第一章 概论

第一节 石材加工工具的现状和发展趋势

一、石材加工工具的现状

石材是具有高硬度、高脆性特点的材料。随着科学技术和现代工业的发展，石材的应用领域日益扩展，石材开采量逐年增加，如图1-1所示。我国石材行业经过近20年的高速发展，一跃成为在石材产量、消费量、贸易量均位于世界首位的石材工业大国。2008年石材产量达2.23亿平方千米，比2007年同比增加了27%。2005年以来，石材的产量以稳定的速度增长，其产品、工艺、设备技术含量极大提高，大中型石材企业不断涌现，行业呈现强劲的发展势头，中国已成为名副其实的世界石材加工厂，发展趋势和前景看好。近年来中国作为石材开采和加工的领头国，生产240个品种的花岗石，石材总产量约占世界的65%。

图1-1 2005～2008年的石材产量

在石材加工中，石材工具占有重要地位。石材加工主要包括石材锯割、石材磨削和石材抛光。石材加工工具主要采用金刚石磨料和陶瓷磨料。在加工中，锯切加工是机械加工的第一道工序，锯切加工成本占整个加工成本的 50%以上。目前，石材等硬脆材料的切割加工主要采用各种金刚石切割工具。由于金刚石是自然界已知的最硬物质，其优异性能决定其在石材等硬脆材料切割加工领域具有广阔的发展前景。应用金刚石工具锯切硬脆材料的加工方式主要有圆锯片切割、金刚石带锯切割、金刚石框架锯切割、金刚石串珠绳锯切割等。尽管每种方法有不同的特点和应用范围，但其切割机理和金刚石磨损机理却大致相同。由于切割石材是金刚石切割工具最主要的用途，因此，深入研究石材锯切机理和金刚石切割工具的磨损机理对于金刚石切割工具的合理制造与正确使用具有重要意义。长期以来，国内外专家学者对金刚石工具锯切花岗岩的加工机理、金刚石工具的磨损机理，以及锯切加工过程中的锯切力做了大量试验和研究，取得了令人瞩目的成果，对石材锯切加工及金刚石工具的研究开发起到了积极的推动作用。

目前，国内外金刚石工具的发展具有以下一些特点：为生产高效优质锯片，开发锯片级专用金刚石；更加重视粉末、胎体与烧结工艺的研究；更加重视石材可锯性与锯切机理的研究；激光焊接锯片技术得到发展；开发超大尺寸的金刚石圆锯片和数控金刚石工具。

二、石材加工工具的发展趋势

1．材料、结构和尺寸的改进

金刚石工具的应用越来越广泛，今后金刚石工具的发展方向就是提高效率、提高工具寿命、降低生产成本，此外，还要做到环保。为了达到上述目的，就要在材料、结构、尺寸上进行改进。

（1）从材料上讲，各个厂家更加重视基体、胎体配方的研究。力争在考虑经济性的基础上，做到提高工具的寿命及效率。其典型代表是复合基金刚石圆锯片。复合基金刚石锯片采用低温电沉积合金胎体和金刚石镶嵌工艺，有效地解决了胎体机械性能差及对金刚石把持力弱的问题。利用该技术工艺制备的胎体机械性能相当于用冶金方法制备的胎体，具有优良的抗弯强度，并可根据各种石材特点调整配方组成，使其具有适宜的硬度与韧性，适合金刚石的镶嵌固定。

（2）从结构上讲，通过改变金刚石圆锯片的结构达到降低噪声和提高加工精度的目的。目前，研制开发低噪声锯片大致遵循两条途径：一是改变基体结构，在基体上用激光加工特定沟槽，在沟槽中填入阻尼材料；二是将基体分成 3 层组合而成，中间层采用阻尼材料。金刚石低噪声锯片在基体上用激光加工环槽，环槽中填入阻尼材料，刀头设计成“三明治”形式，噪声可从100 dB降至81～83 dB。

（3）在尺寸上，金刚石圆锯片直径越来越大，厚径比越来越小。目前，国外最大的金刚石圆锯片的直径已达 5m。通过对锯片进行整形、校正、应力处理、热处理等可以获得最佳使用效果。

2．金刚石表面金属化研究取得显著成效

在以 Fe、Cu、Co、Ni 等为主的结合剂制成的金刚石工具中，由于以共价结合的金刚石晶体与上述结合剂无化学亲和力、界面不浸润等原因，金刚石颗粒只能被机械地镶嵌在结合剂基体中。在磨削力的作用下，当金刚石磨粒被磨露到最大截面之前，胎体金属就失去了对金刚石颗粒的卡固而自行脱落，使金刚石工具的使用寿命和加工效率降低，金刚石的磨削作用得不到充分发挥。因此，如果使金刚石表面具有金属化特征，则可以有效地提高金刚石工具的使用寿命和加工效率。金属化的实质，是将成键元素如Ti或其合金直接镀附在金刚石表面，通过升温加热处理，金刚石表面形成均匀的合金镀层。通过镀覆处理的金刚石磨粒，在制造金刚石工具的热压固相烧结或冷压液相烧结过程中，镀层与金刚石反应形成化学结合使金刚石表面金属化；另一方面，金属化的金刚石表层又能顺利地与金属胎体结合剂实现金属间的冶金结合，因此，镀钛及合金的金刚石对冷压液相烧结及热压固相烧结具有广泛的适用性。这样就使胎体合金对金刚石磨粒的固结力提高了，减少了金刚石工具在使用过程中磨粒的脱落，从而提高金刚石工具的使用寿命和效率。目前用于改变金刚石表面性质的方法主要有化学镀、真空蒸镀和离子镀等。

3．应用钎焊技术制作金刚石工具

20 世纪 80 年代末，人们开始探索钎焊技术用于金刚石工具制作。采用在金刚石表面镀覆某些过渡族元素（如Ti、Cr、W等），并与其发生化学反应在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是金刚石钎焊的原理。钎焊技术可实现金刚石、结合剂（钎焊合金材料）和金属基体界面化学冶金结合，具有较高的结合强度。由于界面上的结合强度高，所以仅需要很小的结合剂厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可达 70%～80%，使磨料的利用更加充分，大大提高了工具的寿命和加工效率。与传统技术相比，金刚石工具的允许最大出刃值可增加 50%以上，在工具的功耗不增甚至有所降低的条件下，单位体积上工件材料的金刚石耗量减少一半以上。与电镀工具相比，钎焊技术也显示了无可比拟的优势。钎焊技术在金刚石工具制作过程中有很好的发展前景。

4．纳米材料和技术

粉末粒度越细，表面积越大，表面能越高，烧结过程越容易进行，机械性能也越高。采用纳米技术把纳米级材料制作纳米级尺度的工具。由于纳米材料的颗粒极其微小，比表面积剧增，表面活性很强。纳米技术引用到金刚石工具制造中将对石材加工发挥更大作用。

5．激光焊

金刚石锯片的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在钢的基体上焊接一种由金刚石颗粒与胎体材料组成的复合烧结体，通常称为刀头。目前，国内采用的连接方法主要是钎焊和冷压烧结。冷压烧结主要用于小锯片，而钎焊锯片的基体与刀头结合面靠钎料熔化渗透连接，抗弯强度低，其弯曲强度仅为350～600 MPa，承载能力差，特别是干切时，锯片由于受热，表面温度达到钎料熔化点，导致刀头脱落，容易引发事故。所以，国外从20世纪80年代后期就发展激光焊代替钎焊。激光焊与钎焊比较，有许多显著优点，由于激光受热面积小，热影响区小，大大减少了应力和基体的变形；激光焊对金刚石没有影响，保证了产品的最佳性能，特别是激光焊属于熔化焊，结合强度高，其弯曲强度达1 800 MPa，可应用于干切场合。