金剛石加工技術(shù)的興起、金剛石技術(shù)的應(yīng)用給世界石材工業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)“革命”。在以相對(duì)刻劃為基礎(chǔ)的摩氏硬度級(jí)別中，金剛石被列為最硬的一級(jí)。將其與結(jié)合劑通過(guò)燒結(jié)、電鍍等方法結(jié)合起來(lái)做成的超硬材料工具，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材、機(jī)械、汽車(chē)及國(guó)防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。各種金剛石工具及其它高新技術(shù)相結(jié)合，使石材開(kāi)采和加工變得更加容易、成本更低。從而使石材生產(chǎn)從粗放形走上了自動(dòng)化、機(jī)械化、連續(xù)化的大批量、大規(guī)模和文明、安全生產(chǎn)的道路上。 

影響石材加工性的主要因素 

    石材的加工主要是鋸、切、磨、拋。石材的可加工性是指鋸、切、磨、拋加工的難易程度。鋸、切相同，磨、拋雖有差別，但很相近。因此一般石材的可加工性通常指可鋸性和可磨性［1］。影響石材加工性的主要因素有： 

    （1）硬度 

    一般情況下，石材硬度越大，則加工越困難，對(duì)工具的磨損也越大。 
    
    （2）礦物成分和化學(xué)成分 

    石材的物質(zhì)組分物質(zhì)組分包括礦物組成和化學(xué)成分，不同的礦物成分和化學(xué)成分，加工性也不同。如大理石造巖礦物主要為方解石、白云石，其摩氏硬度分別是3和3.5－4，較花崗石硬度低，易于加工?；◢徥闹饕鞄r礦物是石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石，它們的摩氏硬度為6.5－7。其可加工性在很大程度上取決于石英和長(zhǎng)石的含量，含量越高，越難加工。在化學(xué)成分上，如SiO2含量愈高，加工愈困難。 

    （3）巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 

    一般來(lái)說(shuō)，顆粒均勻比不均勻的石材易加工，細(xì)粒比片狀磨光質(zhì)量高，致密石材比疏松石材光澤度高。礦物結(jié)晶程度好，且定向排列、光軸方向一致將大大提高拋光后的光澤度。巖石的解理、晶界和初始裂紋對(duì)加工性也是很重要的影響因素。 

    此外，所選的加工工具以及工藝參數(shù)都是一個(gè)必須考慮的影響因素。 

    建筑裝修用的飾面石材主要有大理石和花崗石兩大類。將飾面石材荒料加工成建筑裝飾板材 ,其主要工序?yàn)殇徢?、研磨拋光、切割成品板材、修邊倒角開(kāi)槽。其中鋸切工序最為關(guān)鍵 ,它決定著產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量[ 2]。而在鋸切加工中有以金剛石鋸片用的最多。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料估計(jì)，目前世界上工業(yè)金剛石50％左右用于制造石材加工工具，其中主要是石材加工鋸片。下邊就金剛石鋸片的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)討論。 
    
金剛石鋸片使用效果的影響因素系統(tǒng)分析 
    
    判斷金剛石鋸片使用效果的好壞，主要依據(jù)三項(xiàng)指標(biāo)，即鋸切效率、使用壽命、加工質(zhì)量。上述三項(xiàng)使用效果指標(biāo)，首先取決于鋸片本身的性能，例如鋒利性和耐用度。另一方面，還取決于是否合理選擇和正確使用。造成鋸片使用效果不佳的原因，絕不僅是鋸片本身的質(zhì)量問(wèn)題，很多情況下是由于使用不當(dāng)造成的。就目前國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，雙方責(zé)任大致各占一半。 
    
    金剛石鋸片性能和使用效果影響因素概括起來(lái)，包括制造因素（原材料、制造工藝與裝備）和使用因素（合理選擇和正確使用）兩個(gè)方面。 
    
金剛石鋸片的制造 
    
    金剛石鋸片的本質(zhì)是基體通過(guò)適當(dāng)胎體材料將金剛石嵌鑲固定。它是在鋼的基體上焊接一種由金剛石顆粒與胎體材料組成的復(fù)合燒結(jié)體，常稱之為刀頭。目前 ,國(guó)內(nèi)采用的連接方法主要是釬焊和冷壓燒結(jié)。冷壓燒結(jié)主要用于小片，釬焊鋸片的基體、刀頭結(jié)合面靠釬料熔化滲透而連接，抗彎強(qiáng)度低，其彎曲強(qiáng)度僅為350～600N/mm2，承載能力差，特別是干切時(shí)，鋸片由于受熱到高溫時(shí)釬料軟化，常導(dǎo)致刀頭脫落，而引起傷害操作人員的危險(xiǎn)，所以，國(guó)外從 80年代后期就發(fā)展激光焊代替釬焊。激光焊與釬焊比較，有許多顯著優(yōu)點(diǎn)，由于激光受熱面積小，熱影響區(qū)小，故大大減少了應(yīng)力和基體的變形；對(duì)金剛石沒(méi)有影響，保證了產(chǎn)品的最佳性能，特別是激光焊屬于熔化焊，結(jié)合強(qiáng)度高，其彎曲強(qiáng)度達(dá)1800N/mm2，可應(yīng)用于干切場(chǎng)合。

對(duì)金剛石鋸片切割的相關(guān)研究
    
    石材加工工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)金剛石切割工具的性能提出了更高的要求。不僅要求其切割速度更快，壽命長(zhǎng)；而且要求工具切割石材的種類范圍更廣，切割質(zhì)量更好。為此 ,國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的有針對(duì)性的工作。 
    
    1.提高金剛石工具的性能 
    
    （1）添加稀土元素 
    
    金剛石制品主要是由粉末冶金的方法制成，其胎體成分多為硬質(zhì)合金，稀土元素對(duì)硬質(zhì)合金性能的改善可望對(duì)金剛石工具的性能同樣發(fā)揮作用：稀土元素的加入能提高胎體金屬對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性，增強(qiáng)粘結(jié)能力；稀土元素的加入能提高胎體材料的抗彎強(qiáng)度、耐磨性、抗沖擊韌性等，提高金剛石工具的質(zhì)量；稀土元素能降低粘結(jié)金屬的熔點(diǎn)，降低金剛石制品的燒結(jié)溫度，從而減少熱壓法高溫造成的金剛石質(zhì)量下降。 
    
    （2）自蔓延高溫合成技術(shù)的應(yīng)用 
    
    自蔓延高溫合成簡(jiǎn)稱SHS也稱為燃燒合成，是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的、依靠化學(xué)反應(yīng)自身放熱來(lái)制備材料的新技術(shù)。通常，胎體中加入金剛石以后，由于金剛石的“夾雜”作用，胎體的抗彎強(qiáng)度下降，但通過(guò)反應(yīng)熱壓在金剛石與胎體間形成碳化物過(guò)渡層后，胎體抗彎強(qiáng)度的下降幅度要小得多。 
    
    （3）采用預(yù)合金胎體金屬粉末 
    
    胎體金屬粉末的預(yù)合金化有如下優(yōu)點(diǎn)：合金熔點(diǎn)比單元素熔點(diǎn)低，可使一些高強(qiáng)度金屬通過(guò)合金化后降低熔點(diǎn)，以達(dá)到燒結(jié)金剛石制品的要求；合金和單元素金屬相比，具有較高的物理機(jī)械性能，易于滿足金剛石制品胎體性能要求；合金抗氧化性比單元素強(qiáng)，燒結(jié)性能好，易于保存；預(yù)合金粉末比機(jī)械混合粉末均勻，對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性好；合金粉末具有單一的熔點(diǎn)，從而避免了機(jī)械混合粉末胎體燒結(jié)中最常出現(xiàn)的成分偏析和低熔點(diǎn)金屬先熔化并富集以及易氧化、揮發(fā)等缺陷，從而可保證金剛石制品的質(zhì)量，制品的機(jī)械性能也大有提高。 
    
    （4）活化燒結(jié)的應(yīng)用 
    
    活化燒結(jié)是采用化學(xué)或物理的措施，是燒結(jié)溫度降低，燒結(jié)過(guò)程加快，或使燒結(jié)體的密度和其它性能得到提高。 
    
    （5）設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu) 
    
    （6）金剛石表面金屬化 
    
    在以Fe、Cu、Co、Ni等為主的結(jié)合劑制成的金剛石工具中，由于以共價(jià)結(jié)合的金剛石晶體與上述結(jié)合劑無(wú)化學(xué)親和力，界面不浸潤(rùn)等原因，金剛石顆粒只能被機(jī)械地鑲嵌在結(jié)合劑基體中。在磨削力的作用下，當(dāng)金剛石磨粒被磨露到最大截面之前，胎體金屬就失去了對(duì)金剛石顆粒的卡固而自行脫落，使金剛石工具的使用壽命和加工效率降低，金剛石的磨削作用得不到充分發(fā)揮。因此，金剛石表面具有金屬化特征，則可以有效地提高金剛石工具的使用壽命和加工效率。其實(shí)質(zhì)是將成鍵元素如Ti或其合金直接鍍附在金剛石表面，通過(guò)升溫加熱處理，是金剛石表面形成均勻的化學(xué)鍵合層。通過(guò)鍍附處理的金剛石磨粒，在金剛石工具制造熱壓固相燒結(jié)或冷壓液相燒結(jié)過(guò)程中，鍍層與金剛石反應(yīng)形成化學(xué)結(jié)合使金剛石表面金屬化。另一方面，金屬化的金剛石表層又能順利地與金屬胎體結(jié)合劑實(shí)現(xiàn)金屬間的冶金結(jié)合。因此，鍍鈦及合金的金剛石對(duì)冷壓液相燒結(jié)及熱壓固相燒結(jié)具有廣泛的適用性。這樣胎體合金對(duì)金剛石磨粒的固結(jié)力提高了，減少了金剛石工具在使用過(guò)程中磨粒的脫落，從而提高了金剛石工具的使用壽命和效率。目前用于改變金剛石表面性質(zhì)的方法主要有化學(xué)鍍、真空蒸鍍和離子鍍等。 
    
    （7）采用超細(xì)或納米級(jí)材料 
    
    粉末粒度越細(xì)，表面積越大，表面能越高，燒結(jié)過(guò)程越易進(jìn)行，機(jī)械性能也越高。 
    
    納米級(jí)材料使用納米技術(shù)制成的納米級(jí)尺度的物體。由于納米材料的顆粒極其微小，比表面積劇增，表面活性很強(qiáng)，在粉末冶金、石化、航天、軍工、能源、機(jī)械、電子和探礦等眾多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 
    
    2.金剛石鋸片的磨損 
    
    金剛石鋸片的磨損性能是反應(yīng)鋸切工藝參數(shù)合理性、鋸切工具性能、石材可鋸切加工性的重要指標(biāo)之一。 
    
    金剛石鋸片的磨損狀況對(duì)其鋸切能力和鋸切過(guò)程的穩(wěn)定性有著重要的影響，保持切削刃鋒利是獲得鋸切過(guò)程穩(wěn)定的決定性因素。石材鋸切過(guò)程是磨粒切削加工過(guò)程，因此，在鋸切過(guò)程中應(yīng)不斷有金剛石磨粒的機(jī)械微破碎及相應(yīng)的胎體磨損，以產(chǎn)生新的鋒利的刀刃，保證一定的鋸切效率。 
    
    金剛石磨粒從胎體中出刃到脫落而完全喪失切削能力要經(jīng)歷一定的磨損過(guò)程。典型的金剛石磨損過(guò)程為：金剛石出刃→達(dá)到工作高度→破碎→結(jié)合劑磨蝕→金剛石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脫落。由于金剛石磨粒在鋸片工作面上分布不規(guī)則，所經(jīng)歷的磨損階段有所差異。金剛石磨損整個(gè)過(guò)程可以分為初期磨損（出刃）、正常磨損、急劇磨損三個(gè)階段，而正常磨損階段又可能有以下三種不同的磨損路線：

    （1） 初期磨損→局部磨損→大面積破碎； 
    
    （2） 初期磨損→拋光→局部破損→大面積破碎； 
    
    （3） 初期磨損→拋光→整體破碎。
    
    金剛石鋸片的磨損可分為金剛石磨粒的磨損和金剛石結(jié)塊胎體的磨損，有關(guān)金剛石鋸片的磨損機(jī)理的研究大多集中在金剛石磨粒的磨損機(jī)理研究。M.W,Bailey等人通過(guò)顯微觀察鋸切工具上金剛石磨粒的磨損過(guò)程和磨損形貌，將金剛石磨粒的磨損形態(tài)分為:出刃良好、磨平、破碎、脫落四種形式。劉全賢等人則進(jìn)一步將金剛石磨粒的磨損形態(tài)分為五種主要形式，即初期出刃、拋光、局部破碎、大面積或整體破碎、脫落，并認(rèn)為鋸切過(guò)程中交變的機(jī)械載荷和熱載荷及金剛石的內(nèi)部缺陷決定著磨粒磨損形態(tài)。王成勇等人通過(guò)研究，提出了新的金剛石磨損形態(tài)分類法，即把金剛石磨粒的磨損形態(tài)分為：良好及微破碎、端部破碎、磨平、局部脫落、脫落凹坑、出刃六種形態(tài)。這種新的分類方法可更好的描述鋸切過(guò)程中金剛石磨粒的磨損過(guò)程。金剛石的磨損形態(tài)決定著鋸片的鋸切性能鋸片工作面上微破碎、局部破碎的金剛石磨粒數(shù)越多，鋸片越鋒利，切削效率相應(yīng)提高，但鋸片使用壽命低；磨平、拋光的金剛石磨粒越多，切削力越大，切削效率隨之降低，而鋸片使用壽命有所提高，因此，許多研究者都認(rèn)為，鋸片工作面上各種金剛石磨損形態(tài)之間存在一個(gè)最佳比值，使得鋸片的鋸切性能最優(yōu)，但比值大小取決于石材材質(zhì)和對(duì)鋸切加工工藝的要求。 
    
    金剛石磨粒的磨損過(guò)程中，不斷進(jìn)行的微破碎、局部破碎過(guò)程使得新的切削刃不斷產(chǎn)生，鋸片處于鋒利切削狀態(tài)，切削效率高。切削功率消耗降低，但不斷的微破碎、局部破碎將導(dǎo)致金剛石磨粒大面積破碎，鋸片使用壽命降低；而金剛石的不斷磨平和拋光會(huì)使切削刃鈍化，切削力增大，切削效率降低，但鋸片的使用壽命有所提高。 
    
    　3.金剛石圓鋸片的受力分析 
    
    （1）鋸片的力學(xué)模型的建立 
    
    一般情況下，圓盤(pán)鋸片的厚度相對(duì)直徑較小，因此對(duì)其受力分析時(shí)，可以按平面應(yīng)力問(wèn)題處理。鋸片放在鋸機(jī)主軸上并由法蘭盤(pán)加緊，因此鋸片中心孔的六個(gè)自由度都受到限制。鋸片受力主要瞬時(shí)與石材切割相接觸的金剛石鋸齒上。參與切割的鋸齒數(shù)與切割深度有關(guān)。

    切割深度越大，參與切割的齒數(shù)越多。作用在鋸齒上的力是切向力，因此把切向力分解成X方向和Y方向的兩個(gè)分力并按集中力作用在鋸齒節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)鋸片電機(jī)功率確定以后，切向力大小由鋸片線速度而定。 

    （2）鋸齒受力分析的靜力學(xué)方法 
    
    鋸切力是衡量鋸切工藝參數(shù)合理性、金剛石鋸片耐用度、切割質(zhì)量和石材材料的可切割性等方面的重要數(shù)據(jù)。

    鋸切時(shí)，金剛石鋸片的鋸齒對(duì)石材產(chǎn)生的切割力有兩個(gè)：一個(gè)是法向力Fn，另一個(gè)是沿線速度方向的切向力Ft。鋸切力Ft是鋸片的主切割力，直接影響鋸切功率。垂直力Fn則直接影響鋸片的剛度、穩(wěn)定性和耐磨損等特性。但由于Fn和Ft直接測(cè)量比較困難，把切向力Ft和垂直法向力Fn分解成沿進(jìn)給方向切割力Fx和切割深度方向的垂直力Fy。在某瞬時(shí)，可以把Fn和Ft投影到x、y軸上，通過(guò)上述幾何關(guān)系，可得到： 
    
    　　FX＝Fnsinθ＋Ftcosθ，                    Fn＝－Fcosθ＋Ftsinθ 
    
    式中θ是取某瞬時(shí)，切割石材中點(diǎn)直徑與垂直方向的夾角，也是鋸片從切割最低點(diǎn)沿切割軌跡轉(zhuǎn)到切削中點(diǎn)時(shí)的夾角。
    
    （3）對(duì)加工機(jī)理的研究 
    
    石材加工是從傳統(tǒng)的金屬切削加工衍生出來(lái)的一個(gè)新的學(xué)科分支。多年來(lái)人們雖然圍繞石材的加工設(shè)備、工具以及工藝方法做了不少工作，但因石材加工的歷史不長(zhǎng)，有關(guān)的機(jī)理研究工作還明顯落后于生產(chǎn)應(yīng)用，再加上石材市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，一些有價(jià)值的研究成果多被視作商業(yè)機(jī)密極少公開(kāi)交流，因此無(wú)論是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，石材加工這一新的分支至今仍未形成一套有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際的理論支撐體系。事實(shí)上，不論何種花崗石材，它們都可以被看作是一種非均質(zhì)各向異性的硬脆性天然復(fù)合材料。實(shí)際鋸切花崗石材時(shí)其可能的狀態(tài)不外以下三種：磨粒相對(duì)于石材的干涉切深過(guò)小，相應(yīng)的干涉力不足以使石材產(chǎn)生需要的解理破壞，磨粒與石材間多為激烈的擠壓滑擦和耕犁刻劃，此時(shí)去除的材料多呈粉末狀。在這種狀態(tài)下鋸切，不僅材料去除率極低，且因鋸切比能高，溫升明顯，磨粒磨損極為嚴(yán)重，故鋸片壽命極低；磨粒相對(duì)于石材的干涉切深過(guò)大，磨粒與石材間作用的干涉力過(guò)大，在這種狀態(tài)下鋸切雖可獲得高的材料去除率，但同時(shí)也會(huì)因超負(fù)荷工作導(dǎo)致磨粒過(guò)早地破碎和脫落，鋸片壽命同樣很低；磨粒與石材間有比較合理和適宜的干涉切深以及相應(yīng)的干涉力，在此種狀態(tài)下鋸切，不僅石材可因理想的解理性碎斷而獲得極高的去除率，而且由于以解理為主的鋸切過(guò)程輕松平穩(wěn)，鋸片本身也可獲得最高的壽命。

    對(duì)鋸切加工機(jī)理的研究從早期開(kāi)始使用的單顆?；媳砻嫘蚊灿^察方法，逐漸發(fā)展到綜合使用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察礦物成份及劃痕形貌、用聲發(fā)射信號(hào)評(píng)價(jià)切削狀態(tài)。近年來(lái)，這種加強(qiáng)了巖石礦物特征等對(duì)鋸切工程的各種現(xiàn)象如鋸切力、刀具磨損和鋸切工藝等的影響研究。 
    
    （4）對(duì)基體的研究 
    
    鋸片以高速旋轉(zhuǎn)對(duì)石材進(jìn)行切割，通常切割花崗石的線速度為25～40m／s，切割大理石為45～60m／s。具有一定振動(dòng)頻率的基體，在切割過(guò)程中振動(dòng)頻率增加，當(dāng)附加的頻率和固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振，這就要求基體具有高的彈性極限和屈強(qiáng)比；其次，由于機(jī)體的不平度，或是鋸片安裝不良等，切割時(shí)產(chǎn)生側(cè)壓力使基體反復(fù)彎曲，導(dǎo)致基體剛度降低，或發(fā)生疲勞強(qiáng)度。所以，基體還應(yīng)具有高的剛度和疲勞強(qiáng)度；再者，鋸片在切割過(guò)程中，基體要承受循環(huán)的切割壓力和沖擊力，因此，基體還用具有高的抗拉強(qiáng)度和一定的沖擊韌度。 
    
    鋼的化學(xué)成分和熱處理狀態(tài)，決定制品的機(jī)械性能和使用壽命。對(duì)于要求具有鋸片基體這樣機(jī)械性能高的制品，通常采用含碳量較高的碳素鋼或合金鋼制造，并經(jīng)淬火、中溫回火，以保證得到符合性能要求的回火托氏體組織。鋼中含碳量的高低對(duì)制品的機(jī)械性能影響很大。含碳量低時(shí)，使抗拉強(qiáng)度、彈性極限、疲勞強(qiáng)度等性能降低。反之，脆性增加。合金元素的種類和含量對(duì)制品的機(jī)械性能、工藝性能也有很大的影響。經(jīng)研究和實(shí)踐探索可知，適宜制造鋸片基體的材料為硅錳鋼。 
    
    熱處理規(guī)范是決定鋸片基體機(jī)械性能和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。采用中頻感應(yīng)加熱等溫淬火工藝有效地解決了基體采用 65Mn鋼的金剛石鋸片的鹽浴淬火存在的問(wèn)題［13］。此外，去應(yīng)力退火、穩(wěn)定化處理也是基體制造過(guò)程中不可忽視的工序［11］。 
    
    4.金剛石鋸片的開(kāi)發(fā) 
    
    隨著技術(shù)的發(fā)展，金剛石鋸片的家族越來(lái)越龐大，新式鋸片不斷得應(yīng)用到生產(chǎn)中。 
    
    （1）噪聲鋸片 
    
    金剛石鋸片在切割硬脆材料時(shí)，由于與被加工件的相互摩擦及沖擊，基體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，噪聲強(qiáng)度達(dá)到100～110dＢ，大大超過(guò)各國(guó)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的80～85ｄＢ。為降低噪聲，國(guó)外市場(chǎng)上很早就開(kāi)始銷(xiāo)售低噪聲鋸片，而我國(guó)則處于剛剛起步的階段。研制開(kāi)發(fā)低噪聲鋸片，大致遵循兩條途徑:一是改變基體結(jié)構(gòu)，在基體上用激光加工特定溝槽，在溝槽中填入阻尼材料；二是將基體分成3層組合而成，中間層采用阻尼材料。據(jù)報(bào)道，世界上大型金剛石工具制造廠之一，芬蘭的LevabtoOy公司生產(chǎn)的低噪聲鋸片近期已開(kāi)始供應(yīng)世界上最大的混凝土制件生產(chǎn)商AddtekGroupCo。LevabtoOy公司的低噪聲鋸片，采用德國(guó)的基體，在基體上有激光加工的環(huán)槽，環(huán)槽中填入阻尼材料。它的刀頭設(shè)計(jì)成三明治形式。經(jīng)檢測(cè)，噪聲強(qiáng)度可從100ｄＢ降至81～83ｄＢ。 
    
    （2）復(fù)合基金剛石鋸片 
    
    復(fù)合基金剛石鋸片采用低溫電沉積合金胎體和金剛石鑲嵌工藝，有效地解決了胎體機(jī)械性能差及對(duì)金剛石把持力弱的問(wèn)題。利用該技術(shù)工藝制備的胎體機(jī)械性能相當(dāng)于用冶金方法制備的胎體，具有優(yōu)良的抗彎強(qiáng)度并可根據(jù)各種石材特點(diǎn)，調(diào)整配方組成，使其具有適宜的硬度與韌性，適合金剛石的鑲嵌固定。