人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應用*

孫 猛，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應用*

孫 猛，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

通過選擇觸媒形態或者人為控制合成金剛石的溫度和壓力，可以獲得較高比例的(100)晶面和(111)晶面同等發育的六-八面體聚形金剛石單晶，即所謂的“方晶”。方晶相比于普通的六-八面體聚形金剛石具備更多、更鋒利的切割刃，有利于提高金剛石鋸片尤其是瓷磚切割片的切割速率。實驗結果證明，單純應用方晶，相比常規的六-八面體聚形金剛石，切割普通全瓷瓷磚的速率可以提升40%以上，超硬瓷磚可以提升27%；匹配不同潤滑劑含量的“弱化”型金屬胎體，瓷磚片的切割速率可以得到進一步的強化。當潤滑劑含量為6wt%時，試驗鋸片相比于常規切割鋸片速率提升超過60%；即便是切割全瓷超硬瓷磚，速率也可提升30%以上。

金剛石方晶；瓷磚切割片;胎體弱化

1 引言

所謂金剛石“方晶”，實際沿用了人造金剛石行業前輩方嘯虎先生所首創的概念，特指一種(111)晶面和(100)晶面均等發育的六-八面體聚形金剛石單晶[1]，如圖1(a)所示。在實際的靜態觸媒法高溫高壓合成過程中，方晶的產生與觸媒的形態以及合成溫度與壓力的控制有著很大的關系，通過人為地選擇觸媒形態或者控制合成溫度和壓力即可獲得較高的方晶產出。

在人工合成金剛石的初期多采用片狀觸媒，金剛石在高溫高壓下長大的過程中從不同方向所獲得的碳源供給是不同的。一般接近碳片的一側易獲得更多的碳源供給，生長速率相對較快，呈現一種偏二維方向的生長，易于獲得以(100)晶面為主導的方晶。相比而言，粉末觸媒則易于保證金剛石從不同方向獲得碳源，呈三維方向生長，更易于獲得以(111)晶面為主的六-八面體聚形金剛石，如圖2所示[2]。

圖1 常見的人造金剛石晶形(a)(100)晶面與(111)晶面同等發育的“方晶”；(b)(111)晶面占主導的六-八面體聚形Fig.1 The popular synthetic diamond single crystal shape

圖2 高溫高壓下人造金剛石在粉末觸媒和片狀觸媒中生長模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of diamond crystal growth in powder catalyst and slice catalyst at HTHP

大量的合成實驗均證明，在金剛石的優晶生長區提高合成溫度有利于獲得(111)晶面占主導的六-八面體或者八面體金剛石，如圖3所示；而較低的合成溫度則易于獲得(100)晶面占主導的六-八面體金剛石[3]。所以在高溫高壓靜態法合成金剛石時可以通過有意識地控制合成溫度和壓力來獲得高比例的方晶產出。

相比而言，特制的金剛石方晶具備更長的同向切割刃，且因人造金剛石(100)面的硬度低于(111)面，而斷裂表面能和斷裂韌性明顯高于(111)面[4]，使得金剛石方晶更能在高速切割過程中保持原有晶形(切割刃)，在切割硬質材料，如瓷磚時有助于提升切割片的切割速率。

本文應用山東昌潤鉆石股份有限公司特制的金剛石方晶制備瓷磚專用切割片，同時匹配弱化型胎體進行不同瓷磚的對比切割測試，以獲得全新高速瓷磚切割片的配方設計[5]。

圖3 金剛石生長的優晶區Fig.3 Range of pressure and temperature for high-quality diamond growth

2 試驗設計

本文通過兩步來完成高速瓷磚切割片的配方設計：

1)使用不同類型的金剛石方晶匹配常規的銅基胎體制備切割片，通過對比切割數據優選金剛石種類；

2)使用優選出的金剛石方晶匹配不同潤滑劑添加量的弱化胎體完成最終胎體乃至切割片的配方設計。

本文實驗所采用的金剛石方晶系昌潤鉆石特制的50/60方晶樣品，編號分別為1#、2#和3#，如圖4所示。其主要性能差異為熱穩定性[常溫沖擊韌性與高溫沖擊韌性差和燒損(800℃無保護氣氛灼燒10min后的重量差)]，如表1所示。

圖4 昌潤鉆石特制的50/60人造金剛石方晶Fig.4 Cubic diamond single crystal specially made by CR GEMS Diamond

1#2#3#TI-TTI(%)3.45.96.1熱損(%)0.390.300.22

實驗胎體由50wt%超細銅粉、25wt%電解鎳粉、15wt%還原鐵粉以及10wt%錫粉構成；潤滑劑為直徑約0.5mm的鱗片狀石墨；實驗鋸片為Ф125連續渦輪燒結鋸片，如圖5所示[5]。

圖5 切割實驗用Ф125mm連續齒燒結鋸片Fig.5 The Ф125mm sintering blades for cutting test

3 試驗結果與分析

3.1 不同類型金剛石對比切割實驗

使用常規50/60六-八面體聚形金剛石單晶和三種特制的金剛石方晶，匹配基準的銅基燒結胎體進行Ф125連續渦輪燒結鋸片的制備，確保金剛石的濃度保持一致。

使用云石機針對普通全瓷瓷磚和超硬全瓷瓷磚進行對比切割測試。云石機的功率為1200W；轉速為13000r/min。切割深度為10mm，長度為300mm。每種鋸片連續切割50刀，測試其切割速率和切割的穩定性[6]。四種鋸片在不同材料上的實際切割速率如圖6所示。

切割實驗結果表明，金剛石方晶相比普通的金剛石單晶有助于提高切割瓷磚的切割速率，無論是普通全瓷瓷磚還是超硬全瓷瓷磚。這種切割速率提升的趨勢在1#金剛石制作的切割片上表現得尤為突出，在切割普通全瓷瓷磚時，應用1#金剛石的鋸片切割速率相比于應用常規金剛石的鋸片得到了44.46%的提升，針對超硬全瓷瓷磚提升幅度是27.79%。

圖6 相同胎體匹配不同類型金剛石切割普通和超硬兩種全瓷瓷磚的切割速率Fig.6 Cutting speed of the blades with same bond and different diamond grits cutting common and super-hard tile

相比而言，1#金剛石方晶雖然熱損相對較高，但是在經歷800℃、 10min無保護氣氛的灼燒之后，保持0.39%的重量損失依然說明這種金剛石具有非常高的熱穩定性[7]。在瓷磚切割，尤其是超硬瓷磚的切割過程中，鋸片與瓷磚的摩擦生熱較多，較高的熱穩定性，尤其是機械性能的穩定性對于保持鋸片刀頭的鋒利度至關重要。

3.2 不同類型金剛石匹配弱化型胎體的對比切割實驗

結合3.1的實驗結果，選擇1#金剛石方晶和普通的50/60六-八面體金剛石匹配不同潤滑劑含量(2wt%，4wt%和6wt%)的弱化型胎體進行高速瓷磚片配方設計的第二步：胎體設計。使用云石機按照3.1所描述的實驗方法對三種潤滑劑含量，不同種類金剛石的六種圓鋸片在超硬全瓷瓷磚上進行對比切割試驗，試驗結果如圖7所示。

圖7 匹配弱化胎體和不同金剛石的圓鋸片切割超硬瓷磚的速率Fig.7 Cutting speed of the blades with lubricant in bond and different diamond grits cutting super-hard tile

如圖7所示，在相同胎體，即相同潤滑劑含量前提下，1#金剛石方晶制作的圓鋸片的切割速率還依然明顯優于普通的六-八面體金剛石制作的鋸片。且隨著潤滑劑的含量增加，鋸片的切割速率呈現一種先略微下降，而后大幅提升的趨勢，在兩種金剛石鋸片上都有所體現。具體原因已在參考文獻[5]中有所討論，本文不再贅述。需要特別指出的是，相比于無潤滑劑添加的基準銅基胎體，添加6wt%的石墨匹配1#金剛石方晶鋸片可以獲得66%的速率提升。即便在同等潤滑劑含量的前提下，1#金剛石方晶鋸片也貢獻了31%的速率提升。

3.2 實驗鋸片的金剛石出刃觀察

選擇石墨添加量為6wt%的兩種圓鋸片，在切割實驗完成之后清理刀頭上殘存的切削殘渣，在顯微鏡下觀察金剛石的磨損及出刃情況，如圖8所示。

從圖8可以看出，經歷了連續50次切割之后，部分金剛石已經破損乃至脫落。但是需要特別指出的是由于常規六-八面體金剛石的(111)晶面相對面積較大，所以使用常規六-八面體的金剛石刀頭出刃的金剛石依然更多地呈現(111)晶面沖外的特質，出刃面積較大，但是缺乏尖銳的切割刃。相比而言，金剛石方晶則是更多的尖角沖外，出刃面積較小，具有較多較直接的切割刃。

圖8 切割實驗完畢的金剛石刀頭顯微形貌(a) [Gr]=6wt%+常規六-八面體金剛石；(b) [Gr]=6wt%+1#金剛石方晶Fig.8 Micromorphology of diamond segments after cutting test

相比而言，(111)晶面沖外的出刃效果，損失了部分尖銳的切割刃，同時也加劇了金剛石被拋光的幾率；且較大面積的出刃也存在金剛石脫落的風險，尤其是針對本實驗應用的弱化型胎體，本身耐磨性較差，對金剛石的把持力也相對較弱，高品級的金剛石難以完全發揮效用。恰恰相反，金剛石方晶保持了較為尖銳的出刃和較小的出刃高度，在保持鋒利切割的同時減小了被拋光的可能性；在弱化型胎體中依然可以保持較高的金剛石把持力，可以最大效應的發揮金剛石的作用。

3 結論

金剛石方晶由于具備單向更長的切割刃，良好的熱穩定性，在切割硬質瓷磚尤其是超硬全瓷瓷磚時可以獲得相比常規六-八面體金剛石更好的切割速率；匹配使用片狀石墨顆粒作為潤滑劑的弱化型胎體，金剛石方晶因為保持較為尖銳切割刃和較小的出刃高度和相對較高的金剛石把持力，可以進一步增強金剛石瓷磚片的切割速率，在超硬全瓷瓷磚上相比常規六-八面體金剛石可以將切割速率提升30%以上。

特別鳴謝：本文實驗所用金剛石方晶產品系山東昌潤鉆石股份有限公司特制之產品。特別感謝昌潤鉆石對筆者及本文的大力支持！

[1] 方嘯虎,鄧福銘, 鄭日升. 現代超硬材料與制品(上冊)[M]. 杭州: 浙江大學出版社,2011: 371.

[2] 白文翔,嚴恩峰,肖西衛. 片狀和粉狀觸媒合成金剛石的實驗研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2005(1):54-55.

[3] C.S. Kennedy, G.C. Knnedy. The equilibrium boundary between graphite and diamond [J]. J. Geophy. Res., 1976, 61(14): 2467-2469.

[4] 王光祖.超硬材料制造與應用技術[M]. 鄭州: 鄭州大學出版社, 2013:22-23.

[5] 李偉,孫猛,李和勝.弱化胎體可提升金剛石切割片切割硬質瓷磚的效果[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2016, 36(6):79-82.

[6] 劉憲剛.金剛石圓鋸片的質量評價體系的建議[D]. 濟南:山東大學,2007.

[6] 臧建兵,王艷輝,王明智. 金剛石熱穩定的幾個方面和影響因素的探討[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 1997,5(101):5-7.

Applicationofcubicsyntheticdiamondsinglecrystalontilecuttingblades

SUN Meng, LI Wei, LI He-sheng

(Husqvarna(Hebei)Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei052165,China)

By choosing catalyst type or controlling the temperature and pressure at HTHP, cubic diamond single crystal can be synthesized with coequal (100) and (111) crystal plane. This kind of diamond has lots of cutting edge which is benefit to enhance cutting speed of diamond blades, especially for tile blades. In this paper, the special cubic diamond grits is utilized into tile blades to seek fast cutting speed. The experimental results show that the cutting speed of the blade using the special cubic diamond can be enhanced 40% for cutting common tile and 27% for cutting superhard tile than using the common blade. When adding the 6wt% lubricant to the bond, the blade cutting speed with the cubic diamond can be improved 60% than the common blade, and it can also improved 30% for cutting the superhard tile.

cubic synthetic diamond single crystal; tile cutting blades; matrix

2017-08-10

孫猛(1980-)，男，項目工程師，主要從事金剛石工具的研制開發工作。

李和勝(1981-)，工學博士，高級工程師，主要從事金剛石工具研制開發工作。E-mail：diamondli99@126.com

孫 猛，李 偉，李和勝.人造金剛石方晶在瓷磚切割片中的應用[J].超硬材料工程，2017，29(5)：1-5.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0001-05