人造金刚石方晶在瓷砖切割片中的应用*

孙 猛，李 伟，李和胜

(富世华(河北)金刚石工具有限公司,河北 石家庄 052165)

人造金刚石方晶在瓷砖切割片中的应用*

孙 猛，李 伟，李和胜

(富世华(河北)金刚石工具有限公司,河北 石家庄 052165)

通过选择触媒形态或者人为控制合成金刚石的温度和压力，可以获得较高比例的(100)晶面和(111)晶面同等发育的六-八面体聚形金刚石单晶，即所谓的“方晶”。方晶相比于普通的六-八面体聚形金刚石具备更多、更锋利的切割刃，有利于提高金刚石锯片尤其是瓷砖切割片的切割速率。实验结果证明，单纯应用方晶，相比常规的六-八面体聚形金刚石，切割普通全瓷瓷砖的速率可以提升40%以上，超硬瓷砖可以提升27%；匹配不同润滑剂含量的“弱化”型金属胎体，瓷砖片的切割速率可以得到进一步的强化。当润滑剂含量为6wt%时，试验锯片相比于常规切割锯片速率提升超过60%；即便是切割全瓷超硬瓷砖，速率也可提升30%以上。

金刚石方晶；瓷砖切割片;胎体弱化

1 引言

所谓金刚石“方晶”，实际沿用了人造金刚石行业前辈方啸虎先生所首创的概念，特指一种(111)晶面和(100)晶面均等发育的六-八面体聚形金刚石单晶[1]，如图1(a)所示。在实际的静态触媒法高温高压合成过程中，方晶的产生与触媒的形态以及合成温度与压力的控制有着很大的关系，通过人为地选择触媒形态或者控制合成温度和压力即可获得较高的方晶产出。

在人工合成金刚石的初期多采用片状触媒，金刚石在高温高压下长大的过程中从不同方向所获得的碳源供给是不同的。一般接近碳片的一侧易获得更多的碳源供给，生长速率相对较快，呈现一种偏二维方向的生长，易于获得以(100)晶面为主导的方晶。相比而言，粉末触媒则易于保证金刚石从不同方向获得碳源，呈三维方向生长，更易于获得以(111)晶面为主的六-八面体聚形金刚石，如图2所示[2]。

图1 常见的人造金刚石晶形(a)(100)晶面与(111)晶面同等发育的“方晶”；(b)(111)晶面占主导的六-八面体聚形Fig.1 The popular synthetic diamond single crystal shape

图2 高温高压下人造金刚石在粉末触媒和片状触媒中生长模型示意图Fig.2 Schematic diagram of diamond crystal growth in powder catalyst and slice catalyst at HTHP

大量的合成实验均证明，在金刚石的优晶生长区提高合成温度有利于获得(111)晶面占主导的六-八面体或者八面体金刚石，如图3所示；而较低的合成温度则易于获得(100)晶面占主导的六-八面体金刚石[3]。所以在高温高压静态法合成金刚石时可以通过有意识地控制合成温度和压力来获得高比例的方晶产出。

相比而言，特制的金刚石方晶具备更长的同向切割刃，且因人造金刚石(100)面的硬度低于(111)面，而断裂表面能和断裂韧性明显高于(111)面[4]，使得金刚石方晶更能在高速切割过程中保持原有晶形(切割刃)，在切割硬质材料，如瓷砖时有助于提升切割片的切割速率。

本文应用山东昌润钻石股份有限公司特制的金刚石方晶制备瓷砖专用切割片，同时匹配弱化型胎体进行不同瓷砖的对比切割测试，以获得全新高速瓷砖切割片的配方设计[5]。

图3 金刚石生长的优晶区Fig.3 Range of pressure and temperature for high-quality diamond growth

2 试验设计

本文通过两步来完成高速瓷砖切割片的配方设计：

1)使用不同类型的金刚石方晶匹配常规的铜基胎体制备切割片，通过对比切割数据优选金刚石种类；

2)使用优选出的金刚石方晶匹配不同润滑剂添加量的弱化胎体完成最终胎体乃至切割片的配方设计。

本文实验所采用的金刚石方晶系昌润钻石特制的50/60方晶样品，编号分别为1#、2#和3#，如图4所示。其主要性能差异为热稳定性[常温冲击韧性与高温冲击韧性差和烧损(800℃无保护气氛灼烧10min后的重量差)]，如表1所示。

图4 昌润钻石特制的50/60人造金刚石方晶Fig.4 Cubic diamond single crystal specially made by CR GEMS Diamond

1#2#3#TI-TTI(%)3.45.96.1热损(%)0.390.300.22

实验胎体由50wt%超细铜粉、25wt%电解镍粉、15wt%还原铁粉以及10wt%锡粉构成；润滑剂为直径约0.5mm的鳞片状石墨；实验锯片为Ф125连续涡轮烧结锯片，如图5所示[5]。

图5 切割实验用Ф125mm连续齿烧结锯片Fig.5 The Ф125mm sintering blades for cutting test

3 试验结果与分析

3.1 不同类型金刚石对比切割实验

使用常规50/60六-八面体聚形金刚石单晶和三种特制的金刚石方晶，匹配基准的铜基烧结胎体进行Ф125连续涡轮烧结锯片的制备，确保金刚石的浓度保持一致。

使用云石机针对普通全瓷瓷砖和超硬全瓷瓷砖进行对比切割测试。云石机的功率为1200W；转速为13000r/min。切割深度为10mm，长度为300mm。每种锯片连续切割50刀，测试其切割速率和切割的稳定性[6]。四种锯片在不同材料上的实际切割速率如图6所示。

切割实验结果表明，金刚石方晶相比普通的金刚石单晶有助于提高切割瓷砖的切割速率，无论是普通全瓷瓷砖还是超硬全瓷瓷砖。这种切割速率提升的趋势在1#金刚石制作的切割片上表现得尤为突出，在切割普通全瓷瓷砖时，应用1#金刚石的锯片切割速率相比于应用常规金刚石的锯片得到了44.46%的提升，针对超硬全瓷瓷砖提升幅度是27.79%。

图6 相同胎体匹配不同类型金刚石切割普通和超硬两种全瓷瓷砖的切割速率Fig.6 Cutting speed of the blades with same bond and different diamond grits cutting common and super-hard tile

相比而言，1#金刚石方晶虽然热损相对较高，但是在经历800℃、 10min无保护气氛的灼烧之后，保持0.39%的重量损失依然说明这种金刚石具有非常高的热稳定性[7]。在瓷砖切割，尤其是超硬瓷砖的切割过程中，锯片与瓷砖的摩擦生热较多，较高的热稳定性，尤其是机械性能的稳定性对于保持锯片刀头的锋利度至关重要。

3.2 不同类型金刚石匹配弱化型胎体的对比切割实验

结合3.1的实验结果，选择1#金刚石方晶和普通的50/60六-八面体金刚石匹配不同润滑剂含量(2wt%，4wt%和6wt%)的弱化型胎体进行高速瓷砖片配方设计的第二步：胎体设计。使用云石机按照3.1所描述的实验方法对三种润滑剂含量，不同种类金刚石的六种圆锯片在超硬全瓷瓷砖上进行对比切割试验，试验结果如图7所示。

图7 匹配弱化胎体和不同金刚石的圆锯片切割超硬瓷砖的速率Fig.7 Cutting speed of the blades with lubricant in bond and different diamond grits cutting super-hard tile

如图7所示，在相同胎体，即相同润滑剂含量前提下，1#金刚石方晶制作的圆锯片的切割速率还依然明显优于普通的六-八面体金刚石制作的锯片。且随着润滑剂的含量增加，锯片的切割速率呈现一种先略微下降，而后大幅提升的趋势，在两种金刚石锯片上都有所体现。具体原因已在参考文献[5]中有所讨论，本文不再赘述。需要特别指出的是，相比于无润滑剂添加的基准铜基胎体，添加6wt%的石墨匹配1#金刚石方晶锯片可以获得66%的速率提升。即便在同等润滑剂含量的前提下，1#金刚石方晶锯片也贡献了31%的速率提升。

3.2 实验锯片的金刚石出刃观察

选择石墨添加量为6wt%的两种圆锯片，在切割实验完成之后清理刀头上残存的切削残渣，在显微镜下观察金刚石的磨损及出刃情况，如图8所示。

从图8可以看出，经历了连续50次切割之后，部分金刚石已经破损乃至脱落。但是需要特别指出的是由于常规六-八面体金刚石的(111)晶面相对面积较大，所以使用常规六-八面体的金刚石刀头出刃的金刚石依然更多地呈现(111)晶面冲外的特质，出刃面积较大，但是缺乏尖锐的切割刃。相比而言，金刚石方晶则是更多的尖角冲外，出刃面积较小，具有较多较直接的切割刃。

图8 切割实验完毕的金刚石刀头显微形貌(a) [Gr]=6wt%+常规六-八面体金刚石；(b) [Gr]=6wt%+1#金刚石方晶Fig.8 Micromorphology of diamond segments after cutting test

相比而言，(111)晶面冲外的出刃效果，损失了部分尖锐的切割刃，同时也加剧了金刚石被抛光的几率；且较大面积的出刃也存在金刚石脱落的风险，尤其是针对本实验应用的弱化型胎体，本身耐磨性较差，对金刚石的把持力也相对较弱，高品级的金刚石难以完全发挥效用。恰恰相反，金刚石方晶保持了较为尖锐的出刃和较小的出刃高度，在保持锋利切割的同时减小了被抛光的可能性；在弱化型胎体中依然可以保持较高的金刚石把持力，可以最大效应的发挥金刚石的作用。

3 结论

金刚石方晶由于具备单向更长的切割刃，良好的热稳定性，在切割硬质瓷砖尤其是超硬全瓷瓷砖时可以获得相比常规六-八面体金刚石更好的切割速率；匹配使用片状石墨颗粒作为润滑剂的弱化型胎体，金刚石方晶因为保持较为尖锐切割刃和较小的出刃高度和相对较高的金刚石把持力，可以进一步增强金刚石瓷砖片的切割速率，在超硬全瓷瓷砖上相比常规六-八面体金刚石可以将切割速率提升30%以上。

特别鸣谢：本文实验所用金刚石方晶产品系山东昌润钻石股份有限公司特制之产品。特别感谢昌润钻石对笔者及本文的大力支持！

[1] 方啸虎,邓福铭, 郑日升. 现代超硬材料与制品(上册)[M]. 杭州: 浙江大学出版社,2011: 371.

[2] 白文翔,严恩峰,肖西卫. 片状和粉状触媒合成金刚石的实验研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2005(1):54-55.

[3] C.S. Kennedy, G.C. Knnedy. The equilibrium boundary between graphite and diamond [J]. J. Geophy. Res., 1976, 61(14): 2467-2469.

[4] 王光祖.超硬材料制造与应用技术[M]. 郑州: 郑州大学出版社, 2013:22-23.

[5] 李伟,孙猛,李和胜.弱化胎体可提升金刚石切割片切割硬质瓷砖的效果[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2016, 36(6):79-82.

[6] 刘宪刚.金刚石圆锯片的质量评价体系的建议[D]. 济南:山东大学,2007.

[6] 臧建兵,王艳辉,王明智. 金刚石热稳定的几个方面和影响因素的探讨[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 1997,5(101):5-7.

Applicationofcubicsyntheticdiamondsinglecrystalontilecuttingblades

SUN Meng, LI Wei, LI He-sheng

(Husqvarna(Hebei)Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei052165,China)

By choosing catalyst type or controlling the temperature and pressure at HTHP, cubic diamond single crystal can be synthesized with coequal (100) and (111) crystal plane. This kind of diamond has lots of cutting edge which is benefit to enhance cutting speed of diamond blades, especially for tile blades. In this paper, the special cubic diamond grits is utilized into tile blades to seek fast cutting speed. The experimental results show that the cutting speed of the blade using the special cubic diamond can be enhanced 40% for cutting common tile and 27% for cutting superhard tile than using the common blade. When adding the 6wt% lubricant to the bond, the blade cutting speed with the cubic diamond can be improved 60% than the common blade, and it can also improved 30% for cutting the superhard tile.

cubic synthetic diamond single crystal; tile cutting blades; matrix

2017-08-10

孙猛(1980-)，男，项目工程师，主要从事金刚石工具的研制开发工作。

李和胜(1981-)，工学博士，高级工程师，主要从事金刚石工具研制开发工作。E-mail：diamondli99@126.com

孙 猛，李 伟，李和胜.人造金刚石方晶在瓷砖切割片中的应用[J].超硬材料工程，2017，29(5)：1-5.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0001-05