛石是自然界自然界中最堅(jiān)硬的物中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，因此也就具有了許多重要的工業(yè)用途，如精細(xì)研磨材質(zhì)，因此也就具有了許多重要的工業(yè)用途，如精細(xì)研磨材料、高硬切割工具、各類料、高硬切割工具、各類鉆頭鉆頭、拉絲模拉絲模。金剛石還被作為。金剛石還被作為很

2、多精密儀器的部件。很多精密儀器的部件。1.11.1金剛石的成份金剛石的成份 ： 早在公元1世紀(jì)的文獻(xiàn)中就有了關(guān)于金剛石的記載，然而，在其后的1600多年中，人們始終不知道金剛石的成分是什么。 直到18世紀(jì)的70至90年代，才有法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫(17431794)等人進(jìn)行的在氧氣中燃燒金剛石的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)得到的是二氧化碳?xì)怏w 。證明了組成金剛石的材料是碳。 1.21.2金剛石和石墨的區(qū)別金剛石和石墨的區(qū)別 石墨和金剛石都屬于碳單質(zhì)，但金剛石和石墨不是同種物質(zhì)，它們是由相同元素構(gòu)成的同素異型體. 所不同的是物理結(jié)構(gòu)特征。二者的化學(xué)式都是c ，石墨原子間構(gòu)成正六邊形是平面結(jié)構(gòu)，呈片狀。金剛石原子間

3、是立體的正四面體結(jié)構(gòu)，呈金字塔形結(jié)構(gòu)。正是這種致密的結(jié)構(gòu)，使得金剛石具有最大的硬度。換句話說(shuō)，金剛石是碳原子被擠壓而形成的一種礦物。1.3金剛石的硬度 金剛石的硬度一般用莫氏硬度來(lái)表示，其硬度值為10 。顯微硬度10000kg/mm2，顯微硬度比石英高1000倍，比剛玉高150倍。 依照莫氏硬度標(biāo)準(zhǔn)(Mohs hardness scale)共分10級(jí)，鉆石(金剛石)為最高級(jí)第10級(jí)；如小刀其硬度約為5.5、銅幣約為3.5至4、指甲約為2至3、玻璃硬度為6。 1.4工業(yè)金剛石 金剛石由其生成方式分為天然金剛石和人工合成金剛石，用于金剛石工具制作的一般是人工合成金剛石。也稱作工業(yè)金剛石。 其密度為

4、3.52g/cm3， 其質(zhì)量單位一般情況用“克拉”表示，1克拉0.2克。 人造金剛石的粒度（顆粒大?。┮话阌谩澳俊北硎?。人造金剛石常見(jiàn)粒度為25/30、30/40、40/45、45/50、50/60、60/70 2、粉料 金剛石工具的原材料，除金剛石之外，其它主要為粉末，這些粉末可以是金屬、非金屬，也可以是合金、化合物。金剛石工具采用的粉末，不僅僅對(duì)化學(xué)成分有一定的要求，而且對(duì)粉末顆粒的大小、形狀、松裝比重、壓制性、燒結(jié)性等也有不同的要求,這取決于金剛石工具的用途、品種、生產(chǎn)工藝等因素。 常見(jiàn)的金屬粉料及特點(diǎn) （a） 銅粉：電解法制取，顆粒形態(tài)為樹(shù)枝狀，玫瑰紅色，氧化后顏色發(fā)暗，嚴(yán)重時(shí)變成黑

5、色粉末。 作為結(jié)合劑材料，銅粉的主要優(yōu)點(diǎn)有：電解銅粉成型性好，廣泛用于冷壓成型后燒結(jié)；純銅對(duì)碳化物和骨架材料的相容性很好，如W、WC；銅可與Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成性能優(yōu)異的合金，價(jià)格遠(yuǎn)低于鈷粉。 （b）鐵粉：有還原鐵粉、電解鐵粉和羰基鐵粉，顧名思義還原鐵粉用還原法制取 ，電解鐵粉電解法制取，羰基鐵粉通過(guò)熱離解羰基化合物制取。作為結(jié)合劑材料，鐵粉的優(yōu)點(diǎn)有：價(jià)格低，與金剛石有好的潤(rùn)濕性；與骨架材料（WC）的相容性很好；一定溫度燒結(jié)時(shí)鐵對(duì)金剛石的輕度刻蝕并不損失金剛石的強(qiáng)度，反而會(huì)提高金剛石在胎體中的把持力。刻蝕作用實(shí)質(zhì)是金剛石中的碳原子溶入鐵中并向其中擴(kuò)散的過(guò)程，金剛石未發(fā)生結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度

6、變化。 （c） 鈷粉：不規(guī)則海綿狀，還原法制取，作為粘結(jié)劑，其綜合性能最好。是一種優(yōu)異的粘結(jié)劑材料，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家用的較多，其主要優(yōu)點(diǎn)有：優(yōu)良的成型性和可燒結(jié)性；可使胎體的抗彎強(qiáng)度提高；和金剛石的粘結(jié)力大，潤(rùn)濕性好；胎體的韌性好、自銳性好。由于價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)以鐵代鈷的研究很多，選擇合適的粉末、合理的燒結(jié)工藝可獲得鈷基粘結(jié)劑相似的性能。 鈷的缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴；松裝密度太小，易造成投料困難。另外使壓制磨具設(shè)計(jì)寬度和高度變大，手裝料熱壓模具高度加大，從而使模具成本提高。 （d） 鎳粉：不規(guī)則樹(shù)枝狀，電解法制取。優(yōu)點(diǎn)：適于制作重載荷下作用的工具，具有出色的強(qiáng)韌性；可以減少鐵銅基胎體的燒結(jié)損失（銅鎳無(wú)限互

7、溶）；鎳與鐵、鈷搭配可以得到另人滿意的綜合性能，如小的變形和適度耐磨性。接近或達(dá)到鈷基胎體的性能。 （e） 錫粉：顆粒呈滴狀，灰白色粉末，易氧化，氧化后呈黃色，霧化法制取。錫粉在粘結(jié)劑中的作用是：改善胎體的可燒結(jié)性（降低熔點(diǎn)）；易形成金屬間化合物，可以改善磨損性能和變形性；適宜添加到壓制成型胎體中，燒結(jié)熔化后的毛細(xì)現(xiàn)象使胎體收縮，從而增加胎體的致密性；降低液態(tài)合金的表面張力，改善合金對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性。其缺點(diǎn)是：加入量太多，易造成流失。 （f） 鎢粉：青黑色，微米級(jí)粉末，還原法制取，鎢與銅、鐵、鈷、鎳都有較好的相容性；燒結(jié)時(shí)在金剛石表面生成WC，但金剛石表面不發(fā)生石墨化；增加胎體的耐磨性，減少變

8、形；作為骨架材料，耐磨性不如WC，但可使胎體的韌性增加。不足是燒結(jié)坯的空隙度較大，要提高燒結(jié)的密度必須提高溫度和壓力 （g）碳化鎢: 黑色，無(wú)機(jī)械夾雜物，多孔海綿狀，還原法制取。須化驗(yàn)雜質(zhì)硫含量，硫易導(dǎo)致燒結(jié)斷面發(fā)黑（燒結(jié)時(shí)生成硫化物），大大降低刀頭的強(qiáng)度。鎢和碳化鎢主要作為骨架材料加入胎體中，以提高胎體的耐磨性，含量過(guò)高易使胎體的脆性加大。3.3.金剛石工具金剛石工具 金剛石工具是金剛石顆粒與金屬、樹(shù)脂等結(jié)合劑混合按一定工藝而成的一種特殊的復(fù)合材料。由于建材工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金剛石工具的使用也越來(lái)越廣泛，這也使對(duì)工具的生產(chǎn)從經(jīng)濟(jì)和性能上都有很高的要求。而提高金剛石工具性能的關(guān)鍵是制品的耐磨，同時(shí)

9、保持鋒利性。 3.1金剛石工具的結(jié)構(gòu)： 金剛石金屬粉末刀頭（主要技術(shù)） 刀頭基體（剛體）金剛石鋸片（鉆頭、磨盤）3.2金剛石工具的分類 按用途劃分 鉆頭類 鋸片類 磨削類 即“鉆、切、磨”工具。 按制作工藝劃分 燒結(jié)類 焊接類 電鍍制品等 按結(jié)合劑劃分 金屬結(jié)合劑 樹(shù)脂結(jié)合劑 陶瓷結(jié)合劑等 3.3金剛石工具的濃度概念 定義金剛石在胎體中體積比為25時(shí)濃度為100。 濃度是金剛石工具的重要特性之一，對(duì)工具的效率、壽命和加工效果有很大的影響。一般金剛石濃度高，則單位工作層面積上的金剛石顆粒數(shù)就多，每個(gè)磨粒的受力就小，切入工件的深度小，金剛石不易破碎和脫落，反而容易被磨平和拋光，宏觀表現(xiàn)為效率低、壽

10、命長(zhǎng)；金剛石濃度低，每個(gè)磨粒有更大的切入壓力，切入深，金剛石易破碎和脫落，工具表現(xiàn)為效率高、壽命低。 通常，鋸切工具的金剛石濃度多選在10%45%；鉆探工具、燒結(jié)金屬結(jié)合劑金剛石磨具多選50%125%濃度；樹(shù)脂金剛石磨具的濃度多選50%100%；陶瓷金剛石磨具多選75%150%濃度；電鍍金剛石工具用200%的濃度。 3.4金剛石工具的原材料基體基體: :金屬結(jié)合劑金剛石工具基體主要是鋼基體為主，常用材質(zhì)為45號(hào)鋼、65Mn、28CrMo、16Mn等。 金剛石磨料金剛石磨料: :在“金剛石簡(jiǎn)介”中已經(jīng)介紹，不再贅述。金屬粉末金屬粉末 : :燒結(jié)金屬結(jié)合劑制品中常用元素主要有：Fe Ni Cu M

11、n Sn Zn AI Co Cr W Ti Ce La Si B等。3.5金剛石制品常用金屬基結(jié)合劑的種類銅基結(jié)合劑銅基結(jié)合劑 以銅或青銅為主要結(jié)合劑元素，添加Ni、Mn、Co、Fe等中的一種或幾種。鈷基結(jié)合劑鈷基結(jié)合劑 鈷由于它對(duì)金剛石有好濕潤(rùn)性在金剛石工具制造中，尤其是刀頭要求重負(fù)荷高效率切割時(shí)，具有不可取代的地位。但它過(guò)高的價(jià)格正迫使人們用鐵、鎳逐步取代它。鐵劑結(jié)合劑鐵劑結(jié)合劑 鐵彈性模量中等，對(duì)金剛石也有很好的濕潤(rùn)性，加之低廉的價(jià)格，是結(jié)合劑發(fā)展的方向。W W基或基或WCWC基結(jié)合劑基結(jié)合劑: : 在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多，但是在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家專業(yè)切割瀝青馬路、新鮮混凝土路面應(yīng)用極為廣泛。 4.金

12、剛石工具的制作工藝 （金屬粉末+金剛石+液體石蠟） 混合（焊接） 燒結(jié) 投料壓制 模具組裝應(yīng)力調(diào)整 噴漆開(kāi)刃 檢驗(yàn) 包裝 入庫(kù)混料 主要功能是將配好的粉料進(jìn)行充分的混合，保證后序壓制的正常進(jìn)行。目前金剛石工具行業(yè)常用的搖擺三維混料機(jī)。這種混料設(shè)備具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平移擺動(dòng)和顛倒反轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)方式，粉料的運(yùn)動(dòng)軌跡呈三維立體狀態(tài)，可以使粉料在較短的時(shí)間內(nèi)混合均勻，且可以細(xì)化顆粒。 制粒 （1）粉末的流動(dòng)性得到提高與改善。 （2）減少粉末與金剛石的偏析與聚集，使金剛石分布更為均勻，改善了制品的性能。 （3）降低了冷壓模具的損耗，由于粉末流動(dòng)性好，金剛石均被粉末包裹，分布更為均勻，故冷壓模具損耗降低，模具壽

13、命提高50%以上。 （4）提高了生產(chǎn)效率，為實(shí)現(xiàn)冷壓自動(dòng)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。 冷壓 主要功能是通過(guò)模具配合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品（刀頭）毛坯的壓制成型，分手動(dòng)冷壓和自動(dòng)冷壓兩種。燒結(jié) 燒結(jié)設(shè)備主要是電阻爐和熱壓機(jī)，主要完成金剛石工具或刀頭的燒結(jié)致密化工作。 影響燒結(jié)的因素有三個(gè)：燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、保溫壓力。 燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間主要取決與胎體材料的組成成分，以使胎體合金很好的熔合、充分合金化為目的。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間應(yīng)該適宜，過(guò)高的燒結(jié)溫度和過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)使金剛石受到熱損害，胎體硬度增加，磨損性降低，低熔點(diǎn)元素大量流失，從而影響鋸片的切割性能。燒結(jié)溫度過(guò)低和保溫時(shí)間過(guò)短會(huì)使各合金之間得不到充分的熔合，造成組

14、織疏松、硬度降低，從而使鋸片的壽命降低。 保溫時(shí)若壓力過(guò)低則會(huì)造成金剛石燒結(jié)體燒不到位；若壓力過(guò)高會(huì)增加磨具的損耗，且可能會(huì)使胎體材料流失。 焊接 焊接式金剛石圓鋸片是通過(guò)焊接的方式將節(jié)塊和基體連接到一起的。目前常用的焊接形式有兩種，一是高頻焊接，另一種是激光焊接。 后處理 后處理設(shè)備主要包括拋光機(jī)、開(kāi)刃機(jī)、應(yīng)力調(diào)整機(jī)、噴漆線等設(shè)備。這些設(shè)備主要工作是完成成品前的開(kāi)刃、滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)力要求、美觀要求等。5.金剛石工具的工作原理 在一定的壓力、一定的速度下，靠刀頭上的金剛石磨掉被加工材料。而在此過(guò)程在中，金剛石也要磨損、破碎、脫落，但同時(shí)被加工材料會(huì)將鑲裹金剛石的胎體也磨掉，從而露出后面的金剛

15、石繼續(xù)工作，一直下去，就完成了加工工作。 （出刃）金剛石磨損后金剛石6.金剛石工具的正確使用 合理選用金剛石工具，對(duì)提高工作效率，降低加工成本具有重要意義。下面以金剛石鋸片為例簡(jiǎn)要介紹部分內(nèi)容：（四個(gè)因素） 6.1要考慮適用對(duì)象的因素： 根據(jù)不同加工對(duì)象選擇通用型、石材專用、混凝土專用、瓷磚專用等鋸片。6.2要考慮性能匹配的因素： 針對(duì)硬度較高、研磨性較差的切割材料要選用鋒利度好、壽命適中的鋸片，以保證其切割效率；針對(duì)硬度較低、研磨性高的材料要選用長(zhǎng)壽命、鋒利度適中的鋸片，有利降低切割成本。 6.3要考慮幾何尺寸的影響因素： 要根據(jù)切割材料的規(guī)格和質(zhì)量要求選定鋸片的尺寸及類型。例如圓鋸片的直徑

16、一般應(yīng)大于被切工件的三倍。同時(shí)根據(jù)加工精度要求選定鋸片結(jié)構(gòu)形式，即要求鋸切表面光滑或加工較薄、易碎的材料時(shí)，應(yīng)選用窄槽型或連續(xù)齒鋸片，反之，鋸切表面要求不高或較厚的材料，可選用寬槽型鋸片。6.4要考慮使用設(shè)備的影響因素： 設(shè)備功率較大可選用耐磨型鋸片保證其壽命，設(shè)備功率較小選擇鋒利型產(chǎn)品以保證其切割效率。對(duì)有偏擺或精度較差的切割機(jī)最好選用耐磨型鋸片，對(duì)于較新的精度好的切割機(jī)，可選用快速鋒利型鋸片。7. 金剛石工具配方設(shè)計(jì)概述 金剛石工具的配方是指粉末壓制層的配方，包括含金剛石層配方和過(guò)渡層配方。 7.1配方的確定依據(jù)配方設(shè)計(jì)依據(jù)多方面的因素，主要是以下幾點(diǎn)“ 被加工工件的材質(zhì) 加工方式 加工質(zhì)

17、量要求 加工使用設(shè)備 所選原材料的性能 所選的制造工藝 7.2配方確定前的實(shí)驗(yàn)程序 根據(jù)依據(jù)設(shè)計(jì)好配方初稿，只是一個(gè)理論設(shè)計(jì)，到底能否滿足或達(dá)到各方面的要求，需要進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，并最終確定。 第一步：選擇結(jié)合劑成分及配比（一般設(shè)計(jì)若干種配比，以 供優(yōu)選）第二步：測(cè)定結(jié)合劑試樣的強(qiáng)度、硬度等各項(xiàng)性能，優(yōu)選出性能良好的結(jié)合劑（一種或兩種）第三步：利用選出的結(jié)合劑，按照設(shè)想的配方和設(shè)定工藝， 試制成制品 第四步：進(jìn)行“切磨鉆”實(shí)驗(yàn)，測(cè)定制品的各項(xiàng)性能，從而選出最佳配方 7.3配方的投料計(jì)算 一般金剛石制品的投料按其理論密度計(jì)算后增加5%的燒結(jié)料損。其公式如下： m=*V 式中：m理論投料量 配

18、方理論密度 V制品齒部體積 其中配方的理論密度用下式計(jì)算： =100/（g1/1+g2/2+ gn /n） 式中：g1, g2, gn配方中各組分所占的百分?jǐn)?shù)。 1, 2, n對(duì)應(yīng)個(gè)組分的密度。計(jì)算示例：某配方（不含金剛石）比例為Fe40%、Sn5%、Ni5%、Cu50%，求燒結(jié)40*10*4的刀頭的投料為多少克？ 解：配方的理論密度為 =100/（40/7.8+5/7.3+5/8.9+50/8.9）=8.34g/cm3 刀頭體積為：V =40*10*4/1000=1.6 cm3 理論投料：m=*V=8.34*1.6=13.3g 實(shí)際投料：m實(shí)=13.3*1.05=13.95g 8、新技術(shù)在金

19、剛石工具中的應(yīng)用8.1預(yù)合金粉在金剛石工具中的應(yīng)用 預(yù)合金粉末由于每個(gè)粉末顆粒都包含組成合金的各種金屬元素，因此成分均勻性相當(dāng)好。由于其共熔點(diǎn)比合金中單元素熔點(diǎn)要低得多，因此預(yù)合金粉末所需的燒結(jié)溫度低。 目前，制備預(yù)合金粉末的常用方法主要有以下幾種：(1)霧化法 預(yù)合金粉末高壓霧化法是按照設(shè)計(jì)好的胎體配比，在燒結(jié)之前預(yù)先將各種成分的金屬熔煉成合金，然后霧化噴粉，得到所需粒度的胎體粉末。霧化法按霧化介質(zhì)可分為水霧化和氣霧化，氣體霧化可用空氣、氮?dú)饣驓鍤獾葰怏w。氣體霧化冷卻速度快、粉末晶粒細(xì)、粉末收得率高、成本低。由于水比氣體的粘度大且冷卻能力強(qiáng)，水霧化法特別適于熔點(diǎn)較高的金屬與合金。 （2）共沉

20、淀法 共沉淀法即是在含有兩種或多種金屬離子的溶液中，加入沉淀劑、表面改性劑，通過(guò)強(qiáng)化工藝條件，使各種金屬離子幾乎同時(shí)沉淀而獲得成分均勻的沉淀物，再將沉淀物通過(guò)加熱分解、還原、破碎、過(guò)篩等工序處理后，最終得到所需粉末的方法。 共沉淀法是制備含有兩種以上金屬元素的復(fù)合粉料的重要方法。由于化學(xué)共沉淀法各組分預(yù)先可在溶液中達(dá)到分子間的均勻混合，因此制品的成分均勻穩(wěn)定，另外其他參數(shù)（如粒度、粒形等）也易于控制。制取的粉料具有粒度細(xì)、粒度分布范圍窄、成分分布均勻、純度高、燒結(jié)活性好等優(yōu)點(diǎn)。（3）機(jī)械合金化法 機(jī)械合金化法通常也稱為高能球磨法，是將不同的金屬粉末或彌散強(qiáng)化粉末裝入高能球磨機(jī)，在保護(hù)氣氛下按一定的球料比、球大小比進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間球磨，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)等機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的作用下，粉末經(jīng)反復(fù)的擠壓、冷焊及粉碎過(guò)程，使不同的原料粉末達(dá)到原子級(jí)緊密結(jié)合，如果原料中含有固態(tài)時(shí)不能互溶的金屬或陶瓷之類的硬顆粒，硬顆粒就均勻地彌散嵌入較軟金屬顆粒中而制得復(fù)合粉末。 機(jī)械合金化法的一個(gè)