常用金属结合剂超硬材料工具 制备工艺及基本理论计算

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1 常用金属结合剂超硬材料工具 制备工艺及基本理论计算
内部技术培训 常用金属结合剂超硬材料工具 制备工艺及基本理论计算 河南黄河旋风股份有限公司 2013年8月 1

2 培训目的： 了解预合金粉在金刚石工具中的应用领域 掌握各类常见金刚石工具制备工艺及特点 掌握产品研发实验流程和基本理论计算 现场学习具体操作

3 目录 一、超硬材料工具简介 二、主要超硬材料工具特点及制备工艺 三、实验方法及基本理论计算 1.1 超硬材料工具的定义
1.2 超硬材料工具分类 1.3 我公司预合金粉主要应用领域 二、主要超硬材料工具特点及制备工艺 三、实验方法及基本理论计算 3

4 1.1 超硬材料工具的定义 超硬材料：通常是指金刚石和立方氮化硼。 超硬材料工具：将超硬材料通过各种方法制成的工具。
超硬材料适于用来制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工业上获得了广泛应用。 4

5 1.2 超硬材料工具分类 1.2.1 超硬材料工具按结合剂不同分为： 金属结合剂超硬材料工具； 电镀结合剂超硬材料工具；
树脂结合剂超硬材料工具； 陶瓷结合剂超硬材料工具。 金属结合剂超硬材料工具是以金刚石或立方氮化硼（CBN）为切磨材料，以金属粉末为结合剂，利用粉末冶金方法，利用压制成形、烧结以及必要的加工而成的一类制品。金属结合剂超硬材料工具是所有各类超硬材料制品中出现最早的一类，也是目前品种最多、用量最大、用途最广的一类。

6 1.2 超硬材料工具分类 1.2.2 超硬材料工具按用途分为 锯切工具 钻探工具 磨削工具 其他工具 （一）锯切工具
主要指各类切割锯片，包括圆锯片、排锯、绳锯等。主要用于切割大理石、花岗岩和混凝土等非金属材料。

7 1.2 超硬材料工具分类 圆锯片：主要有整体冷压烧结锯片、刀头热压焊接锯片。 墙槽干切片 φ105超薄涡轮片 陶瓷湿切片 激光焊接锯片 组锯
组锯刀头

8 1.2 超硬材料工具分类 排锯：又称框架锯或条锯，在一条长约3米钢板一侧按一定间距焊接刀头，一组排锯装在锯机上往复运动，向下施压将荒料切割成板材。 金刚石绳锯：金刚石绳锯是一种持殊的柔性切割工具，由若干金刚石串珠、弹簧、垫圈和钢丝绳组成。它的载体是一根钢丝绳，串珠按一定间距用注塑或注胶的方法固定在钢丝绳上。可用于异形板的切割、荒料整形、石材矿山开采以及桥梁、混凝上建筑构件的切割施工。

9 1.2 超硬材料工具分类 （二）钻探工具：按用途分，有： 地质勘探用厚壁取芯钻头； 钻进油(气)并用大直径全面钻头和取芯钻头；
建筑及施工用薄壁工程钻头； 其他钻玻璃等非金属材料专用钻头等等。 其中常用金属结合剂的有薄壁工程钻头和地质钻头。 薄壁钻 薄壁钻 地质钻

10 1.2 超硬材料工具分类 （三）磨削工具 常用金属结合剂的有： 磨轮 刮刀 磨盘 磨块 右图为几种常见磨削工具： 磨轮 双排磨轮 磨盘 刮刀

11 1.4 我公司预合金粉主要应用领域 我公司的预合金粉有主要产品20余种，广泛应用于金属结合剂超硬材料工具领域中，主要用在以下几种工具中：
整体烧结金刚石小锯片 中径花岗岩焊接锯片 水泥马路切割锯片 花岗岩大刀头 工程薄壁钻 陶瓷磨边轮 陶瓷刮刀 陶瓷磨块

12 目录 一、超硬材料工具简介 二、主要超硬材料工具特点及制备工艺 三、实验方法及基本理论计算 2.1 整体冷压烧结小锯片
2.2 刀头热压焊接锯片 2.3 焊接金刚石薄壁工程钻 2.4 陶瓷磨削工具（磨边轮、刮刀、磨块） 三、实验方法及基本理论计算 12

13 2.1 整体冷压烧结小锯片 2.1.1 简介 整体冷压烧结金刚石圆锯片是将带齿的钢基体安放在冷压模中间，在其上下倒入金刚石和金属粉末的混合料，装上压头，在冷压机上冷压成形，并放到烧结炉内烧结而成。 这种圆锯片都是φ400以内的小规格锯片，以φ105~230锯片居多。应用范围十分广泛，用于石材加工、陶瓷切割、家庭装修、混凝土工程的切割和公路的切缝等。 φ105干切片基体 φ105干切片

14 2.1 整体冷压烧结小锯片 2.1.2 工艺制备流程 基体清洗 配粉 混合 混合 混料 制粒（可选） 装模冷压 整体烧结 润湿剂 检验 抛光
配金刚石 混合 混料 制粒（可选） 装模冷压 整体烧结 润湿剂 检验 抛光 喷漆 开刃 包装入库

15 2.1 整体冷压烧结小锯片 2.1.3 工具特点 批量大，生产效率高，成本低，每片最低可到2元； 全程氢氮混合气保护烧结，气氛保护好；
胎体与基体一起冷压，对胎体成型性要求高； 致密度相对较低，一般90%以下，特别是无压片主要依靠胎体自身收缩提高致密度； 密度均匀性较差，切割衰减明显； 基体参与烧结，无法淬火，强度和刚度不够，不能用于高强度切割。 分为干切片和湿切片，干切片对锋利度要求较高，湿切片在保证锋利度基础上对切边效果和寿命都有一定要求。

16 2.1 整体冷压烧结小锯片 2.1.4 主要制作设备及工艺特点 钟罩炉（有压、无压） 井式炉（无压烧结） 产量大 操作简便
电阻加热，炉温均匀性差， 同炉烧出的上、中、下层锯片性能有差异 设备差异大，加压状态参差不齐 还原不均，刀头易氧化，切割衰减明显 井式炉（无压烧结） 批量大，每炉一两千片 烧结过程不加压，烧结时间长 致密度差，依靠胎体烧结收缩， 对金刚石把持力差 钟罩炉 井式炉

17 详细制作工艺再次专讲 2.1 整体冷压烧结小锯片 隧道炉（连续炉） 速度快、产量大、炉温均匀性好， 切割衰减慢 炉温调整慢
需准确掌握加压时机和压力大小 隧道炉 详细制作工艺再次专讲

18 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.1 简介 配制好的胎体粉末经过冷压后进行热压烧结，再将刀头焊接到基体上。Φ350~ Φ3000的锯片基本都是用焊接法制作，焊接锯片在超硬材料工具领域中占相当高的比例，主要应用于石材板材的加工、也用于高速公路、地下铁道、机场和桥梁等混凝土工程的切割施工。 按直径大小不同，一般Φ800以下锯片称为中径锯片（也有市场叫小刀头锯片），Φ800~Φ3000锯片称为大刀头。刀头结构形式有：常规、K型、T型、三明治、异形刀头。 按加工对象不同又分为花岗岩锯片、大理石锯片、陶瓷锯片、混凝土马路锯片等。

19 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.2 工艺制备流程 配粉 混合 混合 混料 制粒（可选） 冷压刀头 刀头热压烧结 润湿剂 去毛刺 基体清洗
配金刚石 混合 混料 制粒（可选） 冷压刀头 刀头热压烧结 润湿剂 去毛刺 基体清洗 磨弧 焊接 焊接强度检验 开刃 抛光 喷漆 包装入库

20 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.3 工具特点 烧结温度低，烧结时间短，产品质量好； 生产批量和生产效率相对整体烧结锯片低，生产成本高；
刀头致密化程度高，96%以上，对金刚石机械包镶性好； 与基体结合强度高，适于高强度作业； 切割稳定性好，相对整体烧结锯片衰减不明显。

21 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.4 主要制作设备及特点 （一）冷压 手动冷压： 自动冷压： 自动冲片 称重装料，重量误差小
效率低，劳动强度大 易出现刮料不匀、裂纹等 模具老化快，易漏料 自动冷压： 定容装料，重量误差大 三明治刀头可一次性压好 效率比手动高，劳动强度小 振动下粉过程易分层偏析 自动冲片 装料重量误差大 效率高，劳动强度小 振动下粉过程易分层偏析 下粉过程易分层偏析 手动冷压机 全自动冷压机 自动冲片机

22 2.2 刀头热压焊接锯片 （二）热压——全自动热压烧结 加热方式：电阻加热，升温速度快 测温方式：模具外部红外测温，比刀头实际温度低
加压方式： 定容加压烧结：以石墨压头“压平”为判断标准 定压烧结：按设定压力加压，需测量刀头尺寸为判断是否达到致密度 保温时间：根据刀头尺寸、数量及配方工艺要求而定， 一般0.5min~3min不等 气氛保护：一般无气氛保护，靠快速烧结和石墨还原 作用防止 氧化，但也有用真空烧结的。

23 2.2 刀头热压焊接锯片 （三）焊接 高频焊：通过高温熔化介质将刀头与基体焊接在一起，通常不用过 渡层，常用于花岗岩切割锯片，按焊剂不同可分为银焊和铜焊。 银焊：银含量高，焊接温度低，熔化快，对刀头损伤小，但成本高。 铜焊：银含量低，焊接温度高，焊接强度高，对刀头损伤大，成本低，近年 市场用的很多。 激光焊：通过高温激光束将刀头与基体接触边缘熔化形成冶金结合， 焊接强度高，热影响区小，基体不变形，但需要使用过渡层， 常用于混凝土马路锯片。 激光焊刀头

24 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.5 几种典型工具特点 （一）中径花岗岩锯片 用途：用于板材加水切割，对锋利度要求较高，对寿命也有一定要求；
结构特点：为提高锋利度，近年市场多为三明治刀头（三层），夹层不加或少加金刚石； 冷压：手动冷压、自动冷压都有；自动冷压可以多层同时冷压成型，也可以自动冲片，冲片后组装； 热压：烧结致密度至少96%以上，对金刚石机械包镶好； 气氛保护：一般无气氛保护，靠快速烧结和石墨还原作用防止氧化，但也有用真空烧结的； 焊接：一般都用高频焊，不加过渡层。

25 2.2 刀头热压焊接锯片 （二）混凝土马路锯片 用途：用于混凝土马路切割，对锋利度要求较高，对寿命也有一定要求，因此要求胎体硬度高和耐磨性高； 结构特点：为保证寿命，多为实心刀头，金刚石浓度和品级较花岗岩片高； 冷压：手动冷压、自动冷压都有； 热压：烧结致密度至少96%以上，对金刚石机械包镶好； 气氛保护：一般无气氛保护，靠快速烧结和石墨还原作用防止氧化，但也有用真空烧结的； 焊接：低档片多用高频焊，中高档片用激光焊，需加过渡层。

26 2.2 刀头热压焊接锯片 （三）花岗岩大刀头 用途：用于荒料加工成板材，切割时加水，对锋利度和寿命都有要求； 结构特点：
多为三明治刀头（五层、七层、九层），夹层可以用粉末也可以用铁片； 单片锯切割效率较低，多片单锯组成的组合锯，切割效率高。 金刚石：常做镀钛处理； 冷压：自动冲片，冲片后组装； 热压：烧结致密度至少96%以上，对金刚石机械包镶好； 气氛保护：一般无气氛保护，靠快速烧结和石墨还原作用防止氧化，但也有用真空烧结的； 焊接：一般都用高频焊，不加过渡层。

27 2.2 刀头热压焊接锯片 （四）大理石片和陶瓷片 陶瓷砖硬而脆，大理石比较软，易于切割，但都是脆性材料易于崩边。因此在锯片结构上都采用窄水槽，同样直径锯片的齿数比较多。 切割方式多为湿切，对锋利度要求较高，对切边效果要求较高； 要求切割稳定性好，所以对基体刚性要求较高； 金刚石粒度选用比花岗岩片都要细，一般用60/70以细金刚石； 胎体配方烧结温度低，一般都用银焊。

28 2.2 刀头热压焊接锯片 2.2.6 详细讲解 花岗岩大刀头由安文文详细讲解 中径花岗岩锯片由贾鹏飞详细讲解

29 2.3 焊接金刚石薄壁工程钻头 2.3.1 简介 焊接金刚石薄壁工程钻头泛用于建筑工程行业，用于楼房的管道铺设、设备安装、通风排气以及高速公路的质检取芯等行业。 现场施工图

30 2.3 焊接金刚石薄壁工程钻头 2.3.2 工艺制备流程 配粉 混合 过渡层混料 混合 工作层混料 冷压钻齿 刀头热压烧结 润湿剂 去毛刺
配金刚石 混合 工作层混料 冷压钻齿 刀头热压烧结 润湿剂 去毛刺 基体加工 磨弧 高频焊/激光焊 焊接强度检验 开刃 抛光 喷漆 包装入库

31 2.3 焊接金刚石薄壁工程钻头 2.3.3 工具特点 切削对象为非均质材料，既要钻进混凝土，又要切削钢筋，承受冲击载荷较大，易掉齿，对胎体强度和金刚石品级有较高要求； 以湿钻为主，也有少数要求干钻； 对胎体锋利度和寿命要求都较高，对金刚石有良好把持力，也要具有优良的散热性能； 钻齿采用冷压→热压工艺制作； 多采用过渡层，越来越多采用激光焊制作中高档钻头； 钻头结构形式有扇形钻齿、直形钻齿、环形钻齿三种； 加工精度要求高，同心度要好。 直形钻齿 扇形钻齿

32 2.4 陶瓷磨削工具 2.4.1 陶瓷加工工艺简介 陶瓷：是采用可塑性的粘土、非可塑性的石英和助熔剂长石等三种不同性质的原料进行合理的配置，经过原料加工制备处理，形成泥和颗粒、粉料，经成型、干燥、烧结而成的各种各样的制品。 加工工艺：烧成后的瓷砖半成品必须经过一系列加工后，才能成为我们在展厅看到的一块块光亮平整的精美瓷砖。瓷砖半成品的后续加工主要包括前磨边——刮平——抛光——后磨边——风干等步骤。

33 2.4 陶瓷磨削工具 2.4.2 陶瓷磨边轮 前磨边：主要是将不十分规则的砖坯磨成我们要求的尺码范围内，此环节对打磨的精度要求并不太高，一般使用较粗粒度金刚石。 后磨边：相对前磨边而言，就是把瓷砖的尺码和对角线磨成符合公司的内控标准，加工精度要求较高，对胎体锋利度和寿命要求较高，一般使用较细粒度金刚石。 工艺特点：采用冷压→热压法制成结块，焊接到基体上。 磨边轮

34 2.4 陶瓷磨削工具 2.4.3 陶瓷刮刀 用途：又称滚刀，主要适用于陶瓷砖坯抛光前的刮平定厚，用磨边轮进行前磨边后，利用金刚石刮刀铣平凹凸不平的砖面。 要求：锋利度好，不能刮花砖面，对寿命也有较高要求。 工艺特点：采用冷压→热压法制成结块，螺旋焊接到圆筒形基体上，制作工艺与磨边轮一样。 刮刀

35 2.4 陶瓷磨削工具 2.4.3 陶瓷磨块的制作 用途：用于刮平后抛光，又分为粗抛、中抛、精抛三个步骤，也就是将用于抛光的磨块由粗到细排列，将经过铣平的瓷砖表面逐步研磨成具有光泽度并呈现出砖坯原有的纹理。 工艺特点：将基体与模具组装在一起，先后将底层粉和工作层粉装入模具，直接热压烧结成结块，由粗号到细号，胎体配方和金刚石用法不同，要求胎体有较好的自锐性和排屑性； 磨块

36 目录 一、超硬材料工具简介 二、主要超硬材料工具特点及制备工艺 三、实验方法介绍及相关理论计算方法 3.1 理论计算方法
3.2 实验方法和流程 36

37 3.1 理论计算方法 3.1.1 理论密度计算

38 3.1 理论计算方法 常用组元理论密度 预合金粉可视为单一组元，理论密度由生产厂家提供。 组元 密度g/cm3 Fe 7.86 Al
2.70 Cu 8.96 Ti 4.51 Ni 8.90 TiH2 4.00 Co FeP 4.471 Sn 7.31 W 19.3 Zn 7.13 WC 15.70 Pb 11.34 SiC 3.2 Cr 7.19 8515 8.667 P 1.83 663 8.762 Si 2.33 C（石墨） 2.52 Mn 7.43 金刚石 3.52 预合金粉可视为单一组元，理论密度由生产厂家提供。

39 3.1 理论计算方法 请大家计算： 如果已知预合金粉A的密度是8.20 g/cm3，假设配方为： 则配方理论密度为？ 预合金粉A Fe Cu
Sn Zn wt% 50 18 25 3 4 理论密度g/cm3 8.20 7.86 8.96 7.31 7.13

40 3.1 理论计算方法 3.1.2 金刚石浓度相关计算 金刚石浓度含义： 金刚石浓度对照表
金刚石浓度为金刚石在刀头中所占体积的量。并且行业规定：金刚石体积占刀头总体积的1／4(相当于1cm3的胎体含0.88g金刚石)时的浓度为100％。 其余浓度以此为基准推算。 金刚石浓度对照表 浓度 /% 25 50 75 100 125 金刚石含量 /(g/cm3) 0.22 0.44 0.66 0.88 1.10 …… /(ct/cm3) 1.1 2.2 3.3 4.4 5.5 金刚石体积 6.25 12.5 18.75 25.00 31.25

41 3.1 理论计算方法 3.1.3 投料计算 金刚石计算： D＝V×q×γ1／4 公式可简化为: D＝V×q×0.88／1000
D——金刚石用量，g；（换算成ct的话再乘以5，即1g＝5ct）； V——刀头体积，长×宽×高，mm3； q——金刚石浓度，%。 γ1—— 金刚石密度，取3.52 g/cm3， γ1/4 ＝0.88 g/cm3 公式可简化为: D＝V×q×0.88／1000 刀头粉末计算： G粉=ρ理× G粉——粉末重量，g； ρ理——胎体粉末理论密度，g/cm3； 投料单重计算： G＝（D+G粉）×k G——投料单重，g； k——投料系数，根据不同损耗而定，一般k取101~105%不等； 粉末所占体积 V(1－q/4)/1000

42 3.1 理论计算方法 计算投料投料单重是多少？ 请大家计算：已知锯片刀头参数： 计算： 金刚石重量：D＝ V×q×0.88/1000
刀头尺寸 金刚石浓度 胎体理论密度 投料系数 40×3.2×10 mm 22% 8.0g/cm3 102% 计算： 金刚石重量：D＝ V×q×0.88/1000 ＝（40×3.2×10）×22%×0.88/1000 ＝0.248(g)＝1.24（ct） 粉末重量： G粉＝ρ理×V(1－q/4)/1000 ＝8.0×（40×3.2×10）×（1－22%/4）/1000 ＝9.677（g） 投料单重： G＝（D+G粉）×k ＝（ ）×102% ＝10.12(g)

43 3.2 实验方法和流程 3.2.1 实验流程 设计实验方案 物料准备及配混料 基本烧结性能测试 制品制作及性能测试 数据分析和整理

44 3.2 实验方法和流程 3.2.2 设计实验方案 课题选择，确定实验目的； 拟定实验步骤； 配方设计； 确定所用原材料种类及性能要求；
进行相关理论计算；

45 3.2 实验方法和流程 3.2.3 物料准备及配混料 按方案要求准备所需物料； 记录各物料标识的参数：
进行各项基本性能测试，包括：氧含量、松装密度、粒度、抗弯强度、硬度等； 将各物料指标进行详细记录，如下表：

46 3.2 实验方法和流程 配料： 混料： 物料封存： 将各种粉末有序排放在工作台上； 每种粉料在干净料盆中单独称量，再倒入混料盆；
称量误差控制在±0.02 g； 称量时轻拿轻放，避免洒粉（金刚石），不慎洒落的物料进行回收，不可再用。 混料： 将手动搅拌过的物料倒入混料容器（料盒或混料罐），并加入链条； 物料占容器容积的30%~70%，过多或过少都不利于混合均匀； 将混料容器密封好，在混料机上夹装牢固； 启动混料机进行混合，粉末先混合1h，倒出加入金刚石和润湿剂后再混0.5h。 物料封存： 当日未用完的物料必须在标识明确后，抽真空封口，分类存放在指定位置。

47 3.2 实验方法和流程 3.2.4 基本烧结性能测试 测试烧结温度、抗弯强度、硬度：
将混好的粉末按粉末烧结检测工艺烧制40×8×3.2 mm样块，先根据经验设定一个初始温度，根据烧结流料情况再上下浮动温度（一般每次20℃）； 记录实验现象，一般认为轻微流料或刚好不流料的温度是最佳烧结温度； 分别测量各温度烧结样块的重量、尺寸，计算各个样块的致密度（测量密度/理论密度）； 测试各样块抗弯强度和硬度，并计算平均值； 观察分析烧结样块断口颜色和组织状态，并拍照存档； 详细记录实验参数、实验现象和实验数据。

48 3.2 实验方法和流程 由王芬芬详细讲解冲击韧性测试方法 测试冲击韧性： 加金刚石烧结，砂轮机打磨：
烧结55×10×10 mm样块，在冲击韧性试验机上按GB/T 9096测试样块冲击吸收功，记录数据并计算平均值。 加金刚石烧结，砂轮机打磨： 加入金刚石（具体用法根据不同实验目的而定），混合均匀； 烧结40×8×6 mm样块； 手工在砂轮机上打磨，记录手感和火花大小（对经验要求较高），注意做好安全防护； 在显微镜下观察金刚石出刃状况，并拍照存档； 打开断口，在显微镜下观察胎体对金刚石包镶状况，并拍照存档； 必要时，对各断口取样做扫描电镜分析； 详细记录实验参数和实验现象。 由王芬芬详细讲解冲击韧性测试方法

49 3.2 实验方法和流程 3.2.5 制品制作及性能测试 根据实验目的制作相应制品； 对做好的制品进行切磨实验，主要测试锋利度和寿命；
详细记录实验参数、实验现象和实验数据； 观察切磨后金刚石出刃状况。

50 3.2 实验方法和流程 3.2.6 数据分析和整理 数据分析： 数据整理：
综合分析配方、烧结工艺、抗弯强度、硬度、冲击韧性、切磨性能等数据之间的影响关系，绘制相关变化曲线； 结合数据、断口组织、砂轮打磨、金刚石包镶与出刃情况进行分析，得出实验结论； 数据整理： 将实验过程中各种记录、数据、图表、分析结果整理成规范的实验报告； 将实验报告按编号存档。

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