改善金刚石工具性能的有效途径

发布时间：2007-01-30 00:00:00 编辑：石材网

姜荣超　长沙矿山研究院

提要：本文介绍了近年来金刚石均匀分布/有序排列在国内外金刚石工具中的应用与效果，解决了金刚石工具效率与寿命相互矛质的难题，通过优化与控制工具内部金刚石之间的间距，实现了既提高工具寿命，又增加效率的目的。讨论了金刚石均匀分布/有序排列的功能以及各参数的关系。简要地介绍了实施金刚石均匀分布/有序排列的工艺措施。

关键词：均匀分布有序排列金刚石间距

在常规金刚石工具中金刚石在金属胎体中是随机分布/无序排列的。因此，金刚石在刀头中容易产生偏析与聚集。在金刚石富集区，金刚石不能有效利用而浪费，此区金刚石浓度高，金刚石密集，金刚石锯切力小，而易被抛光与磨损，同时易于堵塞与阻碍岩屑的排除，致使锯切效率下降。在金刚石稀少区，金刚石也不能有效锯切，由于承受工作负荷过大，冲击力大，金刚石易于碎裂与脱落。因此，金刚石随机分布/无序排列常常导致降低锯切效率，缩短工具寿命的恶性循环。还经常出现锯切效率与工具寿命相互矛盾的情况，即提高锯切效率，将使工具寿命缩短;反之延长工具寿命，将使锯切效率下降。采用制粒工艺后，虽然金刚石分布有所改善，但是仍然不能从根本上解决问题。

近年来在金刚石工具行业中，推出了刀头金刚石均匀分布l有序排列的设计与工艺，使金刚石在工具中得到充分有效的利用，即提高了锯切效率，又延长了工具寿命。同时，可节约金刚石，降低金刚石浓度，节约了成本。若在此工艺中采用金刚石涂覆，预合金粉末与金刚石钎焊技术，使金刚石把持得更牢，凸出更高，则使用效果更能显著改善。

在金刚石工具中采用均匀分布/有序排列的设计与工艺，将使金刚石工具生产从模拟时代进人数字化时代，将有力地推进我国金刚石工具制造业的技术创新，显著提高我国金刚石工具的质量与性能，也适应我国金刚石工具行业进行产品结构调整，产品不断更新，扩大市场的需要，值得我国金刚石制造厂商的高度重视。

1.金刚石均匀分布/有序排列的应用与效果

1.1金刚石均匀分布/有序排列在钎焊绳锯、刀头与排锯上的应用

我国台湾，中国砂轮公司宋健民博士首先将金刚石均匀分布/有序排列应用于钎焊刀头，排锯与绳锯上。宋健民博士将有序排列称为钻石阵（Diamond　Grid)。该公司根据宋健民博士的专利(U.S.Patent6, 039, 641)研制出钻石阵锯齿，见图1。 “这种锯齿内的钻石在三度空间内排列，因此可彻底解决钻石工具业长年挥之不去的钻石分布问题。”后将有序排列应用于排锯。切割以前无法锯切的硬质花岗岩。结果显示这种新型锯齿可以1 mm/min的速度锯切，比传统的铁砂拉锯快三倍。每ct钻石锯切的面积更高达1㎡，接近圆锯的寿命。

中国砂轮公司将有序排列钻石阵技术用于研制钎焊绳锯，每颗串珠金刚石用量由0.5ct,减少到0.lct,节约了金刚石。在世界各地锯切花岗岩、蛇纹岩与大理石表明，绳锯的下切速度比常规串珠快约两倍，而其功率消耗只有后者的1/3。有序排列钻石阵(Dia-Grid)钎焊串珠与电镀及烧结串珠绳锯相对锯切速度与使用寿命对比，见图2。

1.2有序排列在精密磨削上的应用

美国和日本的Noritake公司在研制单层钎焊金刚石磨轮用于精密磨削加工时，采用了金刚石均匀分布l有序排列技术(Diamond Grain Grit Alley)，见图3。试验表明：其工件表面粗糙度明显改普，其工件表面粗糙度小于3Z。主轴转速越高，其磨削力越小。

1.3金刚石有序排列在CMP(化学机械抛光)修整器上的应用

随着信息产业的快速发展，半导体器件高度集成化，电子线路多层化，标准晶圆已增大到Ø300mm直径。因此，晶圆及集成块加工对CMP(化学机械抛光或平坦化)修整器的加工精度、稳定性、恒定的磨抛率要求更高。日本Asahi(旭日)金刚石工业公司在研发金刚石化学机械抛光垫修整器(Diamond CMP pad conditioner)过程中，为改善批量生产中修整器性痴勺一致性，并达到恒定的抛光率，采用规则均布金刚石技术(Regular diamond placement with constant pitch)，新开发三种类型CMP修整器。

1.3.1 CMP-CS型修整器：金刚石用Ni, Cr胎体材料强力地化学结合把持，以防止金刚石脱落。金刚石在胎体材料上的分布具有重复性，故其性能非常稳定。

1.3.2 CMP-NEO-UP型修整器：该修整器的特点是金刚石规则均布(regular　Pattern)。每颗金刚石由Ni基胎体单独专门把持与固定，使金刚石的脱落减少到最低程度。

1.3.3 CMP-NEO-U型修整器，该修整器具有下列特点：a金刚石规则均布;b金刚石凸露高度可控;c、金刚石刃端定向排列一致;d.每颗金刚石由Ni基胎体单独专门把持与固定，见图4。

CMP-NEO-U型修整器在生产中与GMP-M型修整器对比使用表明：CMP-NEO-U型修整器抛光性能更为恒定一致，其使用寿命为CMP-M修整器的两倍，使用中不产生任何划痕。一直到工具寿命终了，金刚石有效工作率达80%，而CMP-M型修整器金刚石有效工作率仅为10%。

1.4有序排列金刚石在搪磨刀具上的应用

瑞士ETH机床与加工研究所G.Burkhard博士等在研制Ø11.65 x 50mm搪磨刀具加工16MnCr5材质的齿轮中心盲孔时采用有序排列金刚石技术同。金刚石采用活性材料焊接在刀具上，金刚石有序排列采用专利技术(EP1208945A1)，并用静电上砂、使金刚石朝向得以控制。由于金刚石凸出高，颗粒间隙大，改善了金属磨屑的排除与冷却液的输送。因此，提高了磨削能力与刀具寿命。初期试验阶段搪磨刀具寿命最多可加工6000个钻孔，是电镀法制作刀具的六倍，见图5，优化阶段，选择了大颗粒金刚石和较小颗粒间距，使刀具寿命达到电镀刀具的10－20倍。

1.5金刚石均均分布在多层金刚石刀头中的应用

从2001年开始韩国shinhan金刚石工业公司集中10个研究人员耗资200万美元于2004年12月宣布完成了ARIX金刚石自动排布系统(automatic array sys-tem)的研制，可在金刚石刀头生产中自动以最优间距均匀排布金刚石，克服了常规刀头生产中金刚石随机无序排列导致锯片锯切效率低，寿命短的难关，见图6。

图6　金刚石随机分布与有序排列刀头对比

ARIX自动排列系统使用户寻求长寿命工具和快速锯切能力要求得以最优化，克服了金刚石寿命与其锯切速度相互矛盾的问题。因为常规金刚石刀头锯片，金刚石在刀头中是随机分布的。在锯切过程中每颗金刚石不承受相同的切割力。金刚石过于密集处，领头的金刚石将做过大的功，后继的金刚石则不完全参与做功，这导致领先的金刚石易于破碎与脱落，进而在金刚石之间留下大的间隙空间，胎体暴露并易于磨损。整个导致工具寿命较低，锯切速度降低。

ARIX工艺可使刀头生产时其内部金刚石的间距得到优化并100%得到控制。使金刚石锯切效率提高到最大程度。由于刀头中金刚石的均匀分布，结果使锯片寿命和锯切速度两者都明显得以提高，对比试切结果见下表1。

ARIX自动排布系统使金刚石均布刀头生产进人批量生产阶段，1个工人每天可生产170片锯片，每月可生产5000个刀头。增加设备后可进一步提高产量，使ARIX工艺进人产业化。

1.6金刚石均匀分布在预合金粉末刀头中的应用

我国“成都中豪超硬材料有限公司”经过一段时间的试验研究，率先在我国采用预合金粉末做胎体，刀头中采用多层均匀分布金刚石，对研磨体进行保护等综合技术，研制出可以根据需要生产出高效率的、长寿命的、或既要较为锋利又要耐用的DC金刚石锯片及刀头。目前已有0601, 0602, 0603, 0604不同等级多种规格(10" , 12" , 14" , 16" , 18" , 20" ,24")不同用途(锯切花岗岩、大理岩、混凝土等)的锯片及套锯、组合锯刀头，并已形成产业化。产品质量已得到国内外用户的认可，见图7。

实验室与现场试验初步表明，由于采用金刚石多层均匀分布的同时，还采用了预合金粉末，故金刚石把持牢固，凸出较高，故锯片质童与使用效果更为明显，见图8。由于采用预合金粉末，提高了金刚石把持力，从图9可见，14’，锯片锯切花岗岩后，金刚石蟒料尾非常明显，金刚石把持好，凸出高，排屑沟槽效果也很好，这有力地提高了锯切效率。

2金刚石均匀分布/有序排列的功能

2.1金刚石的磨损过程及其特性

金刚石在石材工业与建筑工程中的应用，主要依靠把持在金属胎体中的金刚石，因锯片旋转给进或排锯来回往复运动及机械的振动产生周期性的磨擦，刮削与冲击及耕犁作用对工作对象(如花岗岩、大理石、混凝土或沥青等)产生破碎与锯切。

金刚石的合成工艺及其后处理工艺附于金刚石特定的结构与性能。金刚石在金刚石工具的给定工作条件(工况)下与特定的工作对象下，将具有自己特定的磨损过程。元素六公司利用其室内外的测试条件与装备，对其锯切级金刚石的各种产品在各种不同条件下进行了大量的实验测定与研究。提出了金刚石锯切时特定的磨损过程，用图示描述锯切金刚石在不同工况条件下特有的金刚石磨损过程的磨损机理预测及锯切级金刚石选用指示系。

金刚石磨损过程可分为几种不同的阶段与状况，见图10。开始阶段，埋在金属胎体中的金刚石没有有效凸露，并接触工件，此时不进行锯切，也不被磨损，见图10-a。当金刚石周围的胎体被磨损，金刚石凸出高度增大，并高于胎体。一但金刚石凸出高度有效增大，并接触到工件，将产生与出现金刚石磨平(wear-flat)状况，见图10-b。由工具旋转引起的工具与工件的周期性断续接触，使金刚石产生并承受周期性荷载。由于工件(切割对象)的不均匀性及工具的振动，使该荷载更为加剧。该荷载的累积效应将降低金刚石承受锯切力的能力，因而金刚石开始破碎与碎裂，金刚石进人微破碎阶段(microfracture)，见图10-c。只有金刚石处于磨平和微破碎阶段，金刚石在锯切条件下可产生明显有效的锯切作用。在相同锯切条件下，磨平与微破碎状态的相对比例将取决于金刚石的强度与结构特性。随着微破碎过程的加速，金刚石与工件接触面的减少，锯切效率提高，同时也加大对金刚石的切削力与冲击力，最终使磨损过程进人大面积的整体宏观破碎(macrofracture/rough)状况，见图10-d。并导致金刚石的脱落，在此阶段金刚石高度的磨损最为明显与加剧。

2.2金刚石均匀分布/有序排列的功能及各参数的相互关系

金刚石工具的性能取决于多种因素，使用金刚石的特性，即金刚石的粒度(PPC值)，强度和结构是最关键的因素之一。金刚石工　　具的寿命、功率消耗与锯切效率最终取决于所有金刚石在工具表面(刀头中)的综合作用。这里应包括金刚石在刀头中的粒度(PPC值一每克粒金刚石的颖粒数)，浓度，金刚石凸出高度，金刚石之间的距离及其排列组合等。金刚石均匀分布/有序排列与其它参数的关系及对金刚石工具性能的影响，可用图11综合表示。

金刚石的间距：由图11可见，当金刚石处于随机分布/无序排列时，金刚石在a处过于密集，金刚石间距过小。金刚石主要处于磨平，抛光阶段，每颗金刚石切割力小，锯切寿命长，锯切效率(速度)低。当金刚石在C处发生偏析，金刚石间距过大，每颗金刚石承受荷载大，切割力大，排渣空隙畅通，锯切效率高，速度快。但金刚石易于剥落与碎裂，胎体磨损快，寿命短。锯片效率与寿命的关系见图12。

当实现金刚石均匀分布/有序排列时，金刚石间距可根据锯切对象与锯切条件不同实现最优化，此时，金刚石可有效利用，发挥切割的作用，并能充分排屑与冲洗冷却，可以实现既提高锯切效率，又提高锯片寿命的优化目的。

锯片表面金刚石的锯切效率取决于金刚石之间距的分布与单个金刚石的磨损状况。新韩公司对有序排列锯片与传统的无序排列进行了对比实验。有序排列锯片金刚石平均间距为4mm，金刚石为40/50目，浓度为1.1 ct/cm3。经过锯切后观察表明，有序排列锯片85%金刚石的间距为2-7mm，而普通锯片仅为60% ,见图13。此时有序排列锯片的锯切时间与锯切力显著改善。金刚石含量的增加，对切割荷载影响不大，但锯切时间显著延长，结果导致锯片寿命与效率明显改善与提高。

金刚石浓度：新韩公司的对比实验表明，当采用Ø1600mm锯片在50HP锯机上锯切三级花岗岩，转速360r/min (30m/s)，推进速度6m/min，切深2mm。当金刚石浓度提高时，有序排列锯片的寿命成几何级数提高，同时能保持良好的锯切能力。然而随粉金刚石浓度的提高，锯切能力将趋向于下降，这也符合图11的结果。

当采用无序排列锯片对比锯切时，随着金刚石浓度的提高，锯切荷载越来越大，以至不能很好锯切。当金刚石浓度达1.2ct/cm3，初期锯切无法进行。而有序排列锯片锯片寿命提高1000k ,锯切速度如普通锯片一样非常好切，见图14。

当采用Ø250锯片在20HP锯机上进行3级花岗岩板材裁切对比试验时，转速为2150r/min (28m/s)，推进速度为2}3m，切深30mm，采用有序排列锯片时，寿命提高20%，切割荷载比无序排列浓度为0.6ct/cm3的锯片还低，功率消耗降低15%，由于对金刚石间距合理控制，可增加金刚石的效率，提高锯片寿命，降低锯切荷载和功率消耗，见图15。

金刚石凸出高度：金刚石的凸出高度影响到金刚石工具的性能，特别是锯切效率与锯片寿命。金刚石在刀头表面上的凸出高度除受到金刚石工具的工况及锯切对象影响外，它主要取决于金刚石的粒度、强度、结构特性，胎体对金刚石的把持力及金刚石与胎体磨损性能的匹配。

由于胎体的磨损，工具在恶列工况条件下，最初金刚石凸出高度增长很快，在更恶劣工况下，金刚石凸出高度又趋向于增长平缓。金刚石的最大凸出高度取决于金刚石本身粒度，金刚石与胎体之间的把持是否非常牢固有效，也取决于金刚石的结构与性能，当金刚石凸出高度增大，其所承受的切割力也将提高，若金刚石能承受高的切割力，则锯切效率将会提高见图16。

增大金刚石凸出高度除选择最优金刚石品质与粒度外，提高金刚石把持力是其重要的措施，文献田提出采用不同工艺(电镀、烧结、涂覆、钎焊)可提高金刚石把持力，有利于提高锯切效率与锯片寿命，见图17。烧结刀头中采用金刚石涂硕工艺，选用合理胎体配方和采用预合金粉末是提高金刚石把持力的重要途径。

金刚石粒度与PPC值(即每克拉金刚石的数量)：在讨论金刚石粒度时，将引人PPC (Particles PerCarat)值，即每ct金刚石的数量(颗粒数)，金刚石粒度和PPC值对金刚石工具的性能，如：锯切效率，锯片寿命，功率消耗和工具金刚石的磨损过程与特性具有重大影响。

当其他参数不变时，随着金刚石粒度的减小，金刚石能达到的锯切效率相对地会降低。当金刚石粒度减小，则每ct金刚石的量将增加，则在给定金刚石浓度下，单位面积上的切割点将增加，这将导致金刚石承受的平均切割力的下降。而平均切割力的大小，将影响选用金刚石所需强度。金刚石粒度大小也影响与决定着给定锯切条件下，金刚石最大的凸出高度。随着金刚石粒度的减小，则自胎体中出露的平均金刚石凸出高度将减低，见图18，而金刚石凸出高度是确定锯切效率的重要因素，粒度小，金刚石凸出低，岩屑容穴与排除间隙小，锯切下的岩屑厚度也小，故锯切效率低。

在加工工况不变条件下，金刚石粒度减小，每ct金刚石的数量增多，则可导致金刚石工具寿命的提高。这是由于因暴露的胎体面积小导致单位面积金刚石数量增多;因每颗金刚石的平均荷载减小导致锯切岩屑高度减小，以及因金刚石的相对强度提高导致金刚石耐磨的累积效果，使整个金刚石工具寿命提高。通常，当金刚石粒度减小，在任何给定锯切效率下，功率消耗将更高。若所有其他加工参数不变，由于接触工件(岩石)的切割点数量更多，排除岩屑的间隙减小，锯切功率消耗将增加。金刚石粒度对工具性能的影响是复杂的，取决于多种因素，如胎体内金刚石的分布，胎体的均匀性，破碎体的高度等，它们都与金刚石的间距及其磨损状况有关。

在金刚石浓度与加工工况不变情况下，单位面积上金刚石数量的变化将引起金刚石磨损过程与特性的变化。当每ct金刚石数量增多时，即单位面积上的切割点增多，结果平均岩屑高度降低，意即每颗金刚石的平均切割力降低，这样磨损过程更多为磨平状况，而不是微破碎。大量的磨平状况将使功率消耗增大。

3金刚石均匀分布/有序排列在刀头上的实施

金刚石在刀头上均匀分布l有序排列的优越性早为人们所认识，但在刀头上加以实施则是比较困难的事，用人工在刀头上实现金刚石均匀分布/有序排列是可能的.但要大批量生产，实现产业化则更为困难。因此金刚石均匀分布/有序排列在生产中实施的工艺与装备则是极为关键的环节。

3.1模板法

我国台湾中国砂轮公司宋健民博士提出的专利技术(U.S.Patent.6, 039, 641)。即用模板法实施金刚石均匀分布/有序排列，见图19。

该法的第一步：将胎体粉末混合均匀，加上适当的有机粘结剂和溶剂等，通过滚压方法做成薄层100,如图19。第二步，按金刚石分布与排列做成模板110，其孔径114必大于单颗金刚石尺寸，小于两藕金刚石尺寸，保证具有一顺金刚石进人模机孔中，模板厚度为金刚石平均粒径1/3-2/3。第三步将金刚石20布于模板上，并用钢制平板120将金刚石通过模板110的孔114压入胎体上，见图19-b。第四步，移去模板上多余金刚石，并将模板移去，用钢平板将金刚石压人胎体薄层100中，如图19-c，再重复上述步骤与方法，将金刚石压人另一面。然后用多层压有金刚石薄层组合成刀头，再装人石墨模具中烧结成刀头，见图1。该法可准确在金刚石按要求均布与排列，但效率低，用人工操作，批t生产，产业化有困难。

3.2点胶法

该法由瑞士ETH机床与加工研究所G.Burkhard博士等提出的专利技术(EP1208345A)，见图20。该装置由一个胶水贮槽和一个微计量头构成。微计量头由压电驱动器，热敏电阻、加热线圈及电源组成，另有一个计量调控装置。将胶水由胶水贮槽，经进料管进人微计量器，当施加一个电压脉冲，压电驱动器即会收缩，从而排出一个胶滴，其最大排出频率为2000Hz，喷咀直径最大为40μm，加热器则可把粘度较大的胶水计量配料。根据工件位置，点胶器的运动，可在工件上均匀有序排列点胶，然后将金刚石撒布在胶滴上，构成金刚石均匀排列。