用固体材料制作金刚石工具胎体新工艺的特点及优势

侯家祥

(厦门市凯源金刚石工具有限公司,厦门 361012)

用固体材料制作金刚石工具胎体新工艺的特点及优势

侯家祥

(厦门市凯源金刚石工具有限公司,厦门 361012)

对金刚石工具传统的制造工艺流程与其存在的弊端进行了介绍,列述了为克服传统工艺的这些弊端,国内外相关业者已经或正在探求的创新之路。文中详细介绍了我公司2014年成功开发出的一项新技术,采用“固体材料”替代传统的“粉体材料”,作为制造金刚石工具胎体基料的新工艺的特点及优势。新工艺所采用的“固体材料”,视多方面的不同要求,采用固态致密的金属、高分子材料或是其复合体。这一开发新工艺成果表明,该技术业已突破传统制造工艺的束缚,为金刚石工具实现高效、低碳、低成本的制造,开辟出一条全新之路。

金刚石工具;新工艺;胎体;粉体材料;固体材料

引言

自1955年美国GE公司研发出工业用的金刚石以来,如今全球的金刚石年产量己达160亿克拉以上,其中绝大部分用于制造金刚石制品(如切割、抛磨、钻削等工具)。此类工具的传统制作方法,系采用金属或非金属的“粉体材料”与金刚石细粒,经过配料、混合、成型、烧结及后处理等多个工序,先完成“节块”(俗称刀头)的制作,使得起切磨刃作用的金刚石,嵌镶于接近致密的“胎体”内,然后将节块焊接(或固结)于钢基体上,才构成相应的工具成品。

业已沿用半个多世纪之久的上述传统制造法,其缺点在于工序多、产率低、耗能大、成本高,而且产品质量的稳定性较难控制,也不易于实现产品质量的高端化。而先后被采用的其他制造方法,如采用“电镀法”、“浸渍法”与“热等静压烧结”等工艺以及应用“金刚石聚晶体”制成的制品,由于受到其性能适用性或是性价比的局限,均未获得比传统制造法更为广泛的应用。

为了克服传统制造工艺的局限性以及提高工具的“性价比”,相关业者都在不断地探索新的工艺方法或是革新其相应装备的效能。如文献[1]介绍,曾采用一种以“冷轧”与热压烧结相结合的方法,进行了革新工艺的有益探索;文献[2]则详述了所研发的“隧道式连续烧结加压炉”,已较大批量地替代了原有间歇式加热的钟罩炉及大电流热压机,从而为金刚石工具实现优质、高效与低碳化的大批量生产做出应有的努力。本公司从上世纪90年代初开始从事本行业产品以来,为了改革传统的工艺与装备,一直秉承“技术创新为企业生命线”的经营理念,从不间断进行相应的技术创新工作。尤其是在前几年已取得革新成果[3]的基础上,更进一步加大投入,终于在2014年又成功开发出“采用固体材料制造金刚石工具胎体的新工艺”,通过不同产品的中小批量实际使用的考核,业已获得了较为显著的综合效果。现通过本文作以下综合介绍。

图1 新旧制造工艺流程的比较Fig.1 Contrast of the manufacturing process flow between the new and the old

1 用固体材料制作金刚石工具胎体新工艺简介

采用固体材料制作金刚石工具胎体新工艺与传统工艺的最大区别,在于不再采用金属或非金属的粉体材料,取而代之采用了“致密的固态材料”作为制取“胎体”的基料。由此大大简化了通常必须先将粉状材料与金刚石细粒进行配制,然后再混合、冷压成型、热压烧结及后处理等多个工序的传统的工艺流程。新旧制造工艺流程的比较,如图1所示:

一年多来,我们采用该工艺研制出数种金刚石工具,已通过了样品制作,实验室性能检测,以及有关品种一定批量的生产及其实际使用的考核。结果表明,采用新型胎体制造方法相比传统工艺,不仅简化生产操作工序,节省大量的人力、物力与电能,而更为可喜的还在于它还能较大幅度地提高工具的使用性能,详见以下所述。

2 胎体制造新工艺对金刚石工具性能的作用

2.1 较大幅度地提高了使用性能

研制的数种金刚石工具经实验室全自动切割机反复测试获得满意结果之后,于2014年夏秋,将小批量制造的中径切割片,送往澳洲进行全面的实用考核。另外“排锯刀头”等品种系在本省泉州地区试用。考核结果详见表1“新型胎体产品与传统工艺产品使用性能实用效果比较表”[4]。

从表1实用数据可见,不同的新型胎体产品,其使用性能均获得较大幅度的提高。如用在16"手持锯上切割特硬鹅卵石混凝土时,比当地的专业品种,不仅锋利度提高了30%,且耐用度也提高33%;在红外线桥切机上切割635花岗石时,锋利度与耐用度分别提高了40%及50%。另外针对波兰玉大理石,我公司研制的新品,也较顺利地解决了目前常规排锯难以实现正常切割的难题。此外,通过近半年来进一步改进制造工艺之后,新产品的使用性能,又获得了不同程度的提高,表明此新工艺的优势仍有不少的潜力尚待挖掘。

表1 新型胎体产品与传统工艺产品使用性能实用效果比较表Table 1 Actual performance contrast between the new type matrix and the traditional one

2.2 大大提高了高负荷及恶劣切割等条件下使用的安全可靠度

新型胎体制造法系采用致密的固态材料,比起传统的“热压烧结”获得接近致密的胎体合金,其机械性能与被焊接的强度,都获得较大幅度的提高,从而避免了工具在切磨过程中易产生的崩裂、断齿、掉齿等质量问题。如在泉州地区某石材厂,采用我公司的D400mm锯片,因其锋利性优良,工人便增加板材三倍的厚度(三层20mm板)进行切边,由于板间接触面不够平整等致而产生了打滑,使得锯片受到严重的撞击。在此情况下,传统工艺的锯片已全部掉齿或断齿,而新工艺制造的锯片却无一掉齿或断齿……由此可见,新工艺制造的锯片在恶劣切割等条件下,具有良好的安全可靠度。这一优势,便为正在扩大采用超薄型与超高度刀头的新结构锯片的规模,创造了良好的条件。

2.3 有利于提高产品质量的稳定性

传统工艺存在如下不利于质量稳定性的因素,一是粉末原料质量的稳定性,常常受到保存的环境、时间以及不同制造批次等条件的影响而产生波动,故不利于制品质量的稳定性;二是传统工艺流程多,不同批次的产品,因设备、工艺参数控制与操作习惯差异等致,其工艺质量的重复性存在差异,也会导致产品质量的波动。新型胎体制造新工艺,能有效地克服这些影响因素,因而有利于提高产品质量的整体稳定性。

2.4 工具的使用性能具有良好的广谱性

为适应使用性能多样化的要求,传统工艺常要采取多样化的胎体粉料(配方)等措施以求得适应性,既费时又耗工料,且不一定都能适用。新型胎体制造法,只要选用1～2种胎体用料,必要时,只需适当调整金刚石的质、量或分布状态,便可较方便地满足在不同工作条件下对使用性能的综合要求,较好地解决了传统工艺长期以来使用性能不够广谱性的难题。

3 金刚石工具新型胎体制造法的经济与社会效益

3.1 可大幅度降低产品制造成本

新旧工艺产品所选用的原材料,在量与质上有着显著的不同。新工艺可较大幅度地减少采购费用,另由于减少加工流程、提高生产率,节省了人力、物力与电能,故可显著地降低新工艺产品的制造成本。例如,用于制造中低档性能的产品,约可降低70%～90%,而制造高档性能产品,仅约为传统产品成本的1/30。

3.2 节能低碳化

传统工艺大量使用Fe、Cu、Sn、Ni、Co及W等金属粉末原料进行制造,然后还要通过成形及热压等工序,使之达到接近致密的状态。而新工艺直接采用致密材料并省去相应的加工流程,因而可较大幅度地降低能耗,达到低碳化生产的效果。

3.3 系环保型制造工艺

传统工艺常使用还原、电解、水或气雾化及化学沉积等方法生产的金属粉末,多为细及超细粉末,在自身加工过程以及用于制造工具的生产过程中,对环境及操作人员会产生一定污染。新工艺较好地克服了这个缺陷,而成为环保型的工艺。

3.4 除了上述低碳与环保意义外,新工艺产生的更大社会效益在于,产品的使用性能因有较大幅度的提高(详见本文1.1),可较大幅度地降低用户使用的总成本(包括人工、电耗以及工具分摊费),并且也有利于减少加工过程对环境及操作人员的污染,等等。由此不难预测,当大规模推广应用此新工艺之后,对于国内外总使用量相当庞大的这几大类工具,将能获得巨大的经济与社会效益,其意义是不言而喻的。

4 结束语

综上所述,新型金刚石工具胎体制造新工艺不仅简化了制造流程,具有省料、省工、节能与低碳环保的优势,而且还能较大幅度地提高产品的使用性能。由此表明,这一成果业已突破传统制造工艺的束缚,从而为金刚石工具实现高效、低碳、低成本的制造,开辟出一条创新之路。

为了保护上述技术发明的成果,本公司先后申请了我国及欧盟的专利[5]。该专利核心权益是,采用固体材料替代传统的粉体材料,用以制造金刚石工具的胎体。所采用的固体材料,视产品的种类、加工对象、加工工况以及性价比等方面的不同要求,采用固态致密的金属、高分子材料或是其复合体。

在深入探讨新型工艺为何能够较大幅度地提高产品使用性能之时,令人不由地联想到,如何运用磨削机理,以便更有效地指导从业者进行工具的设计与制造。对此,在已有认识的基础上,应有更多的课题有待人们作进一步深入探讨的必要,诸如,如何进一步认识金刚石工具胎体的材质及其制造方法尚存在更多样化选择的潜力;为了发挥金刚石更充分的功效,胎体材质的那些性能(含物理、力学及结构等方面)系起到主导的作用,以及其作用的实质又是什么,等等。对此类问题的探讨,其结果应能为扩展运用磨削机理以指导工具制造实践方面,提供若干有益的新思路。

为了我国扩大国际高端市场的占有率,促进我国早日实现由金刚石工具生产大国转变为制造强国,以更有效地利用我国有限的矿产与人力资源,加速改善人们的生存环境质量而创造良性循环的条件,我们应进一步发扬以“技术创新为企业发展必由之路”这一经营理念,进一步努力挖掘创新的潜力,在促进这一新型胎体制造法更加完善的同时,要扩大这一新工艺的应用范围,对于已完成试制的混凝土磨盘、陶瓷磨边轮等其他金刚石工具产品,抓紧扩大其实用性的考核,以便早日投产。

总之,针对金刚石工具产品的性价比“没有最高,只有更高”这一特定市场的需求,我们更要牢记“技术创新无止境”这一名言,并将之作为指导我们实际行动的座右铭,为促进我国由金刚石工具生产大国成为世界制造强国而作出更多的努力。

[1] 王明智,等.轧制复合法制造金刚石-金属复合体的研究[C].金刚石与磨料磨具工程,2011(2):35-39.

[2] 袁晓宏,等.金刚石工具热压烧结的优质、高效与低碳化[C].中国超硬材料与制品50周年精选文集,中国材料研究学会超硬材料及制品专业委员会编,2014年,桂林:425-429.

[3] 程文耿,侯家祥,等.进一步发挥“金刚石有序排列”技术优势的讨论[C].中国超硬材料与制品50周年精选文集,中国材料研究学会超硬材料及制品专业委员会编,2014年,桂林:339-342.

[4] 金刚石工具新工艺产品性能考核汇总报告.厦门市凯源金刚石工具有限公司,2014.12.

[5] 中国发明专利申请号:201510132753.2欧盟发明专利申请号: EP15159984.

Features and Advantages of New Technology of Diamond Tool Matrix Manufacturing by Solid Material

HOU Jia-xiang
(Xiamen Kaiyuan Diamond Tools Co.,Ltd,Xiamen,China 361012)

The traditional manufacturing process flow of diamond tools and its drawbacks has been introduced in this article.Meanwhile,the innovative methods which have been developed or under research by relevant domestic and overseas manufacturers to overcome the drawbacks of the traditional manufacturing process have been listed and discussed. Features and advantages of a new technology successfully developed by our company in 2014 which uses"solid materials"as substitute for the traditional"powder materials"to prepare the diamond tool matrix has been introduced in detail in this article.The"solid materials"adopted in the new technology are solid dense metals,high molecular material or its complex according to different requirements.The development of this new technology indicates a breakthrough to the traditional manufacturing process and a brand new way of diamond tools manufacturing of high efficiency,low carbon and low cost.

diamond tools,new technique,matrix,powder material,solid material

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0024-04

2015-08-26

侯家祥(1954-),男(汉),厦门人,董事长、大学本科学历。长期从事金刚石及工具的产业化生产技术的开发与管理。

程文耿18965183851 Email:gxcwgxm@126.com

侯家祥.用固体材料制作金刚石工具胎体新工艺的特点及优势[J].超硬材料工程,2015,27(5):24-27.