用固體材料制作金剛石工具胎體新工藝的特點及優勢

侯家祥

(廈門市凱源金剛石工具有限公司,廈門 361012)

用固體材料制作金剛石工具胎體新工藝的特點及優勢

侯家祥

(廈門市凱源金剛石工具有限公司,廈門 361012)

對金剛石工具傳統的制造工藝流程與其存在的弊端進行了介紹,列述了為克服傳統工藝的這些弊端,國內外相關業者已經或正在探求的創新之路。文中詳細介紹了我公司2014年成功開發出的一項新技術,采用“固體材料”替代傳統的“粉體材料”,作為制造金剛石工具胎體基料的新工藝的特點及優勢。新工藝所采用的“固體材料”,視多方面的不同要求,采用固態致密的金屬、高分子材料或是其復合體。這一開發新工藝成果表明,該技術業已突破傳統制造工藝的束縛,為金剛石工具實現高效、低碳、低成本的制造,開辟出一條全新之路。

金剛石工具;新工藝;胎體;粉體材料;固體材料

引言

自1955年美國GE公司研發出工業用的金剛石以來,如今全球的金剛石年產量己達160億克拉以上,其中絕大部分用于制造金剛石制品(如切割、拋磨、鉆削等工具)。此類工具的傳統制作方法,系采用金屬或非金屬的“粉體材料”與金剛石細粒,經過配料、混合、成型、燒結及后處理等多個工序,先完成“節塊”(俗稱刀頭)的制作,使得起切磨刃作用的金剛石,嵌鑲于接近致密的“胎體”內,然后將節塊焊接(或固結)于鋼基體上,才構成相應的工具成品。

業已沿用半個多世紀之久的上述傳統制造法,其缺點在于工序多、產率低、耗能大、成本高,而且產品質量的穩定性較難控制,也不易于實現產品質量的高端化。而先后被采用的其他制造方法,如采用“電鍍法”、“浸漬法”與“熱等靜壓燒結”等工藝以及應用“金剛石聚晶體”制成的制品,由于受到其性能適用性或是性價比的局限,均未獲得比傳統制造法更為廣泛的應用。

為了克服傳統制造工藝的局限性以及提高工具的“性價比”,相關業者都在不斷地探索新的工藝方法或是革新其相應裝備的效能。如文獻[1]介紹,曾采用一種以“冷軋”與熱壓燒結相結合的方法,進行了革新工藝的有益探索;文獻[2]則詳述了所研發的“隧道式連續燒結加壓爐”,已較大批量地替代了原有間歇式加熱的鐘罩爐及大電流熱壓機,從而為金剛石工具實現優質、高效與低碳化的大批量生產做出應有的努力。本公司從上世紀90年代初開始從事本行業產品以來,為了改革傳統的工藝與裝備,一直秉承“技術創新為企業生命線”的經營理念,從不間斷進行相應的技術創新工作。尤其是在前幾年已取得革新成果[3]的基礎上,更進一步加大投入,終于在2014年又成功開發出“采用固體材料制造金剛石工具胎體的新工藝”,通過不同產品的中小批量實際使用的考核,業已獲得了較為顯著的綜合效果?，F通過本文作以下綜合介紹。

圖1 新舊制造工藝流程的比較Fig.1 Contrast of the manufacturing process flow between the new and the old

1 用固體材料制作金剛石工具胎體新工藝簡介

采用固體材料制作金剛石工具胎體新工藝與傳統工藝的最大區別,在于不再采用金屬或非金屬的粉體材料,取而代之采用了“致密的固態材料”作為制取“胎體”的基料。由此大大簡化了通常必須先將粉狀材料與金剛石細粒進行配制,然后再混合、冷壓成型、熱壓燒結及后處理等多個工序的傳統的工藝流程。新舊制造工藝流程的比較,如圖1所示:

一年多來,我們采用該工藝研制出數種金剛石工具,已通過了樣品制作,實驗室性能檢測,以及有關品種一定批量的生產及其實際使用的考核。結果表明,采用新型胎體制造方法相比傳統工藝,不僅簡化生產操作工序,節省大量的人力、物力與電能,而更為可喜的還在于它還能較大幅度地提高工具的使用性能,詳見以下所述。

2 胎體制造新工藝對金剛石工具性能的作用

2.1 較大幅度地提高了使用性能

研制的數種金剛石工具經實驗室全自動切割機反復測試獲得滿意結果之后,于2014年夏秋,將小批量制造的中徑切割片,送往澳洲進行全面的實用考核。另外“排鋸刀頭”等品種系在本省泉州地區試用?？己私Y果詳見表1“新型胎體產品與傳統工藝產品使用性能實用效果比較表”[4]。

從表1實用數據可見,不同的新型胎體產品,其使用性能均獲得較大幅度的提高。如用在16"手持鋸上切割特硬鵝卵石混凝土時,比當地的專業品種,不僅鋒利度提高了30%,且耐用度也提高33%;在紅外線橋切機上切割635花崗石時,鋒利度與耐用度分別提高了40%及50%。另外針對波蘭玉大理石,我公司研制的新品,也較順利地解決了目前常規排鋸難以實現正常切割的難題。此外,通過近半年來進一步改進制造工藝之后,新產品的使用性能,又獲得了不同程度的提高,表明此新工藝的優勢仍有不少的潛力尚待挖掘。

表1 新型胎體產品與傳統工藝產品使用性能實用效果比較表Table 1 Actual performance contrast between the new type matrix and the traditional one

2.2 大大提高了高負荷及惡劣切割等條件下使用的安全可靠度

新型胎體制造法系采用致密的固態材料,比起傳統的“熱壓燒結”獲得接近致密的胎體合金,其機械性能與被焊接的強度,都獲得較大幅度的提高,從而避免了工具在切磨過程中易產生的崩裂、斷齒、掉齒等質量問題。如在泉州地區某石材廠,采用我公司的D400mm鋸片,因其鋒利性優良,工人便增加板材三倍的厚度(三層20mm板)進行切邊,由于板間接觸面不夠平整等致而產生了打滑,使得鋸片受到嚴重的撞擊。在此情況下,傳統工藝的鋸片已全部掉齒或斷齒,而新工藝制造的鋸片卻無一掉齒或斷齒……由此可見,新工藝制造的鋸片在惡劣切割等條件下,具有良好的安全可靠度。這一優勢,便為正在擴大采用超薄型與超高度刀頭的新結構鋸片的規模,創造了良好的條件。

2.3 有利于提高產品質量的穩定性

傳統工藝存在如下不利于質量穩定性的因素,一是粉末原料質量的穩定性,常常受到保存的環境、時間以及不同制造批次等條件的影響而產生波動,故不利于制品質量的穩定性;二是傳統工藝流程多,不同批次的產品,因設備、工藝參數控制與操作習慣差異等致,其工藝質量的重復性存在差異,也會導致產品質量的波動。新型胎體制造新工藝,能有效地克服這些影響因素,因而有利于提高產品質量的整體穩定性。

2.4 工具的使用性能具有良好的廣譜性

為適應使用性能多樣化的要求,傳統工藝常要采取多樣化的胎體粉料(配方)等措施以求得適應性,既費時又耗工料,且不一定都能適用。新型胎體制造法,只要選用1～2種胎體用料,必要時,只需適當調整金剛石的質、量或分布狀態,便可較方便地滿足在不同工作條件下對使用性能的綜合要求,較好地解決了傳統工藝長期以來使用性能不夠廣譜性的難題。

3 金剛石工具新型胎體制造法的經濟與社會效益

3.1 可大幅度降低產品制造成本

新舊工藝產品所選用的原材料,在量與質上有著顯著的不同。新工藝可較大幅度地減少采購費用,另由于減少加工流程、提高生產率,節省了人力、物力與電能,故可顯著地降低新工藝產品的制造成本。例如,用于制造中低檔性能的產品,約可降低70%～90%,而制造高檔性能產品,僅約為傳統產品成本的1/30。

3.2 節能低碳化

傳統工藝大量使用Fe、Cu、Sn、Ni、Co及W等金屬粉末原料進行制造,然后還要通過成形及熱壓等工序,使之達到接近致密的狀態。而新工藝直接采用致密材料并省去相應的加工流程,因而可較大幅度地降低能耗,達到低碳化生產的效果。

3.3 系環保型制造工藝

傳統工藝常使用還原、電解、水或氣霧化及化學沉積等方法生產的金屬粉末,多為細及超細粉末,在自身加工過程以及用于制造工具的生產過程中,對環境及操作人員會產生一定污染。新工藝較好地克服了這個缺陷,而成為環保型的工藝。

3.4 除了上述低碳與環保意義外,新工藝產生的更大社會效益在于,產品的使用性能因有較大幅度的提高(詳見本文1.1),可較大幅度地降低用戶使用的總成本(包括人工、電耗以及工具分攤費),并且也有利于減少加工過程對環境及操作人員的污染,等等。由此不難預測,當大規模推廣應用此新工藝之后,對于國內外總使用量相當龐大的這幾大類工具,將能獲得巨大的經濟與社會效益,其意義是不言而喻的。

4 結束語

綜上所述,新型金剛石工具胎體制造新工藝不僅簡化了制造流程,具有省料、省工、節能與低碳環保的優勢,而且還能較大幅度地提高產品的使用性能。由此表明,這一成果業已突破傳統制造工藝的束縛,從而為金剛石工具實現高效、低碳、低成本的制造,開辟出一條創新之路。

為了保護上述技術發明的成果,本公司先后申請了我國及歐盟的專利[5]。該專利核心權益是,采用固體材料替代傳統的粉體材料,用以制造金剛石工具的胎體。所采用的固體材料,視產品的種類、加工對象、加工工況以及性價比等方面的不同要求,采用固態致密的金屬、高分子材料或是其復合體。

在深入探討新型工藝為何能夠較大幅度地提高產品使用性能之時,令人不由地聯想到,如何運用磨削機理,以便更有效地指導從業者進行工具的設計與制造。對此,在已有認識的基礎上,應有更多的課題有待人們作進一步深入探討的必要,諸如,如何進一步認識金剛石工具胎體的材質及其制造方法尚存在更多樣化選擇的潛力;為了發揮金剛石更充分的功效,胎體材質的那些性能(含物理、力學及結構等方面)系起到主導的作用,以及其作用的實質又是什么,等等。對此類問題的探討,其結果應能為擴展運用磨削機理以指導工具制造實踐方面,提供若干有益的新思路。

為了我國擴大國際高端市場的占有率,促進我國早日實現由金剛石工具生產大國轉變為制造強國,以更有效地利用我國有限的礦產與人力資源,加速改善人們的生存環境質量而創造良性循環的條件,我們應進一步發揚以“技術創新為企業發展必由之路”這一經營理念,進一步努力挖掘創新的潛力,在促進這一新型胎體制造法更加完善的同時,要擴大這一新工藝的應用范圍,對于已完成試制的混凝土磨盤、陶瓷磨邊輪等其他金剛石工具產品,抓緊擴大其實用性的考核,以便早日投產。

總之,針對金剛石工具產品的性價比“沒有最高,只有更高”這一特定市場的需求,我們更要牢記“技術創新無止境”這一名言,并將之作為指導我們實際行動的座右銘,為促進我國由金剛石工具生產大國成為世界制造強國而作出更多的努力。

[1] 王明智,等.軋制復合法制造金剛石-金屬復合體的研究[C].金剛石與磨料磨具工程,2011(2):35-39.

[2] 袁曉宏,等.金剛石工具熱壓燒結的優質、高效與低碳化[C].中國超硬材料與制品50周年精選文集,中國材料研究學會超硬材料及制品專業委員會編,2014年,桂林:425-429.

[3] 程文耿,侯家祥,等.進一步發揮“金剛石有序排列”技術優勢的討論[C].中國超硬材料與制品50周年精選文集,中國材料研究學會超硬材料及制品專業委員會編,2014年,桂林:339-342.

[4] 金剛石工具新工藝產品性能考核匯總報告.廈門市凱源金剛石工具有限公司,2014.12.

[5] 中國發明專利申請號:201510132753.2歐盟發明專利申請號: 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(漢),廈門人,董事長、大學本科學歷。長期從事金剛石及工具的產業化生產技術的開發與管理。

程文耿18965183851 Email:gxcwgxm@126.com

侯家祥.用固體材料制作金剛石工具胎體新工藝的特點及優勢[J].超硬材料工程,2015,27(5):24-27.