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一文打基础,金世博全面了解金刚石工具

作者:石家庄金世博工具有限公司    来源:石家庄金世博工具有限公司    发布时间:2018-01-23    浏览量:756

【材料+】说:

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金刚石工具是指以人造金刚石为切 磨材料,借助于结合剂或其它辅助材 料制成的具有一定形状,用于加工石 材、陶瓷、玻璃、混凝土等非金属硬 脆材料的系列工具。

1.金刚石

金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石,它 是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物 质,因此也就具有了许多重要的工业用途,如精细研磨材 料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。金刚石还被作为 很多精密仪器的部件。

1.1金刚石的成份 :

早在公元1世纪的文献中就有了关于金刚石的记载,然而,在其后的1600多年中,人们始终不知道金刚石的成分是什么。 直到18世纪的70至90年代,才有法国化学 家拉瓦锡(1743~1794)等人进行的在氧气中燃烧金刚石的实验,结果发现得到的是二氧化碳气体 。证明了组成金刚石的材料是碳。


1.2金刚石和石墨的区别

石墨和金刚石都属于碳单质,但金刚石和石墨不是同种物质,它们是由相同元素构成的同素 异型体. 所不同的是物理结构特征。二者的化学式都是c ,石墨原子间构成正六边形是平面结构,呈片状。金刚石原子间是立体的正四面体结构,呈金字塔形结构。正是这种致密的结构,使得金 刚石具有最大的硬度?;痪浠八?,金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。


1.3金刚石的硬度

金刚石的硬度一般用莫氏硬度来表示,其硬度值为10 。显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比 石英高1000倍,比刚玉高150倍。 依照莫氏硬度标准(Mohs hardness scale)共 分10级,钻石(金刚石)为最高级第10级;如小刀 其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、 玻璃硬度为6。


1.4工业金刚石

金刚石由其生成方式分为天然金刚石和人工合成金刚石,用于金刚石工具制作的一般是人工合成金刚石。也称作工业金刚石。其密度为3.52g/cm3, 其质量单位一般情况用“克拉”表示,1克拉=0.2克。 人造金刚石的粒度(颗粒大小)一般用 “目”表示 。人造金刚石常见粒度为25/30、 30/40、40/45、45/50、50/60、60/70… 


2、粉料

金刚石工具的原材料,除金刚石之外, 其它主要为粉末,这些粉末可以是金属、非金属,也可以是合金、化合物。金刚石工具采用的粉末,不仅仅对化学成分有一 定的要求,而且对粉末颗粒的大小、形状、松装比重、压制性、烧结性等也有不同的要求,这取决于金刚石工具的用途、品种、生产工艺等因素。


常见的金属粉料及特点

(a) 铜粉:电解法制取,颗粒形态为树枝状,玫瑰红色, 氧化后颜色发暗,严重时变成黑色粉末。 作为结合剂材料,铜粉的主要优点有:电解铜粉成型性好, 广泛用于冷压成型后烧结;纯铜对碳化物和骨架材料的相 容性很好,如W、WC;铜可与Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成 性能优异的合金,价格远低于钴粉。

(b)铁粉:有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉,顾名思 义还原铁粉用还原法制取 ,电解铁粉电解法制取,羰基 铁粉通过热离解羰基化合物制取。作为结合剂材料,铁粉 的优点有:价格低,与金刚石有好的润湿性;与骨架材料 (WC)的相容性很好;一定温度烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度,反而会提高金刚石在胎体中的把持力??淌醋饔檬抵适墙鸶帐械奶荚尤苋胩胁⑾蚱渲欣┥⒌墓?,金刚石未发生结构及强度变化。

(c) 钴粉:不规则海绵状,还原法制取,作为粘结剂,其综合性能最好。是一种优异的粘结剂材料,国外发达国家用的较多,其主要优点有:优良的成型性和可烧结性;可使胎体的抗弯强度提高;和金刚石的粘结力大,润湿性好;胎体的韧性好、自锐性好。由于价格昂贵,国内以铁代钴的研究很多,选择合适的粉末、合理的烧结工艺可获得钴基粘结剂相似的性能。钴的缺点是:价格昂贵;松装密度太小,易造成投料困难。另外使压制磨具设计宽度和高度变大,手装料热压模具高度加大,从而使模具成本提高。

(d) 镍粉:不规则树枝状,电解法制取。优点:适于制作 重载荷下作用的工具,具有出色的强韧性;可以减少铁铜 基胎体的烧结损失(铜镍无限互溶);镍与铁、钴搭配可 以得到另人满意的综合性能,如小的变形和适度耐磨性。 接近或达到钴基胎体的性能。

(e) 锡粉:颗粒呈滴状,灰白色粉末,易氧化,氧化后 呈黄色,雾化法制取。锡粉在粘结剂中的作用是:改善胎 体的可烧结性(降低熔点);易形成金属间化合物,可以 改善磨损性能和变形性;适宜添加到压制成型胎体中,烧 结熔化后的毛细现象使胎体收缩,从而增加胎体的致密性; 降低液态合金的表面张力,改善合金对金刚石的润湿性。 其缺点是:加入量太多,易造成流失。

(f) 钨粉:青黑色,微米级粉末,还原法制取,钨与铜、 铁、钴、镍都有较好的相容性;烧结时在金刚石表面生成 WC,但金刚石表面不发生石墨化;增加胎体的耐磨性,减 少变形;作为骨架材料,耐磨性不如WC,但可使胎体的韧 性增加。不足是烧结坯的空隙度较大,要提高烧结的密度 必须提高温度和压力

(g)碳化钨: 黑色,无机械夹杂物,多孔海绵状,还原 法制取。须化验杂质硫含量,硫易导致烧结断面发黑(烧 结时生成硫化物),大大降低刀头的强度。钨和碳化钨主要作为骨架材料加入胎体中,以提高胎体的耐磨性,含量过高易使胎体的脆性加大。


3.金刚石工具


金刚石工具是金刚石颗粒与金属、树脂等 结合剂混合按一定工艺而成的一种特殊的复合 材料。由于建材工业的发展,对金刚石工具的 使用也越来越广泛,这也使对工具的生产从经 济和性能上都有很高的要求。而提高金刚石工 具性能的关键是制品的耐磨,同时保持锋利性。


3.1金刚石工具的结构:

金刚石+金属粉末=刀头(主要技术)

刀头+基体(刚体)=金刚石锯片(钻头、 磨盘)

3.2金刚石工具的分类

按用途划分:钻头类锯片类 磨削类 即“钻、切、 磨”工具。

按制作工艺划分:烧结类 焊接类 电镀制品等 按结合剂划分 金属结合剂 树脂结合剂 陶瓷结合剂等


3.3金刚石工具的浓度概念定义

金刚石在胎体中体积比为25%时浓度为100%。浓度是金刚石工具的重要特性之一,对工具的效率、寿命和加工效果有很大的影响。一般金刚石浓度高,则单位工作层面积上的金刚石颗粒数就多,每个磨粒的受力就小,切入工件的深度小,金刚石不易破碎和脱落,反而容易被磨平和抛光,宏观表现为效率低、寿命长;金刚石浓度低,每个磨粒有更大的切入压力,切入深,金刚石易破碎和脱落,工具表现为效率高、寿命低。

通常,锯切工具的金刚石浓度多选在10%~45%;钻探工具、烧结金属结合剂金刚石磨具多选50%~125%浓度; 树脂金刚石磨具的浓度多选50%~100%;陶瓷金刚石磨具 多选75%~150%浓度;电镀金刚石工具用200%的浓度。


3.4金刚石工具的原材料

基体:金属结合剂金刚石工具基体主要是钢基体为主,常 用材质为45号钢、65Mn、28CrMo、16Mn等。

金刚石磨料:在“金刚石简介”中已经介绍,不再赘述。

金属粉末 :烧结金属结合剂制品中常用元素主要有:Fe Ni Cu Mn Sn Zn AI Co Cr W Ti Ce La Si B等。


3.5金刚石制品常用金属基结合剂的种类

铜基结合剂:以铜或青铜为主要结合剂元素,添加Ni、Mn、Co、Fe等 中的一种或几种。

钴基结合剂:钴由于它对金刚石有好湿润性在金刚石工具制造中,尤其是刀头要求重负荷高效率切割时,具有不可取代的地位。但它过高的价格正迫使人们用铁、镍逐步取代它。

铁剂结合剂:铁弹性模量中等,对金刚石也有很好的湿润性,加之低廉的价格,是结合剂发展的方向。

W基或WC基结合剂: 在国内应用不多,但是在欧美发达国家专业切割沥青马路、新鲜混凝土路面应用极为广泛。


4.金刚石工具的制作工艺



混料


主要功能是将配好的粉料进行充分的混合,保证后序压制的正常进行。目前金刚石工具行业常用的摇摆三维混料机。这种混料设备具有旋转运动、平移摆动和颠倒反转三种运动方式,粉料的运动轨迹呈三维立体状态,可以使粉料在较短的时间内混合均匀,且可以细化颗粒。

制粒

(1)粉末的流动性得到提高与改善。

(2)减少粉末与金刚石的偏析与聚集,使金刚石 分布更为均匀,改善了制品的性能。

(3)降低了冷压模具的损耗,由于粉末流动性好, 金刚石均被粉末包裹,分布更为均匀,故冷压模 具损耗降低,模具寿命提高50%以上。

(4)提高了生产效率,为实现冷压自动化生产创 造了条件。


冷压


主要功能是通过模具配合实现产品(刀头) 毛坯的压制成型,分手动冷压和自动冷压两种。


烧结


烧结设备主要是电阻炉和热压机,主要完成金刚石工具或刀头的烧结致密化工作。

影响烧结的因素有三个:烧结温度、保温时间、保温压力。

烧结温度和保温时间主要取决与胎体材料的组成成分,以使胎体合金很好的熔合、充分合金化为目的。烧结温度和保温时间应该适宜,过高的烧结温度和过长的保温时间会使金刚石受到热损害,胎体硬度增加,磨损性降低,低熔点元素大量流失,从而影响锯片的切割性能。烧结温度过低和保温时 间过短会使各合金之间得不到充分的熔合,造成组织疏松、硬度降低,从而使锯片的寿命降低。

保温时若压力过低则会造成金刚石烧结体烧不到位;若压力过高会增加磨具的损耗,且可能会使胎体材料流失。


焊接


焊接式金刚石圆锯片是通过焊接的方式将节块和基体 连接到一起的。目前常用的焊接形式有两种,一是高频焊 接,另一种是激光焊接。


后处理


后处理设备主要包括抛光机、开刃机、应力 调整机、喷漆线等设备。这些设备主要工作是完成成品前的开刃、满足产品设计的应力要求、美观要求等。


5.金刚石工具的工作原理

在一定的压力、一定的速度下,靠刀头上的金刚石磨掉被加工材料。而在此过程在中,金刚石也要磨损、破碎、脱落,但同时被加工材料会将镶裹金刚石的胎体也磨掉,从而露出后面的金刚石继续工作,一直下去,就完成了加工工作。


6.金刚石工具的正确使用


合理选用金刚石工具,对提高工作效率,降低加工成本具有重要意义。下面以金刚石锯片为例简要介绍部分内容:(四个因素)

6.1要考虑适用对象的因素:

根据不同加工对象选择通用型、石材专用、混凝土专用、瓷砖专用等锯片。


6.2要考虑性能匹配的因素:

针对硬度较高、研磨性较差的切割材料要选用锋利度好、寿命适中的锯片,以保证其切割效率;针对硬度较低、研磨性高的材料要选用长寿命、锋利度适中的锯片, 有利降低切割成本。


6.3要考虑几何尺寸的影响因素:

要根据切割材料的规格和质量要求选定锯片的尺寸及类型。例如圆锯片的直径一般应大于被切工件的三倍。同时根据加工精度要求选定锯片结构形式,即要求锯切表面光滑或加工较薄、易碎的材料时,应选用窄槽型或连续齿锯片,反之, 锯切表面要求不高或较厚的材料,可选用宽槽型锯片。


6.4要考虑使用设备的影响因素:

设备功率较大可选用耐磨型锯片保证其寿命, 设备功率较小选择锋利型产品以保证其切割效率。 对有偏摆或精度较差的切割机最好选用耐磨型锯片,对于较新的精度好的切割机,可选用快速锋利型锯片。


7. 金刚石工具配方设计概述


金刚石工具的配方是指粉末压制层的配方,包括含金刚石层配方和过渡层配方。

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