一种组切石材金刚石排锯的制作*

吴益雄，陈欣宏，黄 云

（1.广州晶体科技有限公司，广州 510520；2.中科院广州电子技术有限公司，广州 510070）

0 引言

现阶段国内组合切割石材荒料的工具有砂锯（一代）、圆盘锯（二代）、排锯（三代）。砂锯在加工石材过程中需加入切削磨料，这使得锯切过程产生的废渣排放量多，对环境造成极大污染。此外，砂锯的钢基体自身磨损速度较快，平均一条钢基体只能切割30 m2的板材。圆盘锯作为中国独立自主开发的装备，在一段时期内，形成规模使用的工具，属于粗放型的加工，对小块或异形石材荒料有便捷、高效的特点，但因其巨大的锯缝损耗、电能损耗、低品质的出板材率，制约着其进一步的拓展。随着矿山全锯切开采天然石材荒料技术的普及，人造石材荒料加工工艺成熟，金刚石排锯成为切割石材板材的先进工具。

新一代金刚石排锯与传统砂锯和圆盘锯对比，切割效率提高了3～5倍，板材平整度由1～2 mm提升至0.3 mm以内，锯缝损耗由原来6～9 mm缩小至2.5～3.5 mm，每平方米石材切板综合成本减少了2/3，钢基体能重复使用3～5次，平均一条钢基体能切割200 m2的板材，冷却水循环使用，产生的泥浆过滤沉淀烘干后，变成人造石材的原材料，做到环保可回收。此外，新一代金刚石排锯能有效提高石材切割效率、石材平整度，减少锯缝损耗，给石材加工行业减少综合加工成本。目前，国内生产金刚石排锯的几家企业主要集中在珠三角地区和闽南地区，占据着国内金刚石排锯的少部分市场份额，但都不具备控制金刚石排锯性能的技术优势，不能形成独立的自主知识产权体系，没有形成规模的量化生产，生产出的金刚石排锯无法与国外同类产品抗衡。

金刚石刀头的制作工艺是金刚石排锯研究的关键，影响金刚石锯切工具性能的主要因素包括配方设计、刀头形状及结构、金刚石的粒度及浓度、工艺过程、锯片基体、刀头与基体焊接工艺及现场使用等。国内也有众多学者进行了研究，文献[1－3]探讨了金属基结合剂中添加少量稀土对不同类别金刚石节块力学性能的影响机制，表明稀土元素对不同类别金刚石节块抗弯强度的影响较为显著，加入少量稀土可提高胎体对金刚石的把持力；文献[4－7]研究了不同金属镀层对金属基金刚石锯片切削性能、冶金键合及基体耐磨性等的改善作用；文献[8]通过调节Fe、Ni添加比例设计结合剂配方组合，对比分析各配方的无压烧结致密度、抗弯强度、断口显微形貌，研究了Ni含量对无压烧结金刚石刀头层间结合的影响；文献[9]探讨了金刚石原材料（粒度、浓度和品级）、胎体成分以及烧结工艺对金刚石锯片性能的影响规律，为金刚石刀头设计提供了一定的参考指引。目前对制作工艺的研究改善多集中在金属基配方调制和刀头的表面处理上，对金刚石排锯的刀头内部结构、组切排布方式等工艺环节的研究还不充分。

本文拟在刀头内部结构设计、排锯的组切排布方式上以及金属基结合剂添加稀土的配方调制等几个方面进行研究，通过设计一种夹层式排锯刀头切削部结构[10]来调制刀头的锋利度，提高刀头的导向性。采用一种含稀土改性金属基来提升金刚石粉粒与基体的焊接强度，提高刀头的耐磨性，并采用组切非等距排布方式来抑制排锯在锯切中的谐振现象，减少切削损耗，研制出一种适用于组切的高效、损耗低、稳定性高的金刚石排距。

1 组切石材金刚石排锯制作工艺

组切石材金刚石排锯制作工艺流程如图1所示。制作工艺主要依据调配出的预合金化的金属粉末配方，采用金属粉和金刚石造粒成球形技术及金刚石－金属键合技术，使金刚石和金属胎体达到最佳冶金结合状态，提高金刚石刀头的锋利度和耐磨度；利用自动冷压成形技术和真空热压烧结成形技术，采用三明治和五明治的工艺，使每一颗刀头的重量和厚度偏差都控制在1.5%以内，以保证刀头一致的锋利度和耐磨度，同步损耗，防止夹板、拖刀、走偏及弯板；依据实验获得金刚石排锯刀头最佳烧结工艺和致密度，选取高强度的焊接材料，并采用金刚石排锯成套钎焊技术进行钎焊；设计出适合的金刚石刀头物理结构，保证与基体有足够的焊接强度。研究设计金刚石刀头不同排布方式来抑制谐振现象，减少切削损耗。在排锯基体上焊接金刚石刀头后，对排锯进行整平和应力校正。

图1 组切石材金刚石排锯制作工艺流程Fig.1 Group cutting stone.diamond row sawing for process flow diagram

2 组切石材金刚石排锯关键技术研究

2.1 夹层式排锯刀头结构设计

夹层刀头结构设计如图2所示。刀头结构包括两层工作层，两侧为工作层，相邻两工作层之间为过渡层。其中工作层中金刚石粉的粒度小于过渡层中金刚石粉的粒度，且工作层中金刚石粉的浓度大于过渡层中金刚石粉的浓度；工作层合金胎体的硬度大于过渡层合金胎体的硬度。制作过程中，精确控制工作层和过渡层的成分和形状可调制刀头的锋利度，提高刀头的导向性，从而改善切割质量及延长刀头的使用寿命。

图2 夹层式金刚石刀头截面结构Fig.2 Sectional Structure of Sandwich Type Diamond Cutter head

2.2 金刚石排锯刀头材料工艺配方试制

本文研制了一种掺稀土的改性金属基金刚石功能结合剂的制作配方，稀土元素对不同类别金刚石节块抗弯强度的影响比较显著，在功能金属粉中加入少量稀土，有利于细化胎体晶粒，净化金刚石与胎体界面，改善结合剂与金刚石的界面结合状态，提高胎体对金刚石的把持力。

2.2.1 工作层工艺配方

工作层中选配金刚石粉的粒径为300～425μm，浓度范围为35%～70%；工作层中的功能金属粉配制由钴粉、镍粉、铬粉、钨粉、碳化钨粉、铁铜合金粉、稀土混合而成，成分占比如表1所示。

表1 工作层功能金属粉成分Tab.1 Composition table of functional metal powder for working layer

钴粉和镍粉的粒径小于10μm；铬粉的粒径为30～50μm；钨粉、碳化钨粉的粒径为80～100μm；铁铜合金粉的粒径为20～40μm；稀土的粒径为20～45μm。功能金属粉中各成分的重量比例为钴粉60%～70%、镍粉2%～8%、铬粉1%～3%、钨粉2%～8%、碳化钨粉2%～6%、铁铜合金粉20%～30%、稀土0.2%～1.2%。钴粉是主要成分，其烧结强度高，韧性和耐磨性好；镍粉的作用是增加耐磨性；铬粉的作用是增加胎体对金刚石粉的把持力；钨粉增加胎体的硬度和耐磨性，与钴粉和镍粉有一定合金化作用；碳化钨粉是以单质存在于合金中，增加胎体的硬度和耐磨性；铁铜合金粉的作用是高温弥散性好，促使胎体合金均匀。以上工作层烧结成形后的胎体硬度为HRB105～115。

2.2.2 过渡层工艺配方

过渡层中选配金刚石粉的粒径为500～600μm，浓度范围为20%～50%；功能金属粉由铜粉、锡粉、锌粉、铜锡合金粉、钴粉、镍粉、铬粉、钨粉混合而成，如表2所示。

表2 过渡层功能金属粉成分Tab.2 Composition table of transition layer functional metal powder

铜锡合金粉中铜与锡的含量比为85∶15，所述铜粉、锡粉、锌粉、铬粉、铜锡合金粉的粒径为30～50μm，钴粉和镍粉的粒径小于10μm，钨粉的粒径为80～100μm。所述过渡层中的功能金属粉中各成分的重量比例为铜粉53%～63%、锡粉1%～6%、锌粉1%～5%、铜锡合金粉10%～20%、钴粉16%～30%、镍粉3%～6%、铬粉1%～3%、钨粉4%～8%、稀土0.2%～1.2%。在过渡层的功能金属粉中，铜粉的作用是增加胎体的韧性和延展性；锡粉的作用是烧结时产生液相，软化胎体，降低胎体的烧结温度；锌粉的作用是与铜粉、锡粉形成合金，固结液相，增加合金的脆性，提高胎体的锋利度；铜锡合金粉的作用是软化胎体，改善胎体的烧结性能，提高胎体的致密度。以上过渡层烧结成形后胎体的硬度为HRB87～99。

2.3 金刚石排距刀头的排布工艺设计

金刚石排锯的生产过程需要解决刀头材料混合、压制成型、烧结成型、刀头与钢基体焊接等系列生产问题，排锯的排布工艺也有着比较重要的影响。实验发现，非等距排布方式相对传统等距排布方式，可有效抑制排锯谐振现象，减少切削损耗。

通过试验，设计了一种非等距排锯排布方式，如图3所示。

图3 金刚石排锯非等距排布工艺设计Fig.3 Non－equidistant arrangement process design of diamond row saw

在排布工艺过程中，将刀头在中间处排布密集，两侧按一定间隔逐步增大间距排布，排锯在锯切过程中的稳定性和刀头耐磨性有一定程度的提升。

3 结束语

金刚石排距夹层式刀头制作工艺中，通过精确控制工作层和过渡层的成分和形状，刀头的导向性得到很好地调制，提升了刀头的锋利度；金属基结合剂中添加少量稀土元素，细化了胎体晶粒，金刚石与胎体界面得到净化，提高了胎体对金刚石的把持力，金刚石粉粒与基体的黏结度增强，使刀头耐磨度得到改善；制作的刀头硬度值达到HRB105~115，下刀速度达到27 cm/h，刀头耐磨度和锋利度均达到进口同类刀头标准；相对传统的排锯等距排布方式，中间处排布密集，两侧按一定间隔逐步增大间距的非等距排布方式，锯切过程中的谐振现象得到有效抑制，减少了切削损耗，对比国外同类排锯，在相同条件下，石材锯切损耗降低了5%~10%。本次实验设计制作的组切金刚石排距，性能指标达到了国外同类产品水平。