金剛石工具制造技術(shù)的發(fā)展與熱點(diǎn)問題（上）①

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(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

前言

任何一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展，除了科學(xué)研究人員的不懈努力之外，都要有它的應(yīng)用舞臺，金剛石工具技術(shù)的發(fā)展也不例外。從歷史的觀點(diǎn)出發(fā)，工業(yè)金剛石的發(fā)展來自于對材料加工的需求。

有文字記載的金剛石在工具方面應(yīng)用的歷史，是鉆孔工具的使用。1751年，有人在金屬管端部鑲嵌天然金剛石制造成第一個金剛石鉆具。1862年，J.R.Lesshot設(shè)計了世界上第一個具有近代鉆頭雛形的表鑲天然金剛石鉆頭，金剛石顆粒平均直徑4～5mm，鉆頭用于人力驅(qū)動鉆機(jī)。1864年，以蒸汽為動力的鉆機(jī)開始出現(xiàn)，用于意大利與法國之間塞尼山隧道工程爆破的鉆孔，使用了直徑43mm鑲有天然金剛石的表鑲鉆頭，鉆進(jìn)堅硬的花崗巖。隨后，人類逐步將金剛石鉆頭用于礦床的勘探。在中國，也有“沒有金剛鉆不攬瓷器活”的說法，應(yīng)該說，人類使用金剛石工具是從鉆具開始的，其使用歷史比硬質(zhì)合金作工具還早。1953年美國G.E公司成功合成金剛石以后，人類使用金剛石工具的種類、規(guī)格飛速發(fā)展，連同1957年合成立方氮化硼（cBN）用于工具，這些構(gòu)成了近代飛速發(fā)展的新型超硬工具產(chǎn)業(yè)部門。

金剛石圓鋸片是金剛石類工具中最早應(yīng)用的工具之一，也是目前應(yīng)用最廣泛的金剛石類鋸切工具。

1885年法國人Jaeguin用天然金剛石制成鋸齒，手工鑲嵌于鋼基體的周邊上，再用鉚釘固定。這是世界上第一個裝鑲金剛石的金剛石圓鋸片。20世紀(jì)30年代以后，隨著粉末冶金技術(shù)的逐漸成熟，類似于粉末冶金的技術(shù)開始應(yīng)用于金剛石圓鋸片制作當(dāng)中。人們將金屬粉末與金剛石混合燒結(jié)成扇形鋸齒，再用焊接的方法將鋸齒鑲焊在鋼基體上，這就是焊接金剛石圓鋸片的早期形式。

20世紀(jì)60年代隨著人造金剛石工業(yè)的發(fā)展，金剛石鋸片得到了更廣泛的應(yīng)用。各種不同結(jié)合劑類別的金剛石圓鋸片相繼問世，各種金剛石圓鋸片的制作工藝日趨完善，金剛石鋸片己經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品系列，適應(yīng)于各種不同的切割材料、各種不同的切割方法，規(guī)格不等、檔次相異的金剛石鋸片開始供應(yīng)市場，并涌現(xiàn)出了一大批金剛石圓鋸片廠家。據(jù)20世紀(jì)90年代中期統(tǒng)計，鋸切類金剛石工具所耗用的金剛石數(shù)量在國內(nèi)外工業(yè)金剛石用量中均上升到第一位，占60%左右。

從生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的過程來看，國內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)都是從個體發(fā)展，積累資金，逐漸形成規(guī)模，通過兼并重組，吸引資金，針對市場需求，不斷壯大成長的?，F(xiàn)在，我國金剛石行業(yè)的上市公司已有六家。并不是說上市是證明企業(yè)成功與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而是說明企業(yè)整體水平邁上了一個新臺階。下面就金剛石鋸切工具，特別是圓鋸片方面的新技術(shù)、新工藝及未來的發(fā)展做一淺析。

1 金剛石鋸切工具的發(fā)展特點(diǎn)

近幾來，金剛石圓鋸片的加工對象和適用領(lǐng)域在不斷地擴(kuò)大，除傳統(tǒng)的石材、玻璃、半導(dǎo)體等各種硬脆非金屬材料的切割外，還廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土切割、機(jī)場跑道防滑縫切割、公路及廣場伸縮縫切割、耐火材料的切割、膠木板和塑料板的切割，木材、鋁板、鋼纜、石膏水泥板的切割也有了一定的進(jìn)展。

目前，國內(nèi)外金剛石圓鋸片的發(fā)展主要有以下一些特點(diǎn)：

（1）為生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)鋸片，開發(fā)鋸片專用金剛石；

（2）更加重視粉末、胎體與燒結(jié)工藝的研究；

（3）更加重視石材可鋸性與鋸切機(jī)理的研究；

（4）激光焊接鋸片得到發(fā)展；

（5）發(fā)展超大尺寸的金剛石圓鋸片。

2 金剛石圓鋸片今后的發(fā)展方向

金剛石圓鋸片今后的發(fā)展方向主要是在提高鋸切效率、鋸片壽命，降低生產(chǎn)成本，降噪環(huán)保等幾個方面。為了達(dá)到上述目的，就要在材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和制作工藝上進(jìn)行改進(jìn)。

（1）在材料方面，更加重視基體、胎體配方的研究，力爭在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，做到提高鋸片的壽命及效率。

（2）結(jié)構(gòu)方面，通過改變金剛石圓鋸片的結(jié)構(gòu)達(dá)到降低噪音、提高加工精度的目的。目前，研制開發(fā)低噪聲鋸片，大致遵循兩條途徑：一是改變基體結(jié)構(gòu)，在基體上加工特定溝槽，在溝槽中填入阻尼材料；二是將基體分成3層組合而成，中間層采用阻尼材料。另外，在尺寸上，金剛石圓鋸片直徑越來越大，厚徑比越來越小，國外最大的金剛石圓鋸片的直徑已經(jīng)達(dá)到了5m。通過對鋸片進(jìn)行整形、校正、應(yīng)力處理、熱處理等方法以達(dá)到最佳使用效果。

（3）在制造工藝方面，已有的新工藝方法有金剛石造粒、有序排列、單層釬焊、多層釬焊及電鍍等。最近又提出了軋制法制造金剛石刀頭的新方法。

3 幾個關(guān)鍵熱點(diǎn)問題

通過以上介紹，金剛石鋸切工具的發(fā)展是多方面的。下面，就幾個關(guān)鍵熱點(diǎn)問題進(jìn)行探討。

3.1 鍍覆技術(shù)的應(yīng)用

這個問題實(shí)際上也是一個老問題了。自20年前該項(xiàng)技術(shù)問世以來，得到全世界的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過燕山大學(xué)轉(zhuǎn)讓技術(shù)的國外用戶已有數(shù)家，應(yīng)用效果良好。國內(nèi)外一些廠家盜取該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行仿冒，但其核心存在一定問題。這也從另一個側(cè)面說明了這項(xiàng)技術(shù)的價值。雖然如此，還有一些不同認(rèn)識，特別是有人通過一定批次的使用或者試驗(yàn)，認(rèn)為效果欠佳甚至無效果，存在部分指標(biāo)下降等問題。就此，進(jìn)行如下分析：

3.1.1 金剛石表面鍍鈦的貢獻(xiàn)

簡單地說，主要有三個方面：

（1）使金剛石表面改性

從自由鍵極少、與結(jié)合劑金屬不形成鍵合的表面改變?yōu)榫哂薪饘傩再|(zhì)的表面，這種狀態(tài)，無疑為實(shí)現(xiàn)金剛石與金屬結(jié)合劑的浸潤結(jié)合提供了良好條件，從而使金剛石脫粒率降低，出刃高度增加，帶來的好處不言而喻。（圖1所示為鍍鈦后金剛石表面形貌）

圖1 鍍鈦后金剛石表面形貌Fig.1 Surface appearance of diamond coated titanium

（2）鍍層使金剛石具有了保護(hù)層

在形成鍍層化合物層過程中，隨著時間的延長，金剛石表面與鍍層之間建立起碳與鈦之間成分的濃度梯度，與溫度條件配合，形成擴(kuò)散機(jī)制。首先在金剛石表面形成碳化物：

化合物層將隨時間逐步加厚；隨著厚度的增加，C原子通過鍍層擴(kuò)散到鍍層表面與Ti反應(yīng)，隨著鍍層厚度增加，擴(kuò)散過程的C原子輸運(yùn)困難，使鍍層內(nèi)接近于鍍層表面處發(fā)生C原子的貧化，最終形成表面層為純金屬Ti。這一復(fù)合鍍層耐腐蝕、耐高溫、耐氧化，在燒結(jié)過程中可有效隔離Fe、Ni等對金剛石形成腐蝕的金屬及有害雜質(zhì)。

（3）彌合金剛石表面缺陷

在合成過程及其后的后處理中，金剛石表面會形成一定數(shù)量的微裂紋，這些裂紋在金剛石刀頭制造過程由于在腐蝕性金屬（Fe、Ni等）及有害雜質(zhì)作用下極易擴(kuò)展和破裂，由此降低了金剛石的性能，從而影響整個制品的性能，而表面鍍覆則彌合了這一缺陷。

3.1.2 存在的問題及解決方法

（1）關(guān)于效果的問題

有部分用戶反應(yīng)，在使用了鍍覆技術(shù)之后，未見預(yù)期的出刃高度、延長鋸片壽命等效果。關(guān)于這一問題，通過部分用戶的反映情況，認(rèn)為由以下問題造成：

①燒結(jié)工藝本身存在問題；

②配方本身有問題；

③金剛石本身有問題；

④鍍覆質(zhì)量控制有問題。

（2）關(guān)于效率降低的問題

部分用戶反映，在使用了鍍覆金剛石之后，鋸片的鋸切效率下降。根據(jù)調(diào)查及實(shí)驗(yàn)證明，造成這一問題的主要原因是金剛石含量過高所致。由于鍍覆，使脫粒率大幅下降，因而磨粒距離過小，造成磨削堵塞，致使鋸切效率下降。

3.2 預(yù)合金粉末在金剛石圓鋸片胎體材料中的應(yīng)用

預(yù)合金粉末由于每個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，大多數(shù)金剛石鋸片、取芯鉆頭等金剛石工具在制造過程中，均使用相當(dāng)比例的預(yù)合金粉，且預(yù)合金粉的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。但是，值得注意的是某些預(yù)合金粉末并非真正的預(yù)合金，而是混合粉末，與預(yù)合金粉末在燒結(jié)性能方面有很大不同。

3.2.1 使用預(yù)合金粉末的優(yōu)點(diǎn)

（1）大大提高金剛石鋸片的整體性能

由于預(yù)合金粉末比機(jī)械混合粉末元素分布均勻，故從根本上避免了成分偏析，使胎體組織均勻、性能趨于一致；預(yù)合金粉合金化充分，使胎體具有高硬度和高沖擊強(qiáng)度，可大大提高燒結(jié)制品的抗壓、抗彎強(qiáng)度，提高對金剛石的把持力，增加金剛石鋸片的鋒利度，延長鋸片的使用壽命。

（2）降低金剛石鋸片成本

由于預(yù)先合金化大大降低了燒結(jié)過程中金屬原子擴(kuò)散所需的激活能，燒結(jié)性能好，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間縮短，這樣一方面有利于避免金剛石高溫?fù)p傷，另一方面可降低石墨模具用量與電能消耗。在切割性能相同的情況下，使用預(yù)合金粉可降低金剛石濃度15%～20%，明顯降低金剛石鋸片成本。

（3）便于產(chǎn)品質(zhì)量控制

由于預(yù)合金粉各元素成分固定，從根本上避免了配混料過程中各種問題的產(chǎn)生，為產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提供了條件。

3.2.2 預(yù)合金粉末的制備方法及特點(diǎn)

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。圖2是水霧化制粉工藝流程圖。

目前，預(yù)合金粉大多采用霧化法制備，該法生產(chǎn)的預(yù)合金粉具有燒結(jié)溫度低，合金化程度高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是霧化法對設(shè)備要求較高，不易于調(diào)整胎體成分，并且粉末含氧量高，成本高，粉末呈近球形，不利于壓制與制粒。對于一般的廠家而言很難自己進(jìn)行有針對性的配方調(diào)制，只能通過有限的組合進(jìn)行。通過熔煉進(jìn)行合金化的前提是組元成分能夠通過熔煉進(jìn)行合金化，這樣就限制了如Fe－Cu等重要常用元素之間的合金化，成為霧化法一個比較大的缺點(diǎn)。

圖2 水霧化制粉工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of processing powder by water atomization

（2）共沉淀法

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，通過強(qiáng)化工藝條件，使各種金屬離子幾乎同時沉淀而獲得成分均勻的沉淀物，再將沉淀物通過加熱分解、還原、破碎、過篩等工序處理后，最終得到所需粉末的方法。研究表明，通過沉淀草酸鹽混合液，并對沉淀物進(jìn)行分解可制取鐵基預(yù)合金粉末，其工藝流程如圖3。

圖3 共沉淀法制取鐵基預(yù)合金粉末工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram of processing iron－based pre－alloyed powder by co－precipitation

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)。其缺點(diǎn)是粉料提取有一定難度，廢液對環(huán)境有污染。

（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)行長時間球磨，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動等機(jī)械驅(qū)動力的作用下，粉末經(jīng)反復(fù)的擠壓、冷焊及粉碎過程，使不同的原料粉末達(dá)到原子級緊密結(jié)合，如果原料中含有固態(tài)時不能互溶的金屬或陶瓷之類的硬顆粒，其就能均勻地彌散嵌入較軟金屬顆粒中而制得復(fù)合粉末。

機(jī)械合金化法的一個顯著特點(diǎn)是能在低溫下合成通常要求高溫加工才能制備的材料，并能獲得常規(guī)方法難以獲得的非晶合金、超飽和固溶體等材料。在金剛石常用的Fe、Cu合金化方面具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，能夠在任何比例條件下實(shí)現(xiàn)合金化。實(shí)際上，金屬結(jié)合劑金剛石工具的Fe－Cu粉體并不需要完全的合金化，如果能夠良好燒結(jié)就算達(dá)到了目的。另一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過機(jī)械合金化處理，合金粉體處于高度的活化狀態(tài)，即使原料氧化很嚴(yán)重，經(jīng)過機(jī)械合金化之后對燒結(jié)也毫無影響。第三個特點(diǎn)是由于設(shè)備簡單，操作靈活，方便生產(chǎn)。各類金剛石工具生產(chǎn)廠家都可以自備設(shè)備，可方便地按照自己的配方進(jìn)行配制和生產(chǎn)。

其他的預(yù)合金粉制備方法還有很多，如氣相蒸發(fā)法、超聲化學(xué)法、非晶晶化法、微乳液法等。隨著研究的深入，不斷有新的制備方法出現(xiàn)，但作為以應(yīng)用為目的的工業(yè)化制備方法尚不成熟。

（4）一些已生產(chǎn)預(yù)合金粉的廠家及產(chǎn)品

國際上，預(yù)合金粉末發(fā)展歷史較長，現(xiàn)在已形成系列產(chǎn)品。如Eurotungstone公司NEXT、Keen預(yù)合金粉、Dr·Fritsch公司預(yù)合金粉末、Umicore公司Coba lite系列預(yù)合金粉末等。隨著國內(nèi)金剛石工具行業(yè)的進(jìn)步，國產(chǎn)預(yù)合金粉末的研發(fā)和生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。具有代表性的機(jī)構(gòu)包括上海材料所、北京人工晶體所、長沙冶金材料所與中南工大粉冶所、卡斯通科技有限公司，有研粉末新材料有限公司、安泰科技股份有限公司、黃河旋風(fēng)股份有限公司、秦皇島雅豪新材料科技公司、中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院等。其中有研粉末新材料有限公司采用濕法冶金方法推出YHJ系列預(yù)合金粉，安泰科技股份有限公司采用高壓水霧化法制取Follow系列預(yù)合金粉，秦皇島雅豪新材料科技公司采用高壓水霧化法制取預(yù)合金粉末已形成規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，可批量供應(yīng)。

①Eurotungstone公司NEXT、Keen預(yù)合金粉

自1997年Eurotungstene開發(fā)出NEXT預(yù)合金粉末以來，Eurotungstene不斷拓寬NEXT預(yù)合金粉范圍，相繼推出NEXT100、NEXT200、NEXT300、NEXT900等NEXT系列金剛石工具用代鈷亞微米級預(yù)合金粉末。NEXT系列預(yù)合金粉末主要性能見表1。

表1 NEXT系列預(yù)合金粉末主要性能Table 1 Main performance of NEXT series of pre－alloying powder

2005年，Eurotungstene又推出Keen系列預(yù)合金粉，主要提高了胎體的韌性，使胎體硬度和韌性有了更好的匹配，在胎體硬度增加時其韌性不變。Keen系列預(yù)合金粉主要用于制造切割混凝土、瀝青和硬度高磨蝕性強(qiáng)的石材如花崗巖的鋸片和繩鋸。Keen系列預(yù)合金粉分為Keen10、Keen20，其主要性能見表2。

表2 Keen10、Keen20預(yù)合金粉主要性能Table 2 Main performance of Keen10，Keen20 pre－alloying powder

（待續(xù)）