金刚石锯片

寿命和锋利度

当金刚石浓度由低到高变化时，锯片锋利性和锯切效率逐渐下降，而使寿命逐渐延长，但是浓度过高，锯片会变钝。而采用低浓度，效率则提高。因此，在金刚石锯片的制造过程，要根据不同的切割对象以及使用的机器，合理控制金刚石浓度，从而使金刚石在使用过程得到充分利用。

1、烧结金刚石锯片：分冷压烧结和热压烧结两种，压制烧结而成。

2、焊接金刚石锯片：分钎焊和激光焊两种，钎焊是通过高温熔化介质将刀头与基体焊接在一起，如高频感应钎焊锯片、真空钎焊锯片等；激光焊接通过高温激光束将刀头与基体接触边缘熔化形成冶金结合。

3、电镀（钎焊）金刚石锯片：是将刀头粉末通过电镀方法附着在基体上。2012年开始，国家逐步在取消电镀金刚石产品制作，主要是因为污染相当严重。

金刚石锯片锯片速度：

在实际工作中，金刚石圆锯片的线速度受到设备条件、锯片质量和被锯切石才性质的限制。从最佳锯片使用寿命与锯切效率来说，应根据不同石材的性质选择锯片的线速度。锯切花岗石时，锯片线速度可在25m～35m/s范围内选定。对于石英含量高而难于锯切的花岗石，锯片线速度取下限值为宜。在生产花岗石面砖时，使用的金刚石圆锯片直径较小，线速度可以达到35m/s。

金刚石锯片锯切深度

锯切深度是涉及金刚石磨耗、有效锯切、锯片受力情况和被锯切石材性质的重要参数。一般来讲，当金刚石圆锯片的线速度较高时，应选取小的切消深度，从技术来说，锯切金刚石的深度可在1mm～10mm之间选择。通常用大直径锯片锯切花岗石荒料时，锯切深度可控制在1mm～2mm之间，与此同时应降低进刀速度。当金刚石圆锯片的线速度较大时，应选取大的切削深度。但当在锯机性能和刀具强度许可范围内，应尽量取较大的切削浓度进行切削，以提高切削效率。当对加工表面有要求时，则应采用小深度切削。

金刚石锯片进刀速度

进刀速度即被锯切石材的进给速度。它的大小影响锯切率、锯片受力以及锯切区的散热情况。它的取值应根据被锯切石材的性质来选定。一般来讲，锯切较软的石材，如大理石，可适当提高进刀速度，若进刀速度过低，更有利于提高锯切率。锯切细粒结构的、比较均质的花岗石，可适当提高进刀速度，若进刀速度过低，金刚石刃容易被磨平。但锯切粗粒结构而软硬不均的花岗石时，应降低进刀速度，否则会引起锯片振动导致金刚石碎裂而降低锯切率。锯切花岗石的进刀速度一般在9m～12m/min范围内选定。

在金刚石的产业化中还存在一些关键问题函待解决，如高速大面积的金刚石厚膜沉积工艺、控制金刚石膜的晶界密度和缺陷密度、金刚石膜的低温生长，金刚石薄膜与基体结合力弱等。金刚石刀具优异的性能和广泛的发展前途吸引国内外无数的专家进行研究，有些已经取得了突破性进展，相信不久的将来金刚石刀具将广泛应用到现代加工中。

随着汽车、航空和航天技术的飞速发展，对材料性能及加工技术的要求日益提高。新型材料如碳纤维增强塑料、颗粒增强金属基复合材料（PRMMC）及陶瓷材料得到广泛应用。这些材料具有强度高、耐磨性好、热膨胀系数小等特性，这决定了对它们进行机加工时刀具的寿命非常短。开发新型耐磨且稳定的超硬切削刀具是许多高校、科研院所和企业研究的课题。 金刚石集力学、光学、热学、声学、光学等众多优异性能于一身，具有极高的硬度，摩擦系数小，导热性高，热膨胀系数和化学惰性低，是制造刀具的理想材料。本文对近年来金刚石刀具制造方法的发展作一概述。

金刚石锯片应用范围

（1）难加工有色金属材料的加工

加工铜、锌、铝等有色金属及其合金时，材料易粘附刀具，加工困难。利用金刚石摩擦系数低、与有色金属亲和力小的特点，金刚石刀具可有效防止金属与刀具发生粘结。此外，由于金刚石弹性模量大，切削时刃部变形小，对所切削的有色金属挤压变形小，可使切削过程在小变形下完成，从而可以提高加工表面质量。

（2）难加工非金属材料的加工

加工含有大量高硬度质点的难加工非金属材料，如玻璃纤维增强塑料、填硅材料、硬质碳纤维/环氧树脂复合材料时，材料的硬质点使刀具磨损严重，用硬质合金刀具难以加工，而金刚石刀具硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。

（3）超精密加工

随着现代集成技术的问世，机加工向高精度方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求。由于金刚石摩擦系数小、热膨胀系数低、导热率高，能切下极薄的切屑，切屑容易流出，与其它物质的亲和力小，不易产生积屑瘤，发热量小，导热率高，可以避免热量对刀刃和工件的影响，因此刀刃不易钝化，切削变形小，可以获得较高质量的表面。

(4)刨花板木工加工

大型木工切削作业，尤其是刨花板、密度板、抗倍特板等高致密性、高硬度难加工的板料，传统的硬质合金锯片切削性能难以满足。PCD复合金刚石锯片已经成为最硬材料的切削刀具，成为木工干切削作业刀具的佼佼者，其超硬性能以及经久耐磨是木工材料的克星，金刚石锯片，维氏硬度10000HV，耐酸性强，刃口不易钝化，加工木材一次成型质量好，耐磨度高，相比硬质合金更耐磨，针对刨花板、密度板、木地板、贴面板等切削加工连续作业时间可达300~400个小时，最高使用报废时间可以达到4000小时/片，相比硬质合金刀片而言，使用寿命更长，而且加工效率和加工精度更是达到最优质的需求。

金刚石锯片制造方法

金刚石的主要加工方法有以下四种：薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。

2.1 薄膜涂层刀具

薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的集体材料上通过化学气相沉积法（CVD）沉积金刚石薄膜制成的刀具。

由于Si3N4系陶瓷、WC-Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近，制膜时产生的热应力小，因此可作为刀体的基体材料。WC-Co系硬质合金中，粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度，在沉积前需进行预处理以消除Co的影响（一般通过酸腐蚀去Co）。

化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活，在极低的气体压强下，使碳原子在一定区域沉积下来，碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。用于沉积金刚石的CVD法主要包括：微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。

金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具，如带有切屑的刀片、端铣刀、铰刀及钻头；可以用来切削许多非金属材料，切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形，适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差，金刚石薄膜刀具不具有重磨性。

2.2 金刚石厚膜焊接刀具

金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括：大面积的金刚石膜的制备；将金刚石膜切成刀具需要的形状尺寸；金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接；金刚石厚膜刀具切削刃的研磨与抛光。（1）金刚石厚膜的制备与切割

常用的制备金刚石厚膜的工艺方法是直流等离子体射流CVD法。将金刚石沉积到WC-Co合金（表面进行镜面加工）上，在基体的冷却过程中，金刚石膜自动脱落。此方法沉积速度快（最高可达930μm/h），晶格之间结合比较紧密，但是生长表面比较粗糙。金刚石膜硬度高、耐磨、不导电决定了它的切割方法是激光切割（切割可在空气、氧气和氩气的环境中进行）。采用激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还可以切出刀具的后角，具有切缝窄、高效等优点。

（1）金刚石厚膜刀具的焊接

金刚石与一般的金属及其合金之间具有很高的界面能，致使金刚石不能被一般的低熔点合金所浸润，可焊性极差。主要通过在铜银合金焊料中添加强碳化物形成元素或通过对金刚石表面进行金属化处理来提高金刚石与金属之间的可焊性。

①活性钎料法

焊料一般用含Ti的铜银合金，不加助熔剂在惰性气体或真空中焊接。常用的钎料成分Ag=68.8wt%，Cu=26.7wt%，Ti=4.5wt%，常用的制备方法是电弧熔炼法和粉末冶金法。Ti作为活性元素在焊接过程中与C反映生成TiC，可提高金刚石与焊料的润湿性和粘结强度。加热温度一般为850℃，保温10分钟，缓冷以减小内应力。

②表面金属化后焊接

金刚石表面的金属化是通过表面处理技术在金刚石表面镀覆金属，使其表面具有金属或类金属的性能。一般是在金刚石的表面镀Ti，Ti与C反应生成TiC，TiC与Ag-Cu合金钎料有较好的润湿性和结合强度。常用的镀钛方法有：真空物理气相沉积（PVD，主要包括真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀等），化学气相镀和粉末覆盖烧结。PVD法单次镀覆量低，镀覆过程中金刚石的温度低于500℃，镀层与金刚石之间是物理附着、无化学冶金。CVD法Ti与金刚石发生化学反应形成强力冶金结合，反应温度高，损害金刚石。

（2）厚膜金刚石刀具的刃磨

金刚石厚膜刀具的加工方法有：机械磨削，热金属盘研磨，离子束、激光束和等离子体刻蚀等。

2.3 金刚石烧结体刀具

将金刚石厚膜用滚压研磨破坏的方法加工成平均粒度为32～37μm的金刚石晶粒或直接利用高温高压法制得金刚石晶粒，把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co合金上，然后用Ta箔将其隔离，在5.5GPa、1500℃条件下烧结60分钟，制成金刚石烧结体，用此烧结体制成的车刀具有很高的耐磨性。

2.4 单晶金刚石刀具

单晶金刚石刀具通常是将金刚石单晶固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上。金刚石在小刀头上的固定方法主要有：机械加固法（将金刚石底面和加压面磨平，用压板加压固定在小刀头上）；粉末冶金法（将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上）；粘结和钎焊法（使用无机粘结剂或其它粘结剂固定金刚石）。由于金刚石与基体的热膨胀系数相差悬殊，金刚石易松动，脱落。

1、连续边缘锯片：连续锯齿金刚石锯片，一般通过烧结方法制作，常用青铜结合剂作为基础胎体料，切割时须加水以保证切割效果，并有用激光将刀头切割缝隙的种类。

2、刀头型锯片：锯齿断开，切割速度快，适合干、湿两种切割方法。

3、涡轮型锯片：结合了前面1、2两项的优势，锯齿连续呈现涡轮状均匀凸凹，提高了切割速度，增加使用寿命。

不同的材料选用不同种类的金刚石锯片，不同粉类配方适合不同材质的特性，对材料产品的质量、效果、合格率乃至成本和效益造成直接的影响。

影响金刚石圆锯片效率和寿命的因素有锯切工艺参数和金刚石的粒度、浓度、结合剂硬度等。据切参数有锯片线速度、锯切浓度和进刀速度。

金刚石锯片粒度

常用的金刚石粒度在30/35～60/80范围内。岩石愈坚硬，宜选取用较细的粒度。因为在同等压力条件下，金刚石愈细愈锋利，有利于切入坚硬的岩石。另外，一般大直径的锯片要求锯切效率高，宜选取用较粗的粒度，如30/40，40/50；小直径的锯片锯切的效率低，要求岩石锯切截面光滑，宜选用较细的粒度，如50/60，60/80。

金刚石锯片刀头浓度

所谓金刚石浓度，是指金刚石在工作层胎体中分布的密度(即单位面积内所含金刚石的重量)。“规范”规定，每立方厘米工作胎体中含4.4克拉的金刚石时，其浓度为100%，含3.3克拉的金刚石时，其浓度为75%。体积浓度表示结块中金刚石所占体积的多少，并规定，当金刚石的体积占总体积的1/4时的浓度为100%。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命，因为增加浓度即减小了每粒金刚石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随锯切率增大而增大。

金刚石锯片刀头硬度

一般来说，结合剂的硬度越高，其抗磨损能力越强。因而，当锯切研磨性大的岩石时，结合剂硬度宜高；当锯切材质软的岩石时，结合剂硬度宜低；当锯切研磨性大且硬的岩石时，结合剂硬度宜适中。

金刚石锯片效应

金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。

由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。

力效应：在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯片在轴向呈波浪状，在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧，造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。

温度效应：传统理论认为：温度对锯片过程的影响主要表现于两个方面：一是导致结块中的金刚石石墨化；二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高，一般在40～120℃之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在250～700℃之间。而冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化，并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。

磨破损：由于力效应和温度较应，锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大大降低，加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎：金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。