人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應(yīng)用*

孫 猛，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應(yīng)用*

孫 猛，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

通過(guò)選擇觸媒形態(tài)或者人為控制合成金剛石的溫度和壓力，可以獲得較高比例的(100)晶面和(111)晶面同等發(fā)育的六-八面體聚形金剛石單晶，即所謂的“方晶”。方晶相比于普通的六-八面體聚形金剛石具備更多、更鋒利的切割刃，有利于提高金剛石鋸片尤其是瓷磚切割片的切割速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，單純應(yīng)用方晶，相比常規(guī)的六-八面體聚形金剛石，切割普通全瓷瓷磚的速率可以提升40%以上，超硬瓷磚可以提升27%；匹配不同潤(rùn)滑劑含量的“弱化”型金屬胎體，瓷磚片的切割速率可以得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。當(dāng)潤(rùn)滑劑含量為6wt%時(shí)，試驗(yàn)鋸片相比于常規(guī)切割鋸片速率提升超過(guò)60%；即便是切割全瓷超硬瓷磚，速率也可提升30%以上。

金剛石方晶；瓷磚切割片;胎體弱化

1 引言

所謂金剛石“方晶”，實(shí)際沿用了人造金剛石行業(yè)前輩方嘯虎先生所首創(chuàng)的概念，特指一種(111)晶面和(100)晶面均等發(fā)育的六-八面體聚形金剛石單晶[1]，如圖1(a)所示。在實(shí)際的靜態(tài)觸媒法高溫高壓合成過(guò)程中，方晶的產(chǎn)生與觸媒的形態(tài)以及合成溫度與壓力的控制有著很大的關(guān)系，通過(guò)人為地選擇觸媒形態(tài)或者控制合成溫度和壓力即可獲得較高的方晶產(chǎn)出。

在人工合成金剛石的初期多采用片狀觸媒，金剛石在高溫高壓下長(zhǎng)大的過(guò)程中從不同方向所獲得的碳源供給是不同的。一般接近碳片的一側(cè)易獲得更多的碳源供給，生長(zhǎng)速率相對(duì)較快，呈現(xiàn)一種偏二維方向的生長(zhǎng)，易于獲得以(100)晶面為主導(dǎo)的方晶。相比而言，粉末觸媒則易于保證金剛石從不同方向獲得碳源，呈三維方向生長(zhǎng)，更易于獲得以(111)晶面為主的六-八面體聚形金剛石，如圖2所示[2]。

圖1 常見的人造金剛石晶形(a)(100)晶面與(111)晶面同等發(fā)育的“方晶”；(b)(111)晶面占主導(dǎo)的六-八面體聚形Fig.1 The popular synthetic diamond single crystal shape

圖2 高溫高壓下人造金剛石在粉末觸媒和片狀觸媒中生長(zhǎng)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of diamond crystal growth in powder catalyst and slice catalyst at HTHP

大量的合成實(shí)驗(yàn)均證明，在金剛石的優(yōu)晶生長(zhǎng)區(qū)提高合成溫度有利于獲得(111)晶面占主導(dǎo)的六-八面體或者八面體金剛石，如圖3所示；而較低的合成溫度則易于獲得(100)晶面占主導(dǎo)的六-八面體金剛石[3]。所以在高溫高壓靜態(tài)法合成金剛石時(shí)可以通過(guò)有意識(shí)地控制合成溫度和壓力來(lái)獲得高比例的方晶產(chǎn)出。

相比而言，特制的金剛石方晶具備更長(zhǎng)的同向切割刃，且因人造金剛石(100)面的硬度低于(111)面，而斷裂表面能和斷裂韌性明顯高于(111)面[4]，使得金剛石方晶更能在高速切割過(guò)程中保持原有晶形(切割刃)，在切割硬質(zhì)材料，如瓷磚時(shí)有助于提升切割片的切割速率。

本文應(yīng)用山東昌潤(rùn)鉆石股份有限公司特制的金剛石方晶制備瓷磚專用切割片，同時(shí)匹配弱化型胎體進(jìn)行不同瓷磚的對(duì)比切割測(cè)試，以獲得全新高速瓷磚切割片的配方設(shè)計(jì)[5]。

圖3 金剛石生長(zhǎng)的優(yōu)晶區(qū)Fig.3 Range of pressure and temperature for high-quality diamond growth

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)兩步來(lái)完成高速瓷磚切割片的配方設(shè)計(jì)：

1)使用不同類型的金剛石方晶匹配常規(guī)的銅基胎體制備切割片，通過(guò)對(duì)比切割數(shù)據(jù)優(yōu)選金剛石種類；

2)使用優(yōu)選出的金剛石方晶匹配不同潤(rùn)滑劑添加量的弱化胎體完成最終胎體乃至切割片的配方設(shè)計(jì)。

本文實(shí)驗(yàn)所采用的金剛石方晶系昌潤(rùn)鉆石特制的50/60方晶樣品，編號(hào)分別為1#、2#和3#，如圖4所示。其主要性能差異為熱穩(wěn)定性[常溫沖擊韌性與高溫沖擊韌性差和燒損(800℃無(wú)保護(hù)氣氛灼燒10min后的重量差)]，如表1所示。

圖4 昌潤(rùn)鉆石特制的50/60人造金剛石方晶Fig.4 Cubic diamond single crystal specially made by CR GEMS Diamond

1#2#3#TI-TTI(%)3.45.96.1熱損(%)0.390.300.22

實(shí)驗(yàn)胎體由50wt%超細(xì)銅粉、25wt%電解鎳粉、15wt%還原鐵粉以及10wt%錫粉構(gòu)成；潤(rùn)滑劑為直徑約0.5mm的鱗片狀石墨；實(shí)驗(yàn)鋸片為Ф125連續(xù)渦輪燒結(jié)鋸片，如圖5所示[5]。

圖5 切割實(shí)驗(yàn)用Ф125mm連續(xù)齒燒結(jié)鋸片F(xiàn)ig.5 The Ф125mm sintering blades for cutting test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同類型金剛石對(duì)比切割實(shí)驗(yàn)

使用常規(guī)50/60六-八面體聚形金剛石單晶和三種特制的金剛石方晶，匹配基準(zhǔn)的銅基燒結(jié)胎體進(jìn)行Ф125連續(xù)渦輪燒結(jié)鋸片的制備，確保金剛石的濃度保持一致。

使用云石機(jī)針對(duì)普通全瓷瓷磚和超硬全瓷瓷磚進(jìn)行對(duì)比切割測(cè)試。云石機(jī)的功率為1200W；轉(zhuǎn)速為13000r/min。切割深度為10mm，長(zhǎng)度為300mm。每種鋸片連續(xù)切割50刀，測(cè)試其切割速率和切割的穩(wěn)定性[6]。四種鋸片在不同材料上的實(shí)際切割速率如圖6所示。

切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金剛石方晶相比普通的金剛石單晶有助于提高切割瓷磚的切割速率，無(wú)論是普通全瓷瓷磚還是超硬全瓷瓷磚。這種切割速率提升的趨勢(shì)在1#金剛石制作的切割片上表現(xiàn)得尤為突出，在切割普通全瓷瓷磚時(shí)，應(yīng)用1#金剛石的鋸片切割速率相比于應(yīng)用常規(guī)金剛石的鋸片得到了44.46%的提升，針對(duì)超硬全瓷瓷磚提升幅度是27.79%。

圖6 相同胎體匹配不同類型金剛石切割普通和超硬兩種全瓷瓷磚的切割速率Fig.6 Cutting speed of the blades with same bond and different diamond grits cutting common and super-hard tile

相比而言，1#金剛石方晶雖然熱損相對(duì)較高，但是在經(jīng)歷800℃、 10min無(wú)保護(hù)氣氛的灼燒之后，保持0.39%的重量損失依然說(shuō)明這種金剛石具有非常高的熱穩(wěn)定性[7]。在瓷磚切割，尤其是超硬瓷磚的切割過(guò)程中，鋸片與瓷磚的摩擦生熱較多，較高的熱穩(wěn)定性，尤其是機(jī)械性能的穩(wěn)定性對(duì)于保持鋸片刀頭的鋒利度至關(guān)重要。

3.2 不同類型金剛石匹配弱化型胎體的對(duì)比切割實(shí)驗(yàn)

結(jié)合3.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇1#金剛石方晶和普通的50/60六-八面體金剛石匹配不同潤(rùn)滑劑含量(2wt%，4wt%和6wt%)的弱化型胎體進(jìn)行高速瓷磚片配方設(shè)計(jì)的第二步：胎體設(shè)計(jì)。使用云石機(jī)按照3.1所描述的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)三種潤(rùn)滑劑含量，不同種類金剛石的六種圓鋸片在超硬全瓷瓷磚上進(jìn)行對(duì)比切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 匹配弱化胎體和不同金剛石的圓鋸片切割超硬瓷磚的速率Fig.7 Cutting speed of the blades with lubricant in bond and different diamond grits cutting super-hard tile

如圖7所示，在相同胎體，即相同潤(rùn)滑劑含量前提下，1#金剛石方晶制作的圓鋸片的切割速率還依然明顯優(yōu)于普通的六-八面體金剛石制作的鋸片。且隨著潤(rùn)滑劑的含量增加，鋸片的切割速率呈現(xiàn)一種先略微下降，而后大幅提升的趨勢(shì)，在兩種金剛石鋸片上都有所體現(xiàn)。具體原因已在參考文獻(xiàn)[5]中有所討論，本文不再贅述。需要特別指出的是，相比于無(wú)潤(rùn)滑劑添加的基準(zhǔn)銅基胎體，添加6wt%的石墨匹配1#金剛石方晶鋸片可以獲得66%的速率提升。即便在同等潤(rùn)滑劑含量的前提下，1#金剛石方晶鋸片也貢獻(xiàn)了31%的速率提升。

3.2 實(shí)驗(yàn)鋸片的金剛石出刃觀察

選擇石墨添加量為6wt%的兩種圓鋸片，在切割實(shí)驗(yàn)完成之后清理刀頭上殘存的切削殘?jiān)?，在顯微鏡下觀察金剛石的磨損及出刃情況，如圖8所示。

從圖8可以看出，經(jīng)歷了連續(xù)50次切割之后，部分金剛石已經(jīng)破損乃至脫落。但是需要特別指出的是由于常規(guī)六-八面體金剛石的(111)晶面相對(duì)面積較大，所以使用常規(guī)六-八面體的金剛石刀頭出刃的金剛石依然更多地呈現(xiàn)(111)晶面沖外的特質(zhì)，出刃面積較大，但是缺乏尖銳的切割刃。相比而言，金剛石方晶則是更多的尖角沖外，出刃面積較小，具有較多較直接的切割刃。

圖8 切割實(shí)驗(yàn)完畢的金剛石刀頭顯微形貌(a) [Gr]=6wt%+常規(guī)六-八面體金剛石；(b) [Gr]=6wt%+1#金剛石方晶Fig.8 Micromorphology of diamond segments after cutting test

相比而言，(111)晶面沖外的出刃效果，損失了部分尖銳的切割刃，同時(shí)也加劇了金剛石被拋光的幾率；且較大面積的出刃也存在金剛石脫落的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是針對(duì)本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的弱化型胎體，本身耐磨性較差，對(duì)金剛石的把持力也相對(duì)較弱，高品級(jí)的金剛石難以完全發(fā)揮效用。恰恰相反，金剛石方晶保持了較為尖銳的出刃和較小的出刃高度，在保持鋒利切割的同時(shí)減小了被拋光的可能性；在弱化型胎體中依然可以保持較高的金剛石把持力，可以最大效應(yīng)的發(fā)揮金剛石的作用。

3 結(jié)論

金剛石方晶由于具備單向更長(zhǎng)的切割刃，良好的熱穩(wěn)定性，在切割硬質(zhì)瓷磚尤其是超硬全瓷瓷磚時(shí)可以獲得相比常規(guī)六-八面體金剛石更好的切割速率；匹配使用片狀石墨顆粒作為潤(rùn)滑劑的弱化型胎體，金剛石方晶因?yàn)楸３州^為尖銳切割刃和較小的出刃高度和相對(duì)較高的金剛石把持力，可以進(jìn)一步增強(qiáng)金剛石瓷磚片的切割速率，在超硬全瓷瓷磚上相比常規(guī)六-八面體金剛石可以將切割速率提升30%以上。

特別鳴謝：本文實(shí)驗(yàn)所用金剛石方晶產(chǎn)品系山東昌潤(rùn)鉆石股份有限公司特制之產(chǎn)品。特別感謝昌潤(rùn)鉆石對(duì)筆者及本文的大力支持！

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Applicationofcubicsyntheticdiamondsinglecrystalontilecuttingblades

SUN Meng, LI Wei, LI He-sheng

(Husqvarna(Hebei)Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei052165,China)

By choosing catalyst type or controlling the temperature and pressure at HTHP, cubic diamond single crystal can be synthesized with coequal (100) and (111) crystal plane. This kind of diamond has lots of cutting edge which is benefit to enhance cutting speed of diamond blades, especially for tile blades. In this paper, the special cubic diamond grits is utilized into tile blades to seek fast cutting speed. The experimental results show that the cutting speed of the blade using the special cubic diamond can be enhanced 40% for cutting common tile and 27% for cutting superhard tile than using the common blade. When adding the 6wt% lubricant to the bond, the blade cutting speed with the cubic diamond can be improved 60% than the common blade, and it can also improved 30% for cutting the superhard tile.

cubic synthetic diamond single crystal; tile cutting blades; matrix

2017-08-10

孫猛(1980-)，男，項(xiàng)目工程師，主要從事金剛石工具的研制開發(fā)工作。

李和勝(1981-)，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要從事金剛石工具研制開發(fā)工作。E-mail：diamondli99@126.com

孫 猛，李 偉，李和勝.人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應(yīng)用[J].超硬材料工程，2017，29(5)：1-5.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0001-05