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硬度与岩石构造成影响石材制品加工因素

   日期:2019-11-14     来源:互联网    作者:admin    浏览:21    评论:0    
核心提示:  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
  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。

  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。通过镀附处理的金刚石磨粒,在金刚石工具制造热压固相烧结或冷压液相烧结过程中,镀层与金刚石反应形成化学结合使金刚石表面金属化。另一方面,金属化的金刚石表层又能顺利地与金属胎体结合剂实现金属间的冶金结合。因此,镀钛及合金的金刚石对冷压液相烧结及热压固相烧结具有广泛的适用性。这样胎体合金对金刚石磨粒的固结力提高了,减少了金刚石工具在使用过程中磨粒的脱落,从而提高了金刚石工具的使用寿命和效率[7]。目前用于改变金刚石表面性质的方法主要有化学镀、真空蒸镀和离子镀等。

  5.1.7采用超细或纳米级材料[9]

  粉末粒度越细,表面积越大,表面能越高,烧结过程越易进行,机械性能也越高。

  纳米级材料使用纳米技术制成的纳米级尺度的物体。由于纳米材料的颗粒极其微小,比表面积剧增,表面活性很强,在粉末冶金、石化、航天、军工、能源、机械、电子和探矿等众多领域有广阔的应用前景。

  5.2金刚石锯片的磨损

  金刚石锯片的磨损性能是反应锯切工艺参数合理性、锯切工具性能、石材可锯切加工性的重要指标之一。

  金刚石锯片的磨损状况对其锯切能力和锯切过程的稳定性有着重要的影响,保持切削刃锋利是获得锯切过程稳定的决定性因素。石材锯切过程是磨粒切削加工过程,因此,在锯切过程中应不断有金刚石磨粒的机械微破碎及相应的胎体磨损,以产生新的锋利的刀刃,保证一定的锯切效率。

  金刚石磨粒从胎体中出刃到脱落而完全丧失切削能力要经历一定的磨损过程。典型的金刚石磨损过程为:金刚石出刃→达到工作高度→破碎→结合剂磨蚀→金刚石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脱落。由于金刚石磨粒在锯片工作面上分布不规则,所经历的磨损阶段有所差异。金刚石磨损整个过程可以分为初期磨损(出刃)、正常磨损、急剧磨损三个阶段,而正常磨损阶段又可能有以下三种不同的磨损路线:

  (1)初期磨损→局部磨损→大面积破碎;

  (2)初期磨损→抛光→局部破损→大面积破碎;

  (3)初期磨损→抛光→整体破碎。

  金刚石锯片的磨损可分为金刚石磨粒的磨损和金刚石结块胎体的磨损,有关金刚石锯片的磨损机理的研究大多集中在金刚石磨粒的磨损机理研究。M.W,Bailey等人通过显微观察锯切工具上金刚石磨粒的磨损过程和磨损形貌,将金刚石磨粒的磨损形态分为:出刃良好、磨平、破碎、脱落四种形式。刘全贤等人则进一步将金刚石磨粒的磨损形态分为五种主要形式,即初期出刃、抛光、局部破碎、大面积或整体破碎、脱落,并认为锯切过程中交变的机械载荷和热载荷及金刚石的内部缺陷决定着磨粒磨损形态。王成勇等人通过研究,提出了新的金刚石磨损形态分类法,即把金刚石磨粒的磨损形态分为:良好及微破碎、端部破碎、磨平、局部脱落、脱落凹坑、出刃六种形态。这种新的分类方法可更好的描述锯切过程中金刚石磨粒的磨损过程。金刚石的磨损形态决定着锯片的锯切性能锯片工作面上微破碎、局部破碎的金刚石磨粒数越多,锯片越锋利,切削效率相应提高,但锯片使用寿命低;磨平、抛光的金刚石磨粒越多,切削力越大,切削效率随之降低,而锯片使用寿命有所提高,因此,许多研究者都认为,锯片工作面上各种金刚石磨损形态之间存在一个最佳比值,使得锯片的锯切性能最优,但比值大小取决于石材材质和对锯切加工工艺的要求。

  金刚石磨粒的磨损过程中,不断进行的微破碎、局部破碎过程使得新的切削刃不断产生,锯片处于锋利切削状态,切削效率高。切削功率消耗降低,但不断的微破碎、局部破碎将导致金刚石磨粒大面积破碎,锯片使用寿命降低;而金刚石的不断磨平和抛光会使切削刃钝化,切削力增大,切削效率降低,但锯片的使用寿命有所提高[8]。

  5.3金刚石圆锯片的受力分析[10]

  5.3.1锯片的力学模型的建立

  一般情况下,圆盘锯片的厚度相对直径较小,因此对其受力分析时,可以按平面应力问题处理。锯片放在锯机主轴上并由法兰盘加紧,因此锯片中心孔的六个自由度都受到限制。锯片受力主要瞬时与石材切割相接触的金刚石锯齿上。参与切割的锯齿数与切割深度有关。图1为锯片切割示意图。由图1的几何关系可以得到参与切割的锯齿数Z与切割深度ap的关系式:

  Z=arcos(1?)

  式中:R—锯片半径;

  P—金刚石节块齿距。

  从公式可以看到切割深度越大,参与切割的齿数越多。作用在锯齿上的力是切向力,因此把切向力分解成X方向和Y方向的两个分力并按集中力作用在锯齿节点上。当锯片电机功率确定以后,切向力大小由锯片线速度而定。5.3.2锯齿受力分析的静力学方法锯切力是衡量锯切工艺参数合理性、金刚石锯片耐用度、切割质量和石材材料的可切割性等方面的重要数据。金刚石锯片锯割工程石材时力学模型如图1所示。

  锯切时,金刚石锯片的锯齿对石材产生的切割力有两个:一个是法向力Fn,另一个是沿线速度方向的切向力Ft。锯切力Ft是锯片的主切割力,直接影响锯切功率。垂直力Fn则直接影响锯片的刚度、稳定性和耐磨损等特性。但由于Fn和Ft直接测量比较困难,把切向力Ft和垂直法向力Fn分解成沿进给方向切割力Fx和切割深度方向的垂直力Fy。在某瞬时,可以把Fn和Ft投影到x、y轴上,通过上述几何关系,可得到:

  FX=Fnsinθ+Ftcosθ,

  Fn=-Fcosθ+Ftsinθ

  式中θ是取某瞬时,切割石材中点直径与垂直方向的夹角,也是锯片从切割最低点沿切割轨迹转到切削中点时的夹角,即θ=arccos(1-)

  5.4对加工机理的研究

  石材加工是从传统的金属切削加工衍生出来的一个新的学科分支。多年来人们虽然围绕石材的加工设备、工具以及工艺方法做了不少工作,但因石材加工的历史不长,有关的机理研究工作还明显落后于生产应用,再加上石材市场竞争激烈,一些有价值的研究成果多被视作商业机密极少公开交流,因此无论是在国外还是在国内,石材加工这一新的分支至今仍未形成一套有效指导生产实际的理论支撑体系。事实上,不论何种花岗石材,它们都可以被看作是一种非均质各向异性的硬脆性天然复合材料。实际锯切花岗石材时其可能的状态不外以下三种:(1)磨粒相对于石材的干涉切深过小,相应的干涉力不足以使石材产生需要的解理破坏,磨粒与石材间多为激烈的挤压滑擦和耕犁刻划,此时去除的材料多呈粉末状。在这种状态下锯切,不仅材料去除率极低,且因锯切比能高,温升明显,磨粒磨损极为严重,故锯片寿命极低。(2)磨粒相对于石材的干涉切深过大,磨粒与石材间作用的干涉力过大,在这种状态下锯切虽可获得高的材料去除率,但同时也会因超负荷工作导致磨粒过早地破碎和脱落,锯片寿命同样很低。(3)磨粒与石材间有比较合理和适宜的干涉切深以及相应的干涉力,在此种状态下锯切,不仅石材可因理想的解理性碎断而获得极高的去除率,而且由于以解理为主的锯切过程轻松平稳,锯片本身也可获得最高的寿命[6]。

  对锯切加工机理的研究从早期开始使用的单颗粒化上表面形貌观察方法,逐渐发展到综合使用偏光显微镜和扫描电镜观察矿物成份及划痕形貌、用声发射信号评价切削状态。近年来,这种加强了岩石矿物特征等对锯切工程的各种现象如锯切力、刀具磨损和锯切工艺等的影响研究[12]。

  5.5对基体的研究

  锯片以高速旋转对石材进行切割,通常切割花岗石的线速度为25~40m/s,切割大理石为45~60m/s。具有一定振动频率的基体,在切割过程中振动频率增加,当附加的频率和固有频率一致时,产生共振,这就要求基体具有高的弹性极限和屈强比;其次,由于机体的不平度,或是锯片安装不良等,切割时产生侧压力使基体反复弯曲,导致基体刚度降低,或发生疲劳强度。所以,基体还应具有高的刚度和疲劳强度;再者,锯片在切割过程中,基体要承受循环的切割压力和冲击力,因此,基体还用具有高的抗拉强度和一定的冲击韧度。

  钢的化学成分和热处理状态,决定制品的机械性能和使用寿命。对于要求具有锯片基体这样机械性能高的制品,通常采用含碳量较高的碳素钢或合金钢制造,并经淬火、中温回火,以保证得到符合性能要求的回火托氏体组织。钢中含碳量的高低对制品的机械性能影响很大。含碳量低时,使抗拉强度、弹性极限、疲劳强度等性能降低。反之,脆性增加。合金元素的种类和含量对制品的机械性能、工艺性能也有很大的影响。经研究和实践探索可知,适宜制造锯片基体的材料为硅锰钢。

  热处理规范是决定锯片基体机械性能和使用寿命的关键因素之一。采用中频感应加热等温淬火工艺有效地解决了基体采用65Mn钢的金刚石锯片的盐浴淬火存在的问题[13]。此外,去应力退火、稳定化处理也是基体制造过程中不可忽视的工序[11]。

  6金刚石锯片的开发

  随着技术的发展,金刚石锯片的家族越来越庞大,新式锯片不断得应用到生产中。

  6.1噪声锯片

  金刚石锯片在切割硬脆材料时,由于与被加工件的相互摩擦及冲击,基体产生剧烈振动,噪声强度达到100~110dB,大大超过各国噪声卫生标准要求的80~85dB。为降低噪声,国外市场上很早就开始销售低噪声锯片,而我国则处于刚刚起步的阶段。研制开发低噪声锯片,大致遵循两条途径:一是改变基体结构,在基体上用激光加工特定沟槽,在沟槽中填入阻尼材料;二是将基体分成3层组合而成,中间层采用阻尼材料。据报道,世界上大型金刚石工具制造厂之一,芬兰的LevabtoOy公司生产的低噪声锯片近期已开始供应世界上最大的混凝土制件生产商AddtekGroupCo。LevabtoOy公司的低噪声锯片,采用德国的基体,在基体上有激光加工的环槽,环槽中填入阻尼材料。它的刀头设计成三明治形式。经检测,噪声强度可从100dB降至81~83dB[14]。

  6.2复合基金刚石锯片[15]

  复合基金刚石锯片采用低温电沉积合金胎体和金刚石镶嵌工艺,有效地解决了胎体机械性能差及对金刚石把持力弱的问题。利用该技术工艺制备的胎体机械性能相当于用冶金方法制备的胎体,具有优良的抗弯强度并可根据各种石材特点,调整配方组成,使其具有适宜的硬度与韧性,适合金刚石的镶嵌固定。

 
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