第一章 概論

第一節(jié) 石材加工工具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

一、石材加工工具的現(xiàn)狀

石材是具有高硬度、高脆性特點的材料。隨著科學技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，石材的應用領域日益擴展，石材開采量逐年增加，如圖1-1所示。我國石材行業(yè)經(jīng)過近20年的高速發(fā)展，一躍成為在石材產(chǎn)量、消費量、貿(mào)易量均位于世界首位的石材工業(yè)大國。2008年石材產(chǎn)量達2.23億平方千米，比2007年同比增加了27%。2005年以來，石材的產(chǎn)量以穩(wěn)定的速度增長，其產(chǎn)品、工藝、設備技術(shù)含量極大提高，大中型石材企業(yè)不斷涌現(xiàn)，行業(yè)呈現(xiàn)強勁的發(fā)展勢頭，中國已成為名副其實的世界石材加工廠，發(fā)展趨勢和前景看好。近年來中國作為石材開采和加工的領頭國，生產(chǎn)240個品種的花崗石，石材總產(chǎn)量約占世界的65%。

在石材加工中，石材工具占有重要地位。石材加工主要包括石材鋸割、石材磨削和石材拋光。石材加工工具主要采用金剛石磨料和陶瓷磨料。在加工中，鋸切加工是機械加工的第一道工序，鋸切加工成本占整個加工成本的 50%以上。目前，石材等硬脆材料的切割加工主要采用各種金剛石切割工具。由于金剛石是自然界已知的最硬物質(zhì)，其優(yōu)異性能決定其在石材等硬脆材料切割加工領域具有廣闊的發(fā)展前景。應用金剛石工具鋸切硬脆材料的加工方式主要有圓鋸片切割、金剛石帶鋸切割、金剛石框架鋸切割、金剛石串珠繩鋸切割等。盡管每種方法有不同的特點和應用范圍，但其切割機理和金剛石磨損機理卻大致相同。由于切割石材是金剛石切割工具最主要的用途，因此，深入研究石材鋸切機理和金剛石切割工具的磨損機理對于金剛石切割工具的合理制造與正確使用具有重要意義。長期以來，國內(nèi)外專家學者對金剛石工具鋸切花崗巖的加工機理、金剛石工具的磨損機理，以及鋸切加工過程中的鋸切力做了大量試驗和研究，取得了令人矚目的成果，對石材鋸切加工及金剛石工具的研究開發(fā)起到了積極的推動作用。

目前，國內(nèi)外金剛石工具的發(fā)展具有以下一些特點：為生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)鋸片，開發(fā)鋸片級專用金剛石；更加重視粉末、胎體與燒結(jié)工藝的研究；更加重視石材可鋸性與鋸切機理的研究；激光焊接鋸片技術(shù)得到發(fā)展；開發(fā)超大尺寸的金剛石圓鋸片和數(shù)控金剛石工具。

二、石材加工工具的發(fā)展趨勢

1．材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的改進

金剛石工具的應用越來越廣泛，今后金剛石工具的發(fā)展方向就是提高效率、提高工具壽命、降低生產(chǎn)成本，此外，還要做到環(huán)保。為了達到上述目的，就要在材料、結(jié)構(gòu)、尺寸上進行改進。

（1）從材料上講，各個廠家更加重視基體、胎體配方的研究。力爭在考慮經(jīng)濟性的基礎上，做到提高工具的壽命及效率。其典型代表是復合基金剛石圓鋸片。復合基金剛石鋸片采用低溫電沉積合金胎體和金剛石鑲嵌工藝，有效地解決了胎體機械性能差及對金剛石把持力弱的問題。利用該技術(shù)工藝制備的胎體機械性能相當于用冶金方法制備的胎體，具有優(yōu)良的抗彎強度，并可根據(jù)各種石材特點調(diào)整配方組成，使其具有適宜的硬度與韌性，適合金剛石的鑲嵌固定。

（2）從結(jié)構(gòu)上講，通過改變金剛石圓鋸片的結(jié)構(gòu)達到降低噪聲和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)，在基體上用激光加工特定溝槽，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。金剛石低噪聲鋸片在基體上用激光加工環(huán)槽，環(huán)槽中填入阻尼材料，刀頭設計成“三明治”形式，噪聲可從100 dB降至81～83 dB。

（3）在尺寸上，金剛石圓鋸片直徑越來越大，厚徑比越來越小。目前，國外最大的金剛石圓鋸片的直徑已達 5m。通過對鋸片進行整形、校正、應力處理、熱處理等可以獲得最佳使用效果。

2．金剛石表面金屬化研究取得顯著成效

在以 Fe、Cu、Co、Ni 等為主的結(jié)合劑制成的金剛石工具中，由于以共價結(jié)合的金剛石晶體與上述結(jié)合劑無化學親和力、界面不浸潤等原因，金剛石顆粒只能被機械地鑲嵌在結(jié)合劑基體中。在磨削力的作用下，當金剛石磨粒被磨露到最大截面之前，胎體金屬就失去了對金剛石顆粒的卡固而自行脫落，使金剛石工具的使用壽命和加工效率降低，金剛石的磨削作用得不到充分發(fā)揮。因此，如果使金剛石表面具有金屬化特征，則可以有效地提高金剛石工具的使用壽命和加工效率。金屬化的實質(zhì)，是將成鍵元素如Ti或其合金直接鍍附在金剛石表面，通過升溫加熱處理，金剛石表面形成均勻的合金鍍層。通過鍍覆處理的金剛石磨粒，在制造金剛石工具的熱壓固相燒結(jié)或冷壓液相燒結(jié)過程中，鍍層與金剛石反應形成化學結(jié)合使金剛石表面金屬化；另一方面，金屬化的金剛石表層又能順利地與金屬胎體結(jié)合劑實現(xiàn)金屬間的冶金結(jié)合，因此，鍍鈦及合金的金剛石對冷壓液相燒結(jié)及熱壓固相燒結(jié)具有廣泛的適用性。這樣就使胎體合金對金剛石磨粒的固結(jié)力提高了，減少了金剛石工具在使用過程中磨粒的脫落，從而提高金剛石工具的使用壽命和效率。目前用于改變金剛石表面性質(zhì)的方法主要有化學鍍、真空蒸鍍和離子鍍等。

3．應用釬焊技術(shù)制作金剛石工具

20 世紀 80 年代末，人們開始探索釬焊技術(shù)用于金剛石工具制作。采用在金剛石表面鍍覆某些過渡族元素（如Ti、Cr、W等），并與其發(fā)生化學反應在表面形成碳化物。通過這層碳化物的作用，金剛石、結(jié)合劑、基體三者就能通過釬焊實現(xiàn)牢固的化學冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)真正的金剛石表面金屬化，這就是金剛石釬焊的原理。釬焊技術(shù)可實現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑（釬焊合金材料）和金屬基體界面化學冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強度。由于界面上的結(jié)合強度高，所以僅需要很小的結(jié)合劑厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可達 70%～80%，使磨料的利用更加充分，大大提高了工具的壽命和加工效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，金剛石工具的允許最大出刃值可增加 50%以上，在工具的功耗不增甚至有所降低的條件下，單位體積上工件材料的金剛石耗量減少一半以上。與電鍍工具相比，釬焊技術(shù)也顯示了無可比擬的優(yōu)勢。釬焊技術(shù)在金剛石工具制作過程中有很好的發(fā)展前景。

4．納米材料和技術(shù)

粉末粒度越細，表面積越大，表面能越高，燒結(jié)過程越容易進行，機械性能也越高。采用納米技術(shù)把納米級材料制作納米級尺度的工具。由于納米材料的顆粒極其微小，比表面積劇增，表面活性很強。納米技術(shù)引用到金剛石工具制造中將對石材加工發(fā)揮更大作用。

5．激光焊

金剛石鋸片的本質(zhì)是基體通過適當胎體材料將金剛石嵌鑲固定。它是在鋼的基體上焊接一種由金剛石顆粒與胎體材料組成的復合燒結(jié)體，通常稱為刀頭。目前，國內(nèi)采用的連接方法主要是釬焊和冷壓燒結(jié)。冷壓燒結(jié)主要用于小鋸片，而釬焊鋸片的基體與刀頭結(jié)合面靠釬料熔化滲透連接，抗彎強度低，其彎曲強度僅為350～600 MPa，承載能力差，特別是干切時，鋸片由于受熱，表面溫度達到釬料熔化點，導致刀頭脫落，容易引發(fā)事故。所以，國外從20世紀80年代后期就發(fā)展激光焊代替釬焊。激光焊與釬焊比較，有許多顯著優(yōu)點，由于激光受熱面積小，熱影響區(qū)小，大大減少了應力和基體的變形；激光焊對金剛石沒有影響，保證了產(chǎn)品的最佳性能，特別是激光焊屬于熔化焊，結(jié)合強度高，其彎曲強度達1 800 MPa，可應用于干切場合。