金刚石锯切工具的制备及其应用 一. 前言
关于金刚石做锯切工具，首先我们要了解一下金刚石的一些主要特性，下面我简单介绍一下金刚石的特性：
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。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。碳可以在高温、高压下形成金刚石。
在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳
原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。
钻石的摩氏硬度为10；由于硬度最高，钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。钻石的密度为3.52g/cm3，折射率为2.417，色散率为0.044。然而我们今天主要介绍的是金刚石的硬度
摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。 依照摩氏硬度标准(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。 等级1 滑石 等级2 石膏 等级3 方解石 等级4 萤石 等级5 磷灰石 等级6 正长石 等级7 石英 等级8 黄玉 等级9 刚玉 等级10 钻石
把任何两种不同的矿物互相刻划，两者中必定会有一种受到损伤。有一种矿物，能够划伤其他一切矿物，却没有一种矿物能够划伤它，这就是金刚石。
金刚石为什么会有如此大的硬度呢？
直到18世纪后半叶，科学家才搞清楚了构成金刚石的“材料”。如前所述，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，即一种由氧和碳结合在一起的物质。这里的碳就来源于金刚石。终于，这些实验证明了组成金刚石的材料是碳。
知道了金刚石的成分是碳，仍然不能解释金刚石为什么有那样大的硬度。例如，制造铅笔芯的材料是石墨，成分也是碳，然而石墨却是一种比人的指甲还要软的矿物。金刚石和石墨这两种矿物为什么会如此不同？
这个问题，是在1913年才由英国的物理学家威廉·布拉格和他的儿子做出回答。布拉格父子用X射线观察金刚石，研究金刚石晶体内原子的排列方式。他们发现，在金刚石晶体内部，每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构。这是一种在其他矿物中都未曾见到过的特殊结构。而且，这种致密的结构，使得金刚石的密度为每立方厘米约3.5克，大约是石墨密度的1.5倍。正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。换句话说，金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物。
金刚石锯片的特性的简单介绍
金刚石锯片是一种切割工具,广泛应用于石材,陶瓷等硬脆材料的加工.金刚石锯片主要由两部分组成;基体与刀头.基体是粘结刀头的主要支撑部分,而刀头则是在使用过程中起切割的部分,刀头会在使用中而不断地消耗掉,而基体则不会,刀头之所以能起切割的作用是因为其中含有金刚石,金刚石作为目前最硬的物质,它在刀头中摩擦切割被加工对象.而金刚石颗粒则由金属包裹在刀头内部。
金刚石锯片的从制造工艺上大致可以三类，而从外观上大致也可以分为三类，分别是 制造工艺
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：分高频焊接和激光焊接两种，高频焊接通过高温熔化介质将刀头与基体焊接在一起，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、电镀金刚石锯片：是将刀头粉末通过电镀方法附着在基体上。 外观
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。
不同的材料的锯切当然也需要不同类型不同大小的锯片来完成。 锯切参数大致有以下 锯切参数 锯片线速度：
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。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。
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，从目前技术来说，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。 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。 金刚石粒度
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。 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。但增加深度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随铖切率增大而增大。 刀头结合剂的硬度
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。 力效应、温度效应及磨破损
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捐损。
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在两个方面：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奕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弯化。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。而这两者都取决于铖切工艺和冷却润滑条件。
金刚石锯片的研究原因和现状
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。金刚石圆锯片广泛用于切割天然花岗石。不同的花岗石，其物理性能、力学性能有很大的差别，锯片的受力和磨损情况也有很大的不同。锯片使用寿命也不同。但是金刚石锯片相对于其他材质的锯片其寿命显得就很长了，并且金刚石锯片的兼有金刚石的硬度和硬质合金的强韧性，加上极低的摩擦系数、高导热性和良好的化学稳定性， 以及低的制造成本，使得其应用也变的越来越普遍。
目前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，目前金刚石涂层硬质合金刀具的工业化生产中的质量控制和产品质量一致性问题尚未得到较好的解决， 以及其他一些技术和市场方面的原因， 目前市场规模还不理想。 二. 生产和研究
目前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。目前用于沉积金刚石的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。目前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。目前常用的镀钛方法有：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。
锯齿的制造工艺可以分为一下几类：
1.热压法 周边连续外圆锯片多用此法，它是直接将外圆的切削层压制在基体上的。 2.电渡法 常用于内圆切割锯片、薄的外圆切割锯片、绳锯的串珠、丝锯等的制造。 3.滚压法 金刚石粉镶嵌于软钢基体周边的缝内。
4.压制（镶齿）锯片 金刚石切削齿位于基体外圆的缝中，是直接把金刚石的结合剂（金属）混合后借助模具压制的，也可以先压成齿，再镶入缝中，锯片外形„„如图„„
5.热压——焊接法 金刚石锯齿用热压法工艺制成，再焊接于钢基体上，该法是锯片的最主要的方法，它可以制造直径达3500mm的圆锯，长度达6000mm的排锯，长度达9700mm的带锯。
6.冷压烧结法 金刚石切削层采取冷压成型后烧结制成的锯片。
7.挤压法 它和滚压法相类似，只是滚压法是沿直径向施力，挤压法是沿平面施力，挤压锯片见图„„„„如图„„„„ 下面详细的介绍金刚石锯齿的制造工艺: A.锯齿制造之热压工艺 1.工艺流程图
金刚石→ 品级检查→称量 湿润剂
金属粉→还原→称量→混合→称量→混合 石墨模准备 ↓ ↓
钢模准备→装模→预压→装模→热压→冷却→卸模→检查→磨弧
→交焊接工序 2.
