一种超锋利人造石材切割锯片及其制备方法与流程

本技术涉及超硬材料切割工具，更具体地说，它涉及一种用于高硬度、高脆性人造石材（如石英石、岩板、微晶石）的高效无损切割的超锋利人造石材切割锯片及其制备方法。

背景技术：

1、人造石材（包括大规格岩板、高致密石英石等）因其纹理美观、耐磨耐污等优良性能，被广泛应用于建筑装饰、厨房台面、卫浴面板等领域。随着人造石材向大规模、高致密方向发展，其硬度和脆性显著提高，对切割加工工具提出了更高的要求。金刚石锯片因具有切割效率高、切割质量高、加工成本低等优点，被广泛应用于石材、建筑工程施工、玻璃陶瓷等各种非金属硬脆材料的切割加工。

2、然而，传统金刚石锯片在切割现代高硬度人造石材时，仍存在以下显著缺陷：一、锯片结构单一，切割噪声大且易崩边：传统金刚石锯片由于锯路窄、散热差、受力不均匀，工作时往往会发生热变形和轴向变形，产生振动，若该振动频率接近于外部激振频率，就会产生共振，不仅噪音大，且锯片偏摆导致切缝变宽、锯路偏斜，表面质量下降，甚至出现崩边现象。二、金刚石在胎体中随机分布，冲击不均导致掉角：传统金刚石锯片刀头绝大部分采用金刚石包覆制粒和预合金胎体粉末三维混料工艺，金刚石颗粒在胎体中随机分布，极易出现布局团聚或贫乏，导致金刚石有效利用率低，锯片锋利度差、使用寿命短，而且由于单颗金刚石对石材的冲击不均，极易导致人造石材切割边缘发生掉角现象。三、刀头焊接强度不稳定：对于多层复合刀头，底层胎体的材料组成对后续焊接工艺具有重要影响，若底层胎体中铁、钴等元素含量过高，会显著增加后续高频银钎焊的难度，导致虚焊或掉齿风险，进而引发崩边等切割不良问题。

3、综上所述，现有金刚石锯片在基体结构、金刚石分布及刀头焊接等方面均存在明显不足，难以满足现代大规格岩板和高致密石英石等高硬度脆性材料的精密切割需求。因此，亟待开发一种能够有效降低切割阻力、防止崩边、改善排屑性能且焊接可靠性高的超锋利人造石材切割锯片。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中切割阻力大、易崩边、排屑差和焊接难度大的问题，本技术提供一种超锋利人造石材切割锯片及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种超锋利人造石材切割锯片，采用如下的技术方案：

3、一种超锋利人造石材切割锯片，包括静音基体和均匀焊接在静音基体外沿的若干切割刀头，所述静音基体为特种钢片-铜合金片-特种钢片的三明治结构；

4、所述切割刀头为易焊过渡底层、高强缓冲中间层和锋利工作外层的烧结体，易焊过渡底层、高强缓冲中间层和锋利工作外层沿着垂直于静音基体表面的方向由内到外依次设置，易焊过渡底层与静音基体表面相互接触；

5、所述易焊过渡底层以质量百分比计，包括铜粉70-75%、锡粉10-15%、镍粉5-10%、锌粉10%；

6、所述高强缓冲中间层以质量百分比计，包括铜粉20-30%、镍粉10-19.5%、铈0.5%，余量为铁粉；

7、所述锋利工作外层由工作层胎体粉末和金刚石颗粒制成，工作层胎体粉末以质量百分比计，包括铜粉40-50%、锡粉10-15%、钴粉15-20%、镍粉10-15%、钛粉2-5%、碳化钨5-8%。

8、通过采用上述技术方案，以特种钢片、铜合金片和特种钢片形成的三明治结构作为基体，铜合金具有阻尼特性，而且其阻尼特性远高于钢，夹在两层特种钢片中间的铜合金能吸收和耗散振动能量，从而降低切割噪音，且铜合金片夹层还能起到散发切割热量的作用。

9、易焊过渡底层中以铜为基体，辅以锡、镍、锌，摈弃了铁和钴；传统底层若含有高添加量的铁和钴，在钎焊高温下极易氧化形成厚氧化膜，增大了液态银焊片与胎体的表面张力，而本技术中铜、锡、镍、锌的表面能低，能与银基钎料形成良好的冶金互溶，显著降低润湿角，使焊料自动铺展渗透；锌的加入起到脱氧和活化界面的作用，使得高频感应钎焊的允许温度范围变宽，不易出现过烧或未焊透，从根本上杜绝了虚焊和掉齿风险，且焊接后残余应力小，基体齿顶部不易产生裂纹。

10、高强缓冲中间层中以铁粉为骨架，提供刚性支撑，配合铜和镍形成的具有优异晶界内耗性的固溶体，并引入微量的具有高界面活性的铈，在fe-cu-ni固溶体中阻碍晶粒长大，实现细化晶粒、晶化晶界的作用，极大提升材料在交变应力下的阻尼特性。当切割高脆性石材产生高频微振动时，中间层能通过晶界滑移吸收和耗散振动能量，有效阻断高频振动向基体传递。在中间层中不添加金刚石，保证其致密性和结构均匀性，避免因金刚石界面存在而产生的应力集中点，确保其作为缓冲垫功能的可靠性。

11、锋利工作外层的工作层胎体粉末以铜粉为基础，添加了钴和镍以提高高温强度；同时引入钛和碳化钨，形成硬质共生耐磨质点的同时，不影响对金刚石颗粒的浸润；上述多种组分复配，使胎体对金刚石颗粒的把持力更好，能紧握金刚石颗粒，又能随金刚石颗粒的磨钝而同步微剥落，确保切割面上始终维持有锋利的新露出金刚石，大幅降低切入阻力。

12、因此当底层、中间层和外层通过热压烧结复合形成完整刀头，并钎焊于基体后，制成的锯片能降低切割阻力，提高切割速度，并使基体不再发生剧烈偏摆，切割笔直且宽度均匀，成片边缘光滑无缺口，同时底层与银焊片浸润性好，焊接强度高，而中间层则能对高频微振动产生物理吸收，降低切割噪音。

13、优选的，所述易焊过渡底层、高强缓冲中间层和锋利工作外层的厚度比为1:2:7。

14、通过采用上述技术方案，锋利工作外层用于直接切削石材，是消耗层，厚度最大，拥有最多的金刚石颗粒有序排列层数，厚度充足保证新旧交替的循环次数足够多，延长锯片寿命，防止短时间切割即钝化停刀；

15、高强缓冲中间层用于吸收高频振动，阻断应力传递，若中间层过厚虽然减振效果好，但会压缩工作外层空间，导致锯片寿命下降，而且锋利工作外层硬度高，易焊过渡底层为软质铜基，两者硬度差异悬殊，高强缓冲中间层作为力学过渡区，避免因内外层力学性能突变导致的界面应力集中，防止层间剥离。

16、易焊过渡底层连接刀头与基体，实现高强度焊接，以上占比足以保证钎焊时焊料在底层表面充分铺展并渗入毛细缝隙，达到目标焊接强度。以上厚度比例，能使锯片表现出平缓噪音、顺畅走刀、零崩边和长寿命的优异性能。

17、优选的，所述金刚石颗粒在锋利工作外层中的体积分数浓度为10-15%。

18、通过采用上述技术方案，金刚石颗粒在锋利工作外层中的浓度与金刚石颗粒的粒径、三维有序排布相互配合，使每颗金刚石颗粒周围都有足够厚的工作层胎体粉末进行包裹，确保切割时每颗金刚石颗粒均能有效出刃且受力相等，实现零崩边，且胎体材料具有足够的宽度和抗弯强度，防止金刚石在磨钝之前因胎体磨损过快而提前脱落，显著提高金刚石的利用率，在有序排布下，适当的体积分数确保了单位面积内分布有足够数量的金刚石颗粒，确保锯片在整个生命周期内适中保持恒定的出刃高度，走刀轻快且顺畅，同时赋予刀头最优的排屑流通能力，避免体积分数过低，单颗金刚石颗粒承受的切削力过大而被提前破碎或拔出，又能防止体积分数过高，金刚石颗粒之间的胎体材料过薄，削弱对单颗的把持力。

19、优选的，所述金刚石颗粒表面依次沉积有碳化硅层和氧化铈层。

20、通过采用上述技术方案，表面依次沉积有碳化硅层和氧化铈层的金刚石颗粒，能提供极高的硬度，且氧化铈是高效抛光剂，能发生化学机械抛光，降低表面粗糙度，获得较高的表面质量，而碳化硅层和氧化铈层能有效隔绝加工环境中的氧气和水，抑制金刚石在高温下的进一步石墨化，同时延缓金刚石的氧化和腐蚀，另外碳化硅层和氧化铈层可以作为过渡层，改善金刚石与胎体粉末的润湿性，提高胎体对金刚石的机械把持力，减少磨料过早脱落，延长刀片寿命，同时被保护的金刚石能保持更长时间内的锋利，确保稳定的高效切割效率。

21、优选的，所述金刚石颗粒表面依次沉积碳化硅层和氧化铈层的方法，包括以下步骤：

22、将金刚石颗粒置于真空烧结炉内进行表面石墨化处理，先以30℃/min的升温速率升温至800℃，再以20℃/min的升温速率升温至1500℃，再以10℃/min的升温速率升温至1600℃，然后真空无压保温15min，制得金刚石/石墨复合颗粒；

23、将金刚石/石墨复合颗粒置于填充硅粉的石墨腔中，将其固定在硅粉上方8mm处，将石墨腔移入真空炉中，以8℃/min的升温速率升温1700℃，真空度设定为1pa，保温30min，随炉冷却至室温，制得沉积有碳化硅的金刚石颗粒；

24、将去离子水和无水乙醇按照1:1的质量比混合，加入沉积有碳化硅的金刚石颗粒，搅拌30min，超声120min，获得悬浮液；

25、向悬浮液中加入硝酸铈，滴加乌洛托品溶液，用氢氧化钠溶液调节ph值，在75-80℃水浴加热搅拌2h，离心、洗涤、干燥，在430-450℃下热处理3-5h，在沉积有碳化硅的金刚石颗粒表面形成氧化铈。

26、通过采用上述技术方案，将金刚石颗粒在高温下进行石墨化处理，在真空条件下，金刚石表面呈现石墨化，形成一层高活性的石墨碳，在超过硅粉熔点的温度下，硅粉熔化并大量蒸发，形成高活性的硅蒸汽，硅蒸汽与金刚石颗粒表面的碳反应生成碳化硅，随着反应进行，碳化硅层不断增厚，最终在金刚石颗粒表面形成致密、具有强界面结合的碳化硅保护层。

27、乌洛托品加热时缓慢水解，释放氨，溶液ph均匀升高，溶液中的铈离子以氢氧化铈或碱式碳酸铈的形式均匀沉淀在沉积有碳化硅的金刚石颗粒表面，经450℃热处理后，在碳化硅层上形成纳米级的氧化铈层。

28、优选的，所述高强缓冲中间层添加有3-5%碳酸氢铵和1-2%碳化硅。

29、通过采用上述技术方案，在高强缓冲中间层内添加一定量的碳酸氢铵，其在受热时分解产生气体，因此在烧结过程中，这些气体逸出，在原本致密的高强缓冲层中留下孔隙，声波进入材料内部的开孔结构后与孔壁发生摩擦和粘滞反应，从而产生提升阻尼和吸引的效果，而碳酸氢铵产生的孔隙会减少材料的有效承力面积，影响中间层的抗弯强度和硬度，碳化硅是一种高强度、高耐磨性的陶瓷颗粒，能承担一部分荷载，钉扎晶界、阻碍位错运动，改善硬度和抗拉强度，强化中间层。

30、优选的，所述碳酸氢铵的粒径为50-100μm。

31、通过采用上述技术方案，以上粒径的碳酸氢铵在分解后形成大孔，相邻的大孔更容易相互连通，形成三维开孔网络，从而是吸音降噪效果更佳。

32、优选的，所述碳酸氢铵和碳化硅的质量比为3:1。

33、通过采用上述技术方案，以上用量的碳酸氢铵和碳化硅，能兼顾吸音降噪和力学强度，且在烧结过程中，碳化硅可以作为骨架，引导碳酸氢铵分解产生的气体在其周围聚集和逸出，从而促进孔隙的连通性，帮助形成吸音效果更佳的开孔结构。

34、优选的，所述金刚石颗粒在工作层胎体粉末中呈三维矩阵式有序排列分布，所述金刚石颗粒在工作层胎体粉末中横向间距为0.5mm-0.8mm，纵向层间距为0.6mm-1.0mm。

35、通过采用上述技术方案，金刚石颗粒在胎体中呈三维矩阵式有序排列，避免了随机分布导致的团聚或贫乏现象，从而保证了每颗金刚石受力均匀，避免了单颗承受过大冲击载荷而提前破碎，更使得切割过程中刀头对石材表面施加的侧向冲击力呈均匀分布状态，从而杜绝局部应力集中引发的掉角现象；而且有序排列预留了容屑空间，结合钛元素对胎体亲水性的改善，切割碎屑能够被快速带离切割弧区，极大降低了摩擦热。金刚石颗粒在工作层胎体粉末中有序排列，能负荷均匀，杜绝掉角，避免间距过小而导致颗粒堆积、单颗负荷不足、不出刃，又避免间距过大，单颗负荷过重，易冲击破碎，有序均匀的布局能确保每颗金刚石颗粒切入石材的切削力相等，消除局部应力过载引发崩边掉角，同时有序排列的金刚石颗粒能构建立体的容屑网络，切割产生的高硬度岩粉能沿规整间隙排出，避免粉末糊堵胎体表面，降低刀头与石材间的摩擦系数，使切割始终保持轻快锋利；以上金刚石颗粒的间距能保证相邻金刚石之间的胎体金属具有足够的宽度，将每颗金刚石锚定，防止金刚石颗粒过密导致的胎体强度下降，也防止颗粒过稀疏导致的单颗受力过大被拔除。

36、优选的，所述金刚石颗粒的粒径为80-140目。

37、通过采用上述技术方案，粒径为80-140目的金刚石颗粒保证了金刚石颗粒在热压烧结后，仍有足够的高度凸出胎体表面，能够对切屑产生有效的犁削作用，并预留排屑通道，切割产生的细微切屑能顺利沿微小的间距排出，不会堵塞在刀头表面，排屑顺畅降低了摩擦热，避免因热量积聚导致的人造石材树脂组分软化或热裂纹。另外粒径为80-140目的金刚石颗粒细小，同等面积内分布的金刚石数量增加，单颗金刚石颗粒承受的切割载荷减小，使石材表面应力以微小裂纹形式沿晶界释放，在保持锐利棱角的同时，防止磨削钝化。

38、优选的，所述刀头厚度为1mm-1.2mm。

39、第二方面，本技术提供一种超锋利人造石材切割锯片的制备方法，采用如下的技术方案：

40、一种超锋利人造石材切割锯片的制备方法，包括以下步骤：

41、按照配比，将铜粉、锡粉、钴粉、镍粉、钛粉和碳化钨混合均匀，获得工作层胎体粉末；将铁粉、铜粉、镍粉和铈混合均匀，制得中间层粉末；将铜粉、锡粉、镍粉和锌粉混合均匀，制成过渡底层粉末；

42、采用微孔阵列模板，将金刚石颗粒植入工作层胎体粉末，使金刚石颗粒在工作层胎体粉末中呈三维矩阵式有序排列，冷压成型，获得工作层坯体；

43、在工作层坯体上依次铺放中间层粉末和过渡底层粉末，冷压成型，获得冷压坯；

44、将冷压坯进行真空热压烧结，制得切割刀头；

45、采用含银量为35-45%的银焊片，通过高频感应焊接将切割刀头钎焊在静音基体上，然后开刃，即制得超锋利人造石材切割锯片。

46、优选的，所述冷压成型的压力为150-200mpa，保压时间为110-140s。

47、优选的，所述真空热压烧结的烧结温度为760-790℃，烧结压力为25-30mpa，保温保压时间为15-20min。

48、综上所述，本技术具有以下有益效果：

49、1、由于本技术采用锋利工作外层、高强缓冲中间层和易焊过渡底层的烧结体作为切割刀头，高强缓冲中间层内添加稀土元素铈，具有优异的阻尼性能，能有效阻断振动能量向基体传递，改善切割声学环境；易焊过渡底层以铜为基体，完全摈弃铁、钴，并添加锡、镍和锌，该体系表面能低，能与银基钎料形成良好的冶金互溶，降低湿润角，使焊料自动铺展并渗入毛细缝隙，提高焊接牢度，延长锯片使用寿命。

50、2、本技术中优选采用粒度为80-140目的金刚石颗粒，并有序排布在工作层胎体粉末中，能消除随机分布产生中因局部团聚导致的单颗过载和因局部贫乏导致的空切摩擦，使每颗金刚石受力均匀，切割过程平稳，避免崩边掉角；而且有序排布预留的规整间隙构成了三维容屑网络，切割产生的岩粉能被即时排出切割弧区，避免粉末糊堵胎体导致摩擦升温，同时排屑顺畅能使切割阻力始终维持在低位，提高走刀速度。