金刚石工具加工铸铁技术探讨

魔神

    [前言]

    人造金刚石单晶体的问世，是金刚石作为工业磨料而普遍应用成为现实。目前，在陶瓷、天然石材、硬质合金等材料加工领域，在地质探矿、工程水利勘察、石油勘探等工程施工领域，金刚石工具正以其优异的使用性能被广泛推广，可以说，金刚石工具的应用，带动了相关行业技术水平的升级。由于金刚石自身性质的原因，业界有一种共识：在铁金属加工中不优先使用金刚石工具，在大加工量的切断、修整等工序中，仍以树脂薄片砂轮等工具为主，这类工具普遍存在加工效率低下、加工质量差、安全性低等缺点，在面对耐磨铸铁、铸件白口层的切断修磨等作业时，这类工具更是无能为力。

    理论分析表明，金刚石存在加工铸铁的优势，优选工具完全可以替代上述场合的普通磨具，能够实现理想的加工效果

[金刚石加工铸铁的原理与分析]

    金刚石作为磨料不适于加工铁金属，是基于如下认识：Fe、Co、Ni等Ⅷ族元素金属在熔融状态下是碳的溶剂，因此，加工过程中切削区的局部高温将使构成金刚石的碳原子溶入金属晶格中，金刚石磨粒将因失去切削刃而无法继续工作。同时，金刚石磨具对工件的加工是以工作面上密布的金刚石粒为微切削刃来切削的，这些切刃数量多、出刃低，在磨削强度高、韧性大、塑性大的金属材料时，很容易因堵塞而无法使用。

    铸铁虽然也是属于铁金属材料，却具有与普通钢材不同的结构特点。铸铁是含碳量＞2.11%的铁碳合金，含碳量是钢的2倍以上。除白口铸铁外，铸铁中的碳主要以游离石墨的形式存在，因此，铸铁组织可以认为是在钢组织的基体上分布着不同形状、大小、数量的石墨。铸铁的这些特性给金刚石工具的应用提供可能。

    首先，高含碳量的基体组织、游离石墨使铸铁在被切削过程中，在金刚石切刃周围产生高碳原子浓度氛围，这种氛围减缓了铁金属与金刚石刃间的亲合、溶解过程，保护了金刚石切刃不受侵蚀；同时，基体组织中高含量的碳以硬脆的Fe3C形式存在，使基体的韧性和塑性指标降低，更加适合金刚石刃的切削加工。

    其次，铸铁中游离态石墨的存在使其加工性进一步提高：石墨作为一种软质非金属成分，割裂了其钢基体组织的连续性，缩小了承受载荷的有效截面积，并在石墨与钢组织的连接处微观上导致应力集中，这些都降低了铸铁的强度、塑性指标，使金刚石切刃切削产生的切屑易脆断，并凭借石墨良好的润滑作用迅速脱离切刃表面，减少铁金属与金刚石热接触时间，减小热损伤，同时也避免切屑堵塞切刃间隙。另外，石墨在磨削面的脱落形成微小空隙，通过冷却液的吸附、存储可降低磨削区的温度。

    通过上述原理分析可以认为，设计适当的金刚石工具应可以满足铸铁的加工要求，象其他应用领域一样，金刚石工具将改变不如意的现状。

[金刚石工具应用实例]

    铸铁切断、修整工序中，要求较高的磨除率，因此工具切刃所承受的切削力和吃刀量都很大，这就要求工具结合剂对金刚石磨料有很高的把持能力，并保持很高的出刃高度，这也是防止堵塞的要求。

    根据上述分析，采用电镀工艺制造的金刚石工具可以满足：兼顾了高把持力与出刃高度，又可以通过单层大颗粒单晶排布消除了自锐问题。根据不同的作业场合，设计制造了不同的金刚石工具投入使用。

1、金刚石锯片：应用于铸铁件冒口、铸铁管、铸铁活塞环等的切断、开槽作业

2、金刚石磨盘：

    铸件冒口、飞边、毛刺等的修整是实现铸件良好外观质量的重要工序。铸件在这些待加工部位易形成白口，并易含有大量石英砂等填料，采用金刚石磨盘可高效完成铸件清砂、去飞边、去毛刺等作业。

3、金刚石钻头：应用于铸铁管特殊场合的开孔作业，如给排水铸铁管道的抢修与改向分支等。

[结论]

1、金刚石可以作为铸铁材料加工的理想工业磨料

2、电镀金刚石工具可以成为铸铁件切断、修整及开孔作业的理想工具