提高我国金刚石刀具质量要从工艺入手

  调查结果显示,我国石材总产量、石材出口量和石材消耗量均达到世界首位:有石材加工企业2万多家,从业人员近500万,年产石料600万立方米,年产板材1.2亿平方米,年创产值超过800亿元,拥有先进生产线500多条,进出口总额超过12亿美元,成为名符其实的石材生产大国。

  我国也是一个陶瓷生产大国,1999年各类瓷砖总产量16亿平方米(为世界总产量的33.6%),总消耗量为13亿平方米(为世界总消耗量的30.8%)。而金刚石与金刚石工具厂家已超过1000家,1999年年产金刚石已超过7.5亿克拉,成为金刚石生产大国。金刚石锯片已能满足国内需求。有近1/3产品出口,在DIY市场形成一定竞争实力。

  我国在上述几方面虽已跨入大国行列,但还不是强国。随着全球经济一体化,我国进入WTO,如何使我国成为生产金刚石工具的强国,这是摆在我国同行面前的一项重要课题。根据我们的实践与考察,仅就提高我国金刚石工具质量的问题,提出一些看法。

  1.为金刚石工具制造提供批量生产性能稳定、粗颗粒、热稳定性好的高强度金刚石

  金刚石的品级质量、粒度和浓度对金刚石工具有决定性的作用。我国在金刚石合成方面,六面顶小吨位高强工艺已趋成熟,六面顶大吨位大腔体工艺不断完善,两面顶合成金刚石也初具规模,粉末触媒合成、碳素、叶腊石块原材料生产不断完善。因此针对我国金刚石工具制造,批量合成性能稳定、粗颗粒、热稳定性能好的高强金刚石是完全可能的。国外的金刚石公司,除推出SDA+、SDB、DSN、MBS、ISD系列外,DeBeers针对中国市场推出BKI、BK30、BK60、BK70金刚石,韩国日进公司推出六面顶合成的SDS系列金刚石,都值得我国同行借鉴。

  2.采用强碳化物形成元素,提高金刚石把持力

  提高金刚石锯片切割效率与寿命的一个关键因素是提高胎体对金刚石的把持力。胎体对金刚石有好的把持力,金刚石就不会过早脱落,并具有最大的凸出高度,切割时锋利,效率高。

  提高金刚石把持力一般有以下三种方法:

  (1)提高机械把持力。这是由于金属粉末在烧结时产生收缩,形成压缩应力把持住金刚石。压缩应力的产生是由于金刚石与胎体金属热膨胀系数不同,由于烧结时或晶体形成与长大引起体积变化所致。由于胎体屈服强度有限,故产生的压缩应力与机械把持力有限。

  (2)粉末中添加少量强碳化物形成元素如Cr、W、Mo等,由于其对金刚石润湿性与亲和力较好,烧结时在金刚石与胎体金属界面上形成碳化物,实现对金刚石的次金结合,有利于把持力的加强与提高。

  (3)金刚石表面镀覆一层强碳化物形成金属元素如Cr、Ni、Ti、W等。这是近几年来采用较多的工艺措施。为此燕山大学专门研制生产了三种型号的真空微蒸发镀钛设备。

  根据国内外的实验研究与使用表明,金刚石镀覆技术最为有效的使用条件与范围是:

  ①适用于高品级金刚石,效果更为明显;

  ②在纯钻胎体中对把持力的提高次序是:镀Cr>镀Ti>未镀覆金刚石。

  ③MBS-960Cr2镀铬金刚石适用于Co基胎体、低铁低青铜胎体和WC胎体。

  ④MBS-960Ti2镀钛金刚石适用于钻青铜基胎体,铁基胎体。

  ⑤在切割沥青、养护混凝土(GreenConcrete)和加强(钢筋)混凝土锯片中采用镀钨金刚石。

  ⑥镀镍金刚石适用于树脂结合剂砂轮,其使用效果依次为:针刺形镀镍金刚石>镀镍金刚石>未镀镍金刚石。

  ⑦镀银金刚石适用于磨削碳化钨硬质合金工具用精密树脂结合剂砂轮。因为银的价格不算十分昂贵,适于高精密磨削,其导热性能好,适用于油冷磨削硬质合金。同时银是一种很好的润滑剂,可减小砂轮与工件之间的摩擦,发热量不大。

  镀覆强碳化物形成元素Ti、Ni、W、Cr等提高金刚石把持力,主要是由于:

  ①镀覆金属可防止金刚石在一定温度、压力与烧结时间条件下的氧化、石墨化以及铁元素的热蚀性。笔者对不同金属镀覆金刚石进行TG(热重)分析,发现金刚石在800℃左右即开始失重与石墨化。而镀Ti、W、TiN等金刚石分别在900℃、925℃与940℃时才开始失重与石墨化。说明金刚石镀覆金属后有利于防止氧化与石墨化,能承受热冲击与热分解。对高温烧结胎体有明显的保护作用。

  ②镀覆强碳化物元素在烧结条件下可在金刚石与胎体界面形成碳化物合金,有利于金刚石与胎体金属的化学键合与冶金结合,大大提高胎体对金刚石的把持力,对镀钨金刚石进行X射线分析,发现在金刚石表面已形成WC相。

  ③可提高金刚石的静压强度5%~20%。

  ④金刚石镀覆金属后,可提高金刚石的摩擦力,而后者有助于增加把持力。

  3.采用超细粉末与预合金化粉末