粉末冶金剛石工具各種制造方法的評述

　　金剛石工具粉冶金剛石工具各種制造方法的評述

　　1、工具的組成與配方

　　對于每一種特定的應(yīng)用條件，若要求達到所需要的工具壽命與鋸切性能，則必須精心選擇制造工具所用金屬胎體的化學(xué)組分、粒度尺寸、形狀與壓制特性，以及所用金剛石的粒度、形狀、強度和熱穩(wěn)定性等。大多數(shù)通用胎體由鉆、鐵、銅、錫、鎢和碳化鎢組成。除采用浸漬工藝方法制造的礦用鉆頭外，采用熱壓和冷壓/燒結(jié)工藝方法時，多使用很細的金屬金剛石工具粉。

　　關(guān)于金剛石磨料，其型號、粒度、濃度是*主要的因素。如圖1所示，天然金剛石與人造金剛石*主要的區(qū)別是夾雜的分布與晶體的形狀。天然金剛石具有較低的韌性，但具有非常良好的粘結(jié)性能。這是由于天然金剛石具有很多凹穴的表面。這使其非常適用于某些應(yīng)用條件，如用于鋸切沉積巖和變質(zhì)巖的框架。

　　使用人造金剛石的*大優(yōu)點是它實際上可設(shè)計與制造出可滿足任何應(yīng)用的需求。在金剛石合成中采用鉆基或鎳基合金作為溶媒可獲得不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體特性。鉆基觸媒金剛石的特點是晶體內(nèi)的金屬夾雜按順序排列，故它易于不規(guī)則地破壞，這使其工具切割鋒利。而鎳基觸媒金剛石，其夾雜在整個晶體中是均勻分布的，則使金剛石在較高溫度下加工后能保持較高的韌性。

　　金剛石的晶體形狀將對其破碎特性有影響。完整的六一八面體晶形和平滑的晶面使金剛石具有良好的韌性，因此難于固牢與把持在胎體中。使高級金剛石盡可能不脫落的*好途徑是由Ti, Cr, Si等強碳化物元素鍍覆一層薄膜。鍍覆類型、胎體配方組成和工具加工條件的適宜的組合，由于擴散浸漬型粘結(jié)劑與胎體的作用，將使金剛石牢固地把持在胎體中。鍍覆的另一個好處是防止金剛石表面的石墨化和侵蝕性胎體組分的浸蝕作用。

　　金剛石粒度與濃度的匹配將決定與影響到工具工作表面位面積的切割點的數(shù)量。金剛石的粒度及其強度和把持特性一道決定與影響到金剛石晶體的凸出狀態(tài)，并影響其胎體清掃巖屑的通道。對于高效鋸切巖石至關(guān)重要的是要有足夠空間堆積巖屑，并及時自鋸切區(qū)排除掉，同時使鋸切的金剛石晶體保持鋒利而不承受過大載荷。

　　3、胎體料與金剛石磨料的混合（混料）

　　該工序通常采用渦流型混料機完成，將金剛石、胎體金剛石工具粉、鋼鏈條、合金球或其他塊狀破碎塊加人到混料儲存罐中，約占其容積的一半左右。使其進人無序運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并到達一定的運轉(zhuǎn)時間。在混料的不同階段，向罐中加人粘結(jié)劑和潤滑劑，以便防止其偏析與聚集，并在后續(xù)的冷壓工序中減少鋼模的磨損。當(dāng)采用容積式冷壓機壓制刀頭時，則必將粉料造粒以便保證粉料的流動性與壓制特性。金剛石和胎體金剛石工具粉*終混合之前，金剛石必須達到所符合狀態(tài)或則鍍覆適合的金剛石工具粉（如鍍欽、鉻或硅等）。

　　4、冷壓

　　在生產(chǎn)工具組件中冷壓是一個任選工序，它使工具具有均勻的結(jié)構(gòu)。但在通常的冷壓/燒結(jié)工藝中，或用熱壓方法制造多層結(jié)構(gòu)刀頭時，冷壓則成為必選工序，冷壓工序是在中低壓下的鋼模中完成的。在金剛石工業(yè)中使用兩種類型的冷壓機，普通冷壓機采用金剛石工具粉傳輸機構(gòu)給料及稱重裝置向模具配給粉料。*新設(shè)計的是容積式給料原理，稱重式冷壓機在生產(chǎn)小量刀頭時靈活機動性較高，投資成本較低；由于產(chǎn)量高對于大批量生產(chǎn)刀頭，容積式冷壓機是優(yōu)選設(shè)備，它壽命長，壓制消耗成本低。

　　5、熱壓

　　熱壓通常采用直接式電阻加熱設(shè)備或石墨模具來完成。現(xiàn)在通常采用通人保持氣氛的爐腔中進行熱壓，模具在氮氣中加熱以提高其使用壽命。

　　電阻加熱的原理從制造部件尺寸和幾何形狀方面來說它有其局限性。經(jīng)驗表明，生產(chǎn)連續(xù)周邊鋸片（濕切片）和某些磨輪，由于其尺寸大，生產(chǎn)效率低，時間長，能耗大。此外，要使模具斷面具有均勻的溫度分布方面有難度。因此，在這方面應(yīng)用中更為受歡迎的設(shè)備是熱壓爐，爐中的金剛石孕鑲圓形鋸片在鋼模中在輻射和對流加熱條件下密實固結(jié)在鋼基體上。該爐可由兩個分置的部件組成以成予熱/排氣除臘和*終固化燒結(jié)。典型的熱壓爐可同時處理和放置很多鋼模，在一個模具上部依次堆放多片模具，在惰性氣氛中加熱不到一小時，與電阻加熱設(shè)備相比較，其能量消耗僅為其幾分之一。

　　去毛刺

　　緊接著熱壓工序，刀頭需要清理干凈，去 除刃端與邊緣多余毛刺。該工序通常采用放有普通磨料的滾筒不斷將刀頭翻滾來完成。

　　6、燒結(jié)

　　礦山、地質(zhì)、石油表鑲鉆頭在制造金剛石孕鑲工具中，由于受到胎體配方，機械強度和*終產(chǎn)品幾何尺寸精度的控制與約束，無壓燒結(jié)的應(yīng)用，而受到限制。普通的冷壓/燒結(jié)方法在繩鋸串珠的生產(chǎn)中獲得應(yīng)用，與熱壓燒結(jié)相反，采用爐型燒結(jié)由于其節(jié)約成本和具有很高的生產(chǎn)效率而超過與克服了該工藝的缺點與短處。

　　7、質(zhì)量控制

　　金剛石孕鑲工具元件的質(zhì)量控制通常僅限于使用HRB級的洛氏硬度檢測。嚴(yán)格的固結(jié)的胎體—金剛石混合物所獲得的硬度范圍較窄。不完全致密的材料其韌性不夠，結(jié)果導(dǎo)致很快的磨損，對金剛石的把持也不牢固。假如對硬度檢測結(jié)界有任何懷凝，則必須檢測產(chǎn)品的*終密度。

　　8、拋光精制工序

　　壓制燒結(jié)好的工具元件必須固定在鋼制基體上。繩鋸串珠機械地固緊在鋼繩上，然后進行注塑或注橡膠以防止鋼繩透水，并防止磨蝕性泥漿的磨蝕。磨削與鋸切刀頭要進行高頻焊接或激光焊接，在制造濕切鋸片、薄壁鉆和磨削工具時廣泛使用高頻焊接，并可再從基體上拆焊下來。而激光焊接多用于生產(chǎn)干切用小直徑鋸片，沒有刀頭脫落的危險。鋸片、鋼制基體需要進一步的滾壓或錘擊處理以消除作用于工具上的應(yīng)力。

　　9、浸演法

　　浸漬法工藝*理想地適用于生產(chǎn)地層鉆進的表鑲金剛石鉆頭，聚晶金剛石復(fù)合片（（PCD）鉆頭和混合式鉆頭。根據(jù)鉆頭類型，金剛石的粗細和PCD的長方塊和各種排水元件的不同，首先在模具中配置好預(yù)先機加工好的鉆頭座套，并牢固地用膠將其固牢，以防后續(xù)加工工序使其移動與錯位。并將管形鋼胚安置好，用適當(dāng)?shù)墓潭ㄑb置將其固定，然后將胎體成形金剛石工具粉，或與金剛石混好的混合料裝填，并采用搗固或振動的方法將其壓固好。為易于裝模，可使用有液體碳氫化合物的金剛石工具粉。

　　當(dāng)模具已裝好，預(yù)先計算好的適用的浸潰合金，以粗的粒狀，球狀或切削的塊狀料的形式，將其設(shè)置靠近胎體金剛石工具粉處。然后將整個模具裝好，置于加熱爐內(nèi)，并升溫加熱，浸漬合金將熔化，由于毛細管作用而向下浸漬至胎體金剛石工具粉內(nèi)，并粘結(jié)好鋼制管體，整個工藝過程在還原氣氛中，真空或則當(dāng)采用適合的熔劑時可在空氣中完成浸漬過程。

　　完成浸漬工藝后，將鉆頭從石墨模具中取出，并進行視力檢驗，以保證金剛石的正確鑲嵌設(shè)定與凸出高度。采用非破壞性技術(shù)，如射線照相檢查與發(fā)現(xiàn)熱裂紋和鉆頭冠部的斷裂處。

　　10、當(dāng)今的趨勢與發(fā)展

　　直至19世紀(jì)90年代金剛石工具工業(yè)主要面臨著金剛石的高成本和熱壓制品，用于大多數(shù)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的鉆基胎體金剛石工具粉的價格一直保持在令人滿意，可接受的水平。鉆價的急驟上升促使人們尋求更廉價的胎體金剛石工具粉。現(xiàn)今金剛石供方價格的顯著下調(diào)以及勞動力低廉*的激烈競爭將進一步保持這種趨勢，促使工業(yè)前沿不斷快速創(chuàng)新，并開拓非商業(yè)產(chǎn)品的可贏利市場。

　　實施過程中大部分努力用于尋求新的刀頭配方和金剛石分布模式（見圖3）。以便極大地改善工具性能，并降低加工成本。至今已有三種系列的鐵基和銅基預(yù)合金金剛石工具粉研制出來，并以Cobalite（Umicore）， Next和Keen （EP）商標(biāo)品牌投人市場。這些細的彌散型金剛石工具粉采用*技術(shù)加工而成，它的完善與改進使材料的良好壓制性能與現(xiàn)場使用性能都相似于鉆粉。

　　同時開發(fā)的是金剛石鍍覆技術(shù)，現(xiàn)在工具制造商更可自由地使用各種鍍覆磨料，它被設(shè)計適用于廣泛的應(yīng)用范圍和工具加工條件。現(xiàn)今市場可提供的產(chǎn)品包括鍍欽、鉻和硅的金剛石磨料。可提供不同厚度、單層和雙層鍍覆產(chǎn)品，使磨料有較寬的質(zhì)量范圍。

　　使用鍍覆金剛石的直接好處是降低功率消耗，延長工具壽命，但是在工具中均勻分布金剛石晶體可獲得更為顯著的效益，加工鋸片刀頭技術(shù)上突破是金剛石可等距和按規(guī)則方式排列。但金剛石排布工序還處于商業(yè)保密階段，同時該工藝也還不能大規(guī)模實施與完成。