金刚石工具概述
金刚石工具是一类广泛应用于石材、陶瓷、玻璃、混凝土等硬脆材料加工的特殊工具。它由人造金刚石和其他辅料经过特定工艺加工而成，具有独特的切割、研磨功能，能够在高硬度的工作环境中保持卓越的性能。
1. 金刚石简介
金刚石，俗称钻石，是一种由纯碳元素构成的天然矿物。作为地球上最坚硬的物质，金刚石在工业中的应用非常广泛，尤其在精密加工领域。金刚石被用于制造精细研磨工具、高硬度切割设备、钻头、拉丝模具等，还常常出现在各种高科技仪器的部件中。
1.1 金刚石的组成
金刚石的独特性在于它的组成。早在公元1世纪，金刚石便开始被文献记载，但直到18世纪末，法国化学家拉瓦锡通过在氧气中燃烧金刚石的实验，发现其燃烧产物为二氧化碳，从而确定金刚石的主要成分为碳。
1.2 金刚石与石墨的差异
尽管金刚石和石墨都是由碳元素组成，但它们的物理性质却有显著不同。金刚石的碳原子排列成紧密的三维结构，而石墨则是由平面的六边形结构组成。这种结构上的差异使得金刚石具有极高的硬度，而石墨则具有良好的导电性和润滑性。
1.3 金刚石的硬度
金刚石的硬度通常用莫氏硬度（Mohs scale）来衡量，金刚石的硬度为10，是所有物质中硬度最高的。显微硬度可达到10000kg/mm²，远超石英和刚玉等常见材料。与其他物质相比，金刚石表现出极强的耐磨性和切割能力。
1.4 工业金刚石
金刚石分为天然金刚石和人工合成金刚石两种，工业上常用的主要是人工合成金刚石。它们用于制造金刚石工具，其密度大约为3.52 g/cm³，质量通常以克拉来计量，1克拉等于0.2克。
2. 金刚石工具的粉料
金刚石工具的制造不仅依赖金刚石，还涉及到各种粉料。这些粉料可以是金属、非金属，甚至是合金和化合物。不同的粉料对工具的性能有着重要影响，包括颗粒大小、形状、压制性、烧结性等，这些特性都与金刚石工具的最终效果密切相关。
常见金属粉料及其特点
铜粉：通常通过电解法制得，呈玫瑰红色，具有良好的成型性和与其他金属的兼容性，是常用的结合剂。
铁粉：包括还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉，具有较低的成本，且与金刚石的性较好，常用于提高工具的磨损性和使用寿命。
钴粉：钴是常见的高效结合剂，虽然价格较高，但能显著提升工具的抗弯强度和自锐性。国外高性能金刚石工具常采用钴基结合剂。
镍粉：适合用于承受重负荷的工具，能够提高金刚石工具的强韧性，且与铁和钴等金属结合时具有优异的综合性能。
锡粉：常用于改善烧结性能，并能提高金刚石与金属基体的性，减少磨损和变形。
钨粉和碳化钨粉：常作为骨架材料使用，增强金刚石工具的耐磨性和韧性。
3. 金刚石工具的结构与分类
金刚石工具的结构通常由金刚石颗粒与结合剂（如金属粉末）混合而成。根据具体的应用需求，工具可以分为多种类型和工艺。
3.1 工具结构
金刚石与金属粉末的混合物形成刀头，刀头再与基体结合，最终形成不同类型的金刚石工具，如金刚石锯片、钻头、磨盘等。
3.2 工具分类
按用途：金刚石工具可分为钻头、锯片和磨削工具，分别用于钻孔、切割和研磨。
按制作工艺：根据工艺不同，工具可分为烧结类、焊接类、电镀制品等。
按结合剂：根据使用的结合剂不同，金刚石工具可分为金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂等。
3.3 工具的浓度
金刚石工具的浓度是指金刚石在工具中的体积比。浓度的高低直接影响工具的效率、寿命和切削效果。通常，较高的浓度会增加工具的耐磨性，而较低的浓度则有助于提高切削效率。不同用途的工具浓度范围也有所不同，例如锯切工具的金刚石浓度一般在10%至45%之间，而电镀工具的浓度则可高达200%。
3.4 工具的原材料
金刚石工具的基体常用钢材，如45号钢、65Mn、28CrMo等。金刚石磨料和金属粉末是制造过程中不可缺少的原料，常用的金属粉末包括铁、镍、钴等。
3.5 金属基结合剂的种类
铜基结合剂：广泛用于低负荷、高效率的工具中，具有优良的成型性和经济性。
钴基结合剂：用于要求高负荷、高效率的切割工具，提供良好的金刚石粘结性和性。
铁基结合剂：价格低廉，适合大规模生产，具有良好的性和适中的耐磨性。
4. 金刚石工具的制作工艺
金刚石工具的生产过程包括混料、模具组装、压制、烧结、焊接、后处理等多个环节。
4.1 混料
混料的目的是确保金刚石颗粒和粉末的均匀分布，以便后续的压制过程。现代金刚石工具生产常使用三维摇摆混料机，通过旋转、平移和反转的多重运动方式来完成这一任务。
4.2 压制与烧结
压制和烧结是金刚石工具制作中的关键步骤。通过在高温和高压环境下对粉料进行压制和烧结，确保金刚石与结合剂的紧密结合，最终形成耐磨且高效的工具。
4.3 焊接与后处理
对于需要焊接的金刚石工具，如金刚石锯片，常采用高频焊接或激光焊接技术将刀头与基体连接。后处理环节包括开刃、应力调整、喷漆等，确保工具的最终性能和外观达到设计要求。
5. 金刚石工具的工作原理
金刚石工具的工作原理依赖于金刚石颗粒的硬度。在加工过程中，金刚石颗粒在一定的压力和速度下与工件接触，逐渐磨损工件表面。由于金刚石具有极高的硬度，它能够有效切削和打磨各种硬脆材料，广泛应用于切割、钻孔、磨削等多个领域。