刍议金刚石锯片定向有序排列技术的现实应用

        在传统金刚石锯片刀头的制造工艺中，绝大部分都是采用金刚石包覆制粒和预合金胎体粉末三维混料工艺，为了预防金刚石偏析，采用加入浸润剂液体石蜡或蒸馏水等方法，但这都无法从根本上解决金刚石在胎体中随机分布的问题。胎体中随机分布的金刚石很容易产生堆积和偏析。在金刚石堆积区，金刚石得不到有效利用导致浪费，特别是无间隔多颗粒金刚石由于把持力不牢固，在切削过程中几乎不工作而自行脱落; 在金刚石少有区，金刚石浓度过低，单颗粒承受工作载荷大，冲击力变大，金刚石颗粒受冲击破碎而过早脱落。如何能实现金刚石颗粒在金刚石节块中的均衡分布，并与金刚石刀头的品质定位和价格定位相匹配，从而很大限度地优化金刚石刀头的切割效益？这一直是银天的产品研发行家们苦苦探索的课题。
 

（一）有序排列金刚石锯片代表石材工具技术创新的方向和趋势
        在湖北银天钻石科技有限公司的产品试切实验场所里，工程师们采用2种常规的花岗岩锯片、2种常规的大理石锯片，和1种有序排列的花岗岩锯片和大理石锯片，进行对比测试，结果: 同等条件( 同胎体、同金刚石品级和浓度) 下，有序排列的金刚石锯片均比常规锯片切割速度提高20%以上，使用寿命提高25%以上。不仅如此，有序排列的金刚石锯片与同胎体、金刚石浓度高5%的常规锯片相比，切割速度仍能提高15%以上，寿命提高20%以上。 金刚石有序排列锯片在节省金刚石用量、减少金刚石锯片成本的基础上，大大提高了金刚石锯片的切割效率，和使用寿命。这充分体现了有序排列金刚石锯片的优越性。
        根据银天钻石科技有限公司的测验数据，以及小批量生产投放市场后的用户反馈报告，厚度为2.8mm的大理石刀头在横向上排列6层金刚石单晶时（每层金刚石与薄坯的排列图1所示），锯片的切割寿命很长，而且切出的石材效果达到没有过的理想状况。这正是上档次大理石的加工商们追求的目标。

图1

        银天钻石科技有限公司，对所研发的有序排列式的花岗岩锯片和大理石锯片的试切实验表明，它与同胎体、同金刚石品级和浓度的常规锯片相比，无论是切割速度还是使用寿命都有一定程度的提高。其中，平均切割速度较常规锯片提高20%左右，使用寿命提高30%左右。而且，有序排列的金刚石锯片与同胎体、金刚石浓度高5%( 体积分数高1.25%) 的常规锯片相比，切割速度仍能提高15%以上，寿命提高20%左右。这充分验证了，金刚石单晶在刀头内实现有序排列后的突出优势。
        在常规的金刚石锯片胎体中，由于金刚石颗粒是无序排列的，有些出刃高的金刚石颗粒受到很大的荷载或冲击，导致这些颗粒在初始阶段就易于碎裂; 同一平面上剩余的金刚石颗粒必定会承受更大的荷载，这种恶性循环必定会加大金刚石的脱落速度，降低金刚石锯片的使用寿命。而在有序排列金刚石颗粒的锯片上，同一平面上金刚石的出刃高度是相同的，每颗金刚石均匀承受荷载，很大程度上降低了金刚石的碎裂速度，提高了金刚石锯片的使用寿命。

图2：有序排列的金刚石锯片的刀头展示

（二）有序排列金刚石锯片的制备工艺复杂生产成本高昂现实转化困难
        有序排列的金刚石锯片，在石材（花岗岩板材/大理石板材/陶瓷板/微晶石板等）切割领域里，对技术研发导向带来的价值是极其重大的，然而，当前还很难转化为现实的经济效益。理由是，目前该项技术的应用成本十分高昂，还很难为中国的石材工具制造商们引入生产领域。
       有序排列的金刚石锯片的刀头，在制备工艺上，与普通的金刚石刀头有着较大差异（如图1所示）。例如：( 1)必须加工自动冷压模的上压头，要在上压头顶部，预先设计、分布点阵小球柱;( 2) 将预合金胎体粉末和金刚石单晶分别制粒，使金刚石单晶在包覆制粒过程中，制成大小均匀的球状颗粒;( 3) 调整、改造自动冷压机的程序，将金刚石颗粒和胎体粉末分别装入自动冷压机的料斗中，实现胎体粉末和金刚石分别进料;( 4)在胎体粉末单边进料后，务必把胎体粉末压成小薄片。（5）在压制过程中，上压头就带有了预定排列式凸起的球柱，使胎体薄片表面压有与预定排列形式相对应的小圆坑。( 5) 驱动金刚石料车进料，在每个圆坑里正好落入一颗制成的球状金刚石粒，随后把多余的金刚石刮走，再轻轻复压一次，金刚石有序排列式薄压坯完成成型，如图3所示：

图3：金刚石单晶有序分布刀头

对以上有序排列金刚石锯片生产关键工艺技术的简述：
        1.金刚石在预合金粉末中无法自然定向和有序排布，所以要先把胎体粉末冷压成片状的薄坯，然后再把金刚石定向有序的布置于薄坯上。一个刀头中薄坯的层数根据设计的金刚石层数来计算（薄坯的层数=金刚石的层数-1）。每层薄坯所用的粉料量=刀头的总重量/薄坯层数。
        2.依照计算模拟设计的金刚石排布方式，用中小功率的激光器，在紫铜模板上打正六面型的孔。所选择的紫铜板的厚度要比金刚石的平均直径略大，大约为0.5mm左右，以保证金刚石能够完全掉进孔洞内。打孔的大小应该大于金刚石平均直径的1倍并小于平均直径的2倍，以保证每个孔洞都能纳入一粒金刚石，而不能容纳两粒金刚石。并且，落入孔内的金刚石单晶，其朝向一致，比例为75%，从而实现金刚石单晶的定向分布。
        3.在胎体薄坯上喷洒薄薄一层特殊的压敏胶，然后把打孔紫铜模板覆在薄坯上，把金刚石撒在铜板上，然后将金刚石扫入孔内，确保每一个孔里面都会有一粒金刚石。揭开打孔紫铜模板，金刚石即在胎体上形成了有序的排列。
        4.把多层布有定向有序金刚石的薄坯组合在一起，用冷压机制成刀头形状，为了尽量排除掉喷洒的压敏胶，把冷压成型的刀头放入真空烧结炉，在400℃的温度下放置半个小时左右，使压敏胶充分挥发。
        5.烧结炉出来的刀头和压制好的过的曾一起装模、热压烧结。烧结时要采用竖向装模横向加压，以保证烧结出来后金刚石颗粒仍然有序排列。
        6.很后拆模、磨弧、焊接、开刃、修整。
        每个单位的有序排列金刚石锯片的制作工艺流程，比普通金刚石锯片的生产耗时平均加长30分钟以上，再加上配套设备的投资，辅助设施的增添，以及对高技术工人的需求，致使有序排列金刚石锯片的开发与生产成本高置不下，而市场效益尚不明朗，这很难为当前中国石材工具行业所普遍接受。因此，我们认为，严格意义上的有序排列金刚石锯片的应用时代尚未来临。