□李
耕
摘要 石墨以其良好的性能和一定的机械强度及优良的加工性能等特点而成为金刚石工具制造中为数不多的热压模材 料中的首选材料 。
关键词 ：石墨 石墨模具 金刚石工具 热
压
中图分类号 : T B35 TB37 文献标识码 :A 文章编号 :1671 —3133 (2003) 03 —0089 —04
G ra p hite die f o r m anufacturing dia mond tool s by hot pressing海云坦克
□L i G eng
Abstract The special proper ties of g rap hite are d iscussed ,which includ es thermal and electrical condu ctance ,an excellent resistance to hig h temperature ,thermal sh ock and corrosion ,chemical rea
ction am ong g rap hite ,ox yg en and matrices ,a low coefficient of therm al expan 2 sion ,su itab le mechanical streng th and g ood machinab ility ,and make g rap hite an id eal d ie material for manu facturing d iam ond tools b y h ot pressing.
K ey w ords : G ra p hite G ra p hite die Dia m ond tools H ot pressing共轭亚油酸
度是石墨的重要指标 ，它与其它性能密切相关 ，一般而 言越高越好 。
2) 硬度
石墨的硬度随密度的增大而增大 ，一般为肖氏硬 度 30～80 。较低的硬度使得石墨可方便地进行各种 机加工而容易获得复杂形面 。
3) 线膨胀系数
石墨的线膨胀系数与密度有关 ，随密度的增大而 增大 ，随温度的升高而略有增加 。相对于压制方向 ，不 同方向线膨胀系数不同 ，对高精度模具尺寸有明显影 响 ，见表 1 。由于线膨胀系数较小 ，故石墨的耐热冲击 性好 ，在高温下模具的几何尺寸稳定 ，易获得较高精度 形面的制品 ，这对于某些高精度金刚石工具的生产是 至关重要的 。此外石墨阴模与金刚石工具间易于脱 模 ，利于模具的反复使用 。
一 、前言
人造石墨 (简称石墨) 以其具有的独特性能 ，如热 的良导体和有一定电阻率的导电体 ; 耐高温 、耐腐蚀 ; 与胎体间不发生反应或反应轻微 ; 高温下能产生还原 性气氛 ；较小的线膨胀系数 ; 优异的抗热振性能 ; 一定 的机械强度及优良的加工性能等 。本文将讨论与热压 模制造使用密切相关的石墨性能及相关问题 ，以其合 理的制造与使用石墨热压模 。
二 、石墨的分类
国家标准将石墨制品分为两类 : 一类是石墨制品 类 ( S 类) ，包括普通石墨电极 、特种石墨电极 、高功率 石墨电极 、抗氧化涂层石墨电极 、石墨块及石墨阳极 ;
另一类是特种石墨制品类 ( TS 类) ，包括核石墨 、细结 构石墨及高纯石墨 。国家标准将高纯石墨定义为碳含 量高于 99 . 995 %的人造石墨 ，高密石墨定义为体积密 度大于 1 . 80g/ cm 3 的人造石墨 , 高强石墨定义为抗压 强度大于 9 . 81 ×107 Pa 或抗折强度大于 4 . 91 ×107 Pa 的人造石墨 。热压模通常采用普通石墨电极与高纯石 墨来制造 。
表 1 石墨与钢 、铜 、铝的线膨胀系数 注 : ∥表示平行压制方向 , ⊥表示垂直压制方向 。
三 、热压模石墨材料的性能
2 . 导电性能
石墨是一种理想的非金属导电材料 ，这是石墨被
用于电阻热压模和中频 ( 或高频) 感应热压模的基础 。 石墨的电阻率与密度 、温度相关 ，不同方向差异较大 ,
一般约为 8～15
Ωmm 2/ m ，见表 2 。电阻率的变化较为 明显 ，尤其在不同品种石墨间 。这对于采用不同品种
石墨来组合模具的工艺有明显影响 。
89
1 . 物理性能
1) 密度与孔隙率
石墨的理论密度为 2 . 265g/ cm 3
，
由于存在孔隙 ，一 般石墨制品的体积密度 ( 假密度) 在 1 . 55～1 . 70g/ cm 3 或更高 ，孔隙率在 20 %～ 35 % 。事实上 , 由于杂质的 存在 , 真正孔隙率要比计算值低 5 %～10 % 。体积密
现代制造工程 2003 (3)
材料
石墨
钢
铜
铝
∥
⊥
α( ×10 - 6
1/ ℃
)
2～3
3～4
13
17
23. 6
综
表 2 述
各种石墨在不同温度 、方向上的电阻率ρ(Ωmm 2 / m )
3) 抗热振性
抗热振性指石墨经受温度的剧烈变化而不开裂的
性能 ，也叫耐急热急冷性能或热稳定性能 。该性能与 材料的强度 、弹性模量 、导热系数 、比热 、密度及线膨胀
系数等诸因素相关 。石墨较低的线膨胀系数使得它有 着极为优异的抗热振性 ，能够承受生产工艺过程中的 急速升温与降温而不开裂 ，该性能尽量减轻金刚石的 热损伤 ，提高生产效率并简化生产操作而对采取烧结 后快速降温的各种措施极为有利 。
4 . 化学性能
石墨在大气中 ,400 ℃以下十分稳定 ，约 450 ℃时开 颗粒 石 颗 粒 石
3 . 导热性能
1) 导热系数
石墨是热的良导体 ，它的导热系数与铝和黄铜相 当 ，也是各向异性的 ，见表 3 。导热系数与电阻率 、密 度 、温度密切相关 ，随电阻率增加而减少 ，随密度增加 而增加 ，随温度的增加而下降 ，在 850 ℃时的导热系数 仅为室温时的一半 。这种特性对热压工艺尤为重要 , 有利的一面表现为在高温段较易保持温度稳定 ，不会 因周围环境的变化导致模具内外温度的较大波动 ，不 利的一面表现为在低温段很难控制温度的波动 。经验 表明 ，在大气中用中频感应方式加热石墨模的条件下 , 高于 900 ℃
后 ，温度波动很容易控制在 ±5 ℃，而在 700 ～900 ℃温区内 ，温度波动常常大于 ±20 ℃，更低的温 区则难于准确控制温度波动 。金刚石工具制造温度一 般大于 700 ℃。
表 3 石墨与铝 、黄铜的导热系数 (cal/ cm ·s ·℃)
始氧化产生 C O ; 约 700 ℃时与水反应产生 C O 、C O 和
2 2 H ；约 900 ℃
时氧化产生 C O 。显然石墨模内的这些反 2 应所产生的还原性气氛对烧结过程是极为有利的 ，这美丽曲线
正是石墨模可用于大气条件下的热压烧结的基础 。文 献6 把 - 6 + 8 的 金 刚 石 放 置 在 石 墨 模 中 加 热 至
1150 ℃后未发现金刚石氧化及石墨化 ，由于高温下金
刚石的石墨化对氧含量极为敏感 ，表明石墨模中 C O/
tuaC O 2 气氛起了强烈的保护作用 。石墨模在热压较大硬
质合金制品的应用也表明了这种保护作用 。
另一方面 ，石墨的氧化损失对保持模具的尺寸精 度与寿命是不利的 ，见表 5 。应采取相应措施在可能 的部位隔绝氧气 。
表 5 石墨在不同温度下的氧化损失
2) 比热
石墨的比热随温度的升高而增大 , 见表 4 。石墨 的比热在高温段比低温段要稳定 ，这有利于热压的工
艺过程 。
表 4 石墨在不同温度下的比热
石墨与各种铜基金刚石工具胎体间的润湿性较 差 ，几乎不反应 。近年来出于胎体性能的考虑 ，尤其为 了增强胎体对金刚石的把持力 ，人们常常在胎体中添
加诸如 T i 、Cr 、W 、Mo 、Z r 、V 等强碳化物形成元素 。虽 然这些元素在高温下会与石墨模发生反应 ，但一般来 说添加量很少 ，只有百分之几或更少 ，且反应时间短 , 一般为数分钟 ，所以这种反应对石墨模的损伤很轻微 。 经验表明 ，只有局部产生了胎体对石墨模的轻微粘连 , 对脱模毫无影响 。如果胎体是铁基材料 ，由于铁与石 墨间的反应及溶解的存在 ，对石墨模的损伤较大 ，这时 只要对石墨模表面采取合适的措施就可解决这一问 90
现代制造工程 2003 (3)
温 度 ( ℃) 比 热 (cal/ g ·℃
) 300 500 700 900 1100 1300
0 . 172 0 . 303 0 . 370 0 . 409 0 . 432 0 . 452
材 料 ∥
⊥
石 墨 A 0 . 56
0 . 29
石 墨 B
0 . 44
0 . 32
铝
0 . 56
黄 铜
0 . 24
材 料
氧化温度 ( ℃
) 损失 1 %所需时间 ( h )
高纯石墨
500
200
600
7
700
0 . 6
普通石墨
500
6
600
0 . 75
700
0 . 2
石墨种类
方向
温度 ( K )
300
400
500
700 900
1500
挤 压 高
密石墨 ∥
7 . 8
7. 3
7. 0
6 . 7
6 . 8
7 . 8
南传
⊥
5 . 4
8. 4
4. 5
4 . 7
4 . 9
6 . 3 模 压 中 墨 ∥
11 . 3
10 . 2
9. 7
9 . 1
9 . 3
11 . 0
⊥
9 . 6
8. 4 7. 8 7 . 4 7 . 6 9 . 2 模 压 细 墨∥ 19 . 0 20 . 5 16 . 5 14. 7 14. 3 16 . 1 ⊥
22 . 6
17 . 5
14 . 5
13. 1
12. 7
12 . 7
综述
题。事实上石墨模已成功地应用于大量各类铁基金刚石工具的制造当中。
5 .机械性能
1) 机械强度
石墨作为热压模材料, 一般由抗压强度S c 、抗折强度S b 和抗拉强度S t 来衡量, 三者间大致的比例为: S t/ S b= 0. 47～0. 68 (平均值0. 53) ; S c/ S b= 1. 61～2 .90 ( 平均值2. 07) 。一般习惯用抗压强度S c 来表示。它有明显的各向异性, 且数值波动很大, 见表6 。机械强度与体积密度密切相关, 当密度
为1. 60g/ cm3 以上的石墨其S c 一般不低于20MPa ，随着密度的增加其强度也增大，见表7 。
表6 石墨强度的各向异性拿轻放避免磕碰。
4) 摩擦系数
石墨是一种低摩擦系数材料，与对偶间有自润滑效果，作为模具极易脱模。见表9 。
表9 石墨的摩擦系数(20 ℃时)
四、品牌石墨的性能
上面的讨论表明，性能独特的石墨作为金刚石工具热压模材料的地位是不可替代的，应为首选材料，在某些情况下甚至是唯一的选择。目前国内有许多厂生产各种不同用途的石墨材料。作为热压模材料希望石墨的机械强度要高，所以一般选择高纯石墨(一般同时也是高密和高强石墨) 作为热压模材料。表10 给出了一些国内外品牌石墨的性能。国内产品的性能比国外的略差一些，但可满足绝大部分金刚石工具制造的要求。石墨的机械强度由于影响因素多且复杂，导致其强度值在很大的范围内波动。在设计使用石墨模时应十分注意这一点，对品牌石墨的标称强度，若条件许可应给出较大的安全系数。尽管如此，石墨强度对金刚石工具一般热压压力为10 ～20MPa ( 或更低为5MPa) 的条件完全可能胜任。
表7 石墨密度与强度的关系
表10 国内外高纯石墨材料的性能与一般金属材料相比，石墨的室温强度不高，但它
有一个优点: 随着温度的升高, 其强度也逐渐增大,
1000 ℃时的强度比室温时约增加20 % ,1500 ℃时约增
加30 % 。这一特点对于热压模来说其安全性得到提
高。
2) 弹性模量 E 和泊松比v
石墨的弹性模量值较小，是其热振性能优良的原
因之一，见表8 。它随温度、密度的增加而增加, 对于
热压模有利。石墨的泊松比v 一般在0 . 21～0 . 33 之
间。
表8 石墨与其它材料的弹性模量
公司
注：国内厂家的数据来源于广告
3) 冲击韧性
石墨是一种脆性材料，抗冲击性能很差，一般冲击韧性值仅为1 . 37～1 . 57 ( ×103J / m2 ) 。对石墨模应轻现代制造工程2003 (3)
与传统钢材相比，目前国内石墨材料的供货规格太少，通常以块状料供货，几乎没有选择的余地。这使
91
材料 E (×104MPa)石墨0 . 5～1 . 3 黄铜9 . 2
铸铁9 . 0
高碳钢20. 7
高纯石墨体积密度
(g/ cm3)
不小于
抗压强度
(MPa)
不小于
电阻率
(Ωmm2/ m)
不大于厂家型号
甲
A 1 . 70 40 18
B 1 . 74 60 18
C 1 . 80 70 15
乙
A 1 . 68 60 12 . 5
B 1 . 78 80 11 . 0
C 1 . 85 100 9. 5
丙
A 1 . 60 20 20
B 1 . 70 40 15
C 1 . 80 65 12
美国
波壳
ED M —1 1 . 60 67 20
ED M —2 1 . 75 110 15
ED M —3 1 . 84 140 13
日本
东海
公司
HK —12 1 . 60 20 18
HK —21 1 . 70 80 15
HK —22 1 . 72 108 13
德国
林斯
德夫
EK —82 1 . 75 76 12 . 5
EK —85 1 . 83 80 12 . 5
EK —87 1 . 85 110 13 . 7
体积密度(g/ cm3)抗压强度(MPa)
1 . 00 1 . 55 1 . 70 1 . 83 1
2 20 34 47
材料方向抗压强度(MPa)
石墨A ∥22～50 ⊥20～45
石墨B
∥12～30
⊥10～28
摩擦偶静摩擦系数动摩擦系数石墨/ 石墨
0 . 29 0 . 22
石墨/ 钢0 . 21 0 . 20
读者信箱
压力机连杆外圆弧面精加工
□李景慧 尚翠霞 陈兆霞
山西读者李欣来信 ，希望本刊介绍有关高精度非整圆弧表面的加工方法 。
摘要 讨论连杆外圆弧表面精加工的实现方法 ，并对其定位方案 ，定位误差及表面粗糙度进行技术分析 。 关键词 ：连杆外圆弧表面 定位方案 定位误差 表面粗糙度
中图分类号 : T G 58 文献标识码 :B 文章编号 :1671 —3133 (2003) 03 —0092 —02
本文所论述的连杆件加工表面是与其头孔有同轴 度要求的外圆弧表面 (如图 1 所示) 。这类加工表面不
同于圆柱表面 ，而是视工件要求不同有不同弧度要求 的圆弧表面 。一般情况下 ，工件不能转动 ，只能做相应 的摆动或静止不动 ，这就给工件的装夹及加工带来了 许多困难 。本文介绍这类连杆外圆弧表面的加工方 法 ，并进行有关的技术分析 。
取试切的方法来满足尺寸精度要求 ; 若批量较大 , 则考 虑调整法加工 。砂轮与工件之间的运动关系有三种形 式 , 见表 1 。
表 1 砂轮与工件之间的运动关系
大营图 1 连杆简图
一 、实现方法
二 、定位方案分析及定位误差 Δdw 计算
从表 1 可见 ，采用工件不动的方案 2 ，砂轮高速旋 转的同时绕被加工圆弧表面运动 ，此种情况可以考虑 “一面两孔”定位 ，工件水平放置 。若采用工件低速摆 动的方案 1 ，则定位元件 (刚性心轴) 应水平放置 ，如图
连杆小头孔端外圆弧表面的表面粗糙度 Ra 值较 小 ( 一般在 0 . 4～0 . 8
μm ) ，且有尺寸精度和位置精度的 要求 。选择加工方法时 ，既要考虑装夹方法和生产批 量 ，又应考虑如何降低表面粗糙度 Ra 值 。因此 , 选择 砂轮作为刀具比较经济 。若是单件小批量生产可以采
李圣华 . 碳和石墨制品 (上册) . 北京 ：冶金工业出版社 ,1983 宋正芳. 碳石墨制品的性能及其应用 . 北京 : 机械工业出版 社 ,1987
李士贤 ，姚键 ，林定浩 . 石墨. 北京 ：化学工业出版社 ,1991 J K laus. The use of g rap hite in d iam ond tool manu facture . IDR , 1977 , (4) B Y oung. The g rap hitisation of d iam ond during the man u facture of d iam ond tools. IDR. 1966
王国栋 . 硬质合金生产原理 . 北京 ：冶金工业出版社 ,1988. 2 王曾辉 ，高晋生 . 碳素材料 . 上海 ：华东化工学院出版社 ,1991 得一方面模具制造的加工量较大 ，另方面昂贵的石墨 原料也不能充分利用 ，模具的制造成本增加 ，这是应该 重点改进的方面 。
2 3 4
5
五 、结论
石墨以其具有良好的导热 、导电性能 ; 耐高温 、耐 腐蚀 ；与胎体间不发生反应或反应轻微 ；高温下能产生 还原性气氛 ；较小的线膨胀系数 ; 优异的抗热振性能 ; 一定的机械强度及优良的加工性能等独特的性能而成 为金刚石工具制造中为数不多的热压模材料中的首选 材料 。
参 考 文 献
1 李圣华 . 石墨电极生产. 北京 ：冶金工业出版社 ,1997
6
7 8
作者通讯地址 ：北京市粉末冶金研究所 (100078) 收稿日期 :20020617
92
现代制造工程 2003 (3)
方案 、筒图
砂
轮 工
件 适用范围
旋转 轴向进给
摆动
工件重量较轻 , 结构尺寸
较小 , 如图 1 所示连杆工 件 , 其重量为 39kg 。
旋转
绕被加工 圆弧表面 相切运动
静止 不动
工 件 较 重 , 结 构 尺 寸 较 大 。如 小 松 压 力 机 连 杆 长 1695mm ,460kg 。
旋转
摆动 轴向进给
工件重量较轻 , 结构尺寸
较小 。但夹具的设计 、制 造 、装配较复杂 。一般不
采用 。
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