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关于石材制品加工工具的现状与展望

2013-07-10
  • 摘要:石材的优异特点使其在建筑业中得到大规模的应用。随着新技术新工艺在石材工业中的应用,其加工工具也有了长远的发展。特别是金刚石工具的运用,使石材加工有了巨大的飞跃。本文简要的论述了加工石材制品的影响因素、金刚石锯片的制造和金刚石锯片切割的相关研究,最后介绍了几种新型的金刚石锯片。 关键词:石材、金刚石、锯片 1概述   天然石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、抗震耐压、耐酸、抗风化和磨光性好等特点。由于其众多的优点,石材的应用范围越来越广,用量越来越大,在人类生活中起着重要的作用。随着世界上建筑业及装饰业的发展,石材已成为世界性建筑材料。   石材是自然的建筑材料,整个地球表层是由岩石所组成,而岩石是由许多矿物族群以各种方式结合而形成,—块岩石中含有不同硬度的矿物。这就对对石材加工产生一定的困难,从而使得石材的加工工具也不同于普通的加工具。   随着六十年代中期以来,金刚石加工技术的兴起,金刚石技术的应用给世界石材工业带来了一场“革命”。金刚石俗称钻石是目前自然界中最坚硬的一种物质。在以相对刻划为基础的摩氏硬度级别中,被列为最硬的一级。将其与结合剂通过烧结、电镀等方法结合起来做成的超硬材料工具,广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域。各种金刚石工具及其它高新技术相结合,使石材开采和加工变得更加容易、成本更低。从而使石材生产从粗放形走上了自动化、机械化、连续化的大批量、大规模和文明、安全生产的道路上。 2影响石材加工性的主要因素   石材的加工主要是锯、切、磨、抛。石材的可加工性是指锯、切、磨、抛加工的难易程度。锯、切相同,磨、抛虽有差别,但很相近。因此一般石材的可加工性通常指可锯性和可磨性[1]。影响石材加工性的主要因素有: (1)硬度   一般情况下,石材硬度越大,则加工越困难,对工具的磨损也越大。 (2)矿物成分和化学成分   石材的物质组分物质组分包括矿物组成和化学成分,不同的矿物成分和化学成分,加工性也不同。如大理石造岩矿物主要为方解石、白云石,其摩氏硬度分别是3和3.5-4,较花岗石硬度低,易于加工。花岗石的主要造岩矿物是石英、正长石、斜长石,它们的摩氏硬度为6.5-7。其可加工性在很大程度上取决于石英和长石的含量,含量越高,越难加工。在化学成分上,如SiO2含量愈高,加工愈困难。 (3)岩石的结构构造   一般来说,颗粒均匀比不均匀的石材易加工,细粒比片状磨光质量高,致密石材比疏松石材光泽度高。矿物结晶程度好,且定向排列、光轴方向一致将大大提高抛光后的光泽度。岩石的解理、晶界和初始裂纹对加工性也是很重要的影响因素。   此外,所选的加工工具以及工艺参数都是一个必须考虑的影响因素。   建筑装修用的饰面石材主要有大理石和花岗石两大类。将饰面石材荒料加工成建筑装饰板材,其主要工序为锯切、研磨抛光、切割成品板材、修边倒角开槽。其中锯切工序最为关键,它决定着产品的产量与质量[2]。而在锯切加工中有以金刚石锯片用的最多。据国内外统计资料估计,目前世界上工业金刚石50%左右用于制造石材加工工具,其中主要是石材加工锯片。下边就金刚石锯片的相关问题展开讨论。 3金刚石锯片使用效果的影响因素系统分析   判断金刚石锯片使用效果的好坏,主要依据三项指标,即锯切效率、使用寿命、加工质量。上述三项使用效果指标,首先取决于锯片本身的性能,例如锋利性和耐用度。另一方面,还取决于是否合理选择和正确使用。造成锯片使用效果不佳的原因,绝不仅是锯片本身的质量问题,很多情况下是由于使用不当造成的。就目前国内情况来看,双方责任大致各占一半。   金刚石锯片性能和使用效果影响因素概括起来,包括制造因素(原材料、制造工艺与装备)和使用因素(合理选择和正确使用)两个方面[3]。 4金刚石锯片的制造   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,常称之为刀头。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片,钎焊锯片的基体、刀头结合面靠钎料熔化渗透而连接,抗弯强度低,其弯曲强度仅为350~600N/mm2,承载能力差,特别是干切时,锯片由于受热到高温时钎料软化,常导致刀头脱落,而引起伤害操作人员的危险,所以,国外从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,故大大减少了应力和基体的变形;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1800N/mm2,可应用于干切场合[4]。 5对金刚石锯片切割的相关研究   石材加工工业的蓬勃发展,对金刚石切割工具的性能提出了更高的要求。不仅要求其切割速度更快,寿命长;而且要求工具切割石材的种类范围更广,切割质量更好。为此,国内外有关学者进行了大量的有针对性的工作。  5.1提高金刚石工具的性能  5.1.1添加稀土元素   金刚石制品主要是由粉末冶金的方法制成,其胎体成分多为硬质合金,稀土元素对硬质合金性能的改善可望对金刚石工具的性能同样发挥作用:(1)稀土元素的加入能提高胎体金属对金刚石的浸润性,增强粘结能力;(2)稀土元素的加入能提高胎体材料的抗弯强度、耐磨性、抗冲击韧性等,提高金刚石工具的质量;(3)稀土元素能降低粘结金属的熔点,降低金刚石制品的烧结温度,从而减少热压法高温造成的金刚石质量下降。   5.1.2自蔓延高温合成技术的应用   自蔓延高温合成简称SHS也称为燃烧合成,是近20年来发展起来的、依靠化学反应自身放热来制备材料的新技术。通常,胎体中加入金刚石以后,由于金刚石的“夹杂”作用,胎体的抗弯强度下降,但通过反应热压在金刚石与胎体间形成碳化物过渡层后,胎体抗弯强度的下降幅度要小得多。  5.1.3采用预合金胎体金属粉末   胎体金属粉末的预合金化有如下优点:(1)合金熔点比单元素熔点低,可使一些高强度金属通过合金化后降低熔点,以达到烧结金刚石制品的要求;(2)合金和单元素金属相比,具有较高的物理机械性能,易于满足金刚石制品胎体性能要求;(3)合金抗氧化性比单元素强,烧结性能好,易于保存;(4)预合金粉末比机械混合粉末均匀,对金刚石的浸润性好;(5)合金粉末具有单一的熔点,从而避免了机械混合粉末胎体烧结中最常出现的成分偏析和低熔点金属先熔化并富集以及易氧化、挥发等缺陷,从而可保证金刚石制品的质量,制品的机械性能也大有提高。  5.1.4活化烧结的应用   活化烧结是采用化学或物理的措施,是烧结温度降低,烧结过程加快,或使烧结体的密度和其它性能得到提高。  5.1.5设计合理的结构  5.1.6金刚石表面金属化   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,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。其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,是金刚石表面形成均匀的化学键合层。

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