藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具研究

高娟

摘 要：藍(lán)寶石材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能，符合國(guó)家“綠色低碳”政策的發(fā)展趨勢(shì)，藍(lán)寶石行業(yè)興起之初，各項(xiàng)技術(shù)都被國(guó)外壟斷，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、工藝技術(shù)和耗材也逐步為國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品替代。針對(duì)超硬磨料進(jìn)行的套取藍(lán)寶石晶棒鉆具的研究，取得了較好的成果，制品各項(xiàng)性能均達(dá)到國(guó)外同類(lèi)水平。

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石；套（掏）棒機(jī)；鉆具；金剛石

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0067-02

技術(shù)背景：藍(lán)寶石，是剛玉寶石中除紅寶石之外，其它顏色剛玉寶石的通稱(chēng)，主要成分是氧化鋁，藍(lán)寶石晶體莫氏硬度為9，僅次于金剛石，具有很好的透光性、熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性，力學(xué)機(jī)械性能好，并且具有耐磨和抗腐蝕的特點(diǎn)。藍(lán)寶石晶體以其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)，良好的物理化學(xué)性質(zhì)成為L(zhǎng)ED半導(dǎo)體照明、大規(guī)模集成電路及超導(dǎo)納米薄膜等最理想襯底新材料，半導(dǎo)體LED照明作為一種新型高效固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保和壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，對(duì)節(jié)能減排具有顯著意義，符合“綠色低碳”的發(fā)展趨勢(shì)，“十一五”開(kāi)始，國(guó)家就把半導(dǎo)體照明作為一項(xiàng)重大工程進(jìn)行推動(dòng)，受?chē)?guó)家政策影響藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)，我國(guó)藍(lán)寶石行業(yè)興起之初，生產(chǎn)設(shè)備與工藝、重要的主材和耗材都被國(guó)外壟斷，掏棒加工使用的鉆具也大多來(lái)自于德國(guó)和日本，隨著技術(shù)的成熟，制備藍(lán)寶石晶棒的工具成本大大阻礙了該行業(yè)的發(fā)展，這樣使得藍(lán)寶石晶棒鉆具的研究和生產(chǎn)成為最具活力的技術(shù)。

1 基本技術(shù)說(shuō)明

藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具用于從藍(lán)寶石晶錠中套取藍(lán)寶石晶棒，2英寸、4英寸、6英寸規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)鉆具，鉆具在制作過(guò)程中依據(jù)的國(guó)標(biāo)是機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6354-2006，國(guó)標(biāo)對(duì)鉆具和設(shè)備的連接方式做出了明確的要求：藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具包括：底座即連接部位，安裝在藍(lán)寶石套（掏）棒機(jī)主軸上；金剛石磨料層，呈環(huán)狀且一體燒結(jié)成型；連接筒，連接鉆具金剛石磨料層與底座的部位，底座與連接筒通過(guò)焊接連接在一起，另一頭金剛石磨料層與連接筒通過(guò)高頻感應(yīng)焊連接在一起，由于設(shè)備不同現(xiàn)市場(chǎng)有三種結(jié)構(gòu)的底座。藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具其金剛石磨料層特征，自金剛石磨料層頂端向連接筒方向在金剛石磨料層上均勻開(kāi)有多個(gè)排屑槽（要求部分略有不同），此特征確保產(chǎn)品在使用中良好的冷卻和排屑。由于藍(lán)寶石晶錠的生長(zhǎng)成本較高，提高藍(lán)寶石晶錠的利用率，磨料層工作層設(shè)計(jì)總寬度從3mm到1.5mm之間，可提高利用率約4%。為保證使用中鉆具的安全負(fù)荷，需核算出鉆具在工作中各部位所受張力、正壓力、扭矩情況，并根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇優(yōu)質(zhì)鋼材作為連接筒和底座材料。

2 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具必須具有效率高、壽命長(zhǎng)、套棒質(zhì)量好等特點(diǎn)，在加工質(zhì)量符合要求的前提下，進(jìn)給速度33mm/min，鉆削2寸藍(lán)寶石晶棒，每支平均壽命不得低于15m；在進(jìn)給速度8mm/min，鉆削4寸藍(lán)寶石晶棒，每支平均壽命不得低于22m，是國(guó)外產(chǎn)品平均壽命指標(biāo)，所以鉆具磨料層金屬結(jié)合劑的配方的強(qiáng)度是保證其優(yōu)異性能的根本，經(jīng)研究以鐵、鈷、鎳為主要合金成分的鐵族金屬在性能上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，2寸鉆進(jìn)速度最高可調(diào)整到50mm/min，4寸鉆進(jìn)速度最高可調(diào)整到16mm/min，大大提高了制品的產(chǎn)出率。由于受制于基礎(chǔ)材料的加工效率，晶棒毛坯的鉆取問(wèn)題一直影響下游成品的產(chǎn)出，提高晶棒的產(chǎn)出等于解決了毛坯材料的供需矛盾，通過(guò)高效率、高自銳性磨料層的研發(fā)，可大大提高鉆具使用性能，同時(shí)對(duì)于不同規(guī)格的鉆具經(jīng)試驗(yàn)推薦加工參數(shù)如（表1）。

3 產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新

3.1 “藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具”磨料層燒結(jié)技術(shù)

為保證磨料層組織致密性可采用液態(tài)介質(zhì)傳壓燒結(jié)工藝方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)合劑粉體快速致密、均勻成型，從而獲得高性能的金屬?gòu)?fù)合材料材質(zhì)，最大限度地提高工具性能。介質(zhì)壓工藝方法的技術(shù)有效地解決了原來(lái)傳統(tǒng)工藝方法的不足，該工藝的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于材料成型與致密化分離，變單向壓制為全方位壓制，這樣磨具所受壓力比傳統(tǒng)工藝更加均勻，胎體組織密度更一致，該工藝制作的工具在應(yīng)用中更能抗沖擊，壽命和磨削效率更為優(yōu)異。傳統(tǒng)的工藝方法由于受到模具材料的限制，都無(wú)法達(dá)到高壓、致密的要求，所以金屬結(jié)合劑設(shè)計(jì)密度無(wú)法保證。燒結(jié)上在采用比較先進(jìn)的金屬預(yù)合金粉末技術(shù)，由于預(yù)合金粉末內(nèi)元素分布均勻，性能趨于一致，避免了成分偏析，從而提高了胎體的機(jī)械性能，大大改善了制品的抗壓、抗彎強(qiáng)度，提高了對(duì)磨料的把持力，延長(zhǎng)了工具壽命；由于預(yù)合金粉末多元素的共熔點(diǎn)比合金中單元素熔點(diǎn)要低得多，其燒結(jié)工藝性更優(yōu)異，可降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，一方面有利于避免高溫給金剛石帶來(lái)的損傷，一方面降低能源消耗，降低了生產(chǎn)成本，兩項(xiàng)核心技術(shù)完美組合，可凸顯工具的高效、高壽命。

3.2 “藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具”超硬磨料技術(shù)

超硬磨料工具性能好壞主要取決于磨料金剛石品質(zhì)，以及金屬結(jié)合劑的燒結(jié)體對(duì)其的保持力，金剛石表面鍍覆處理技術(shù)的應(yīng)用解決了這一難題，金剛石鍍覆處理可降低金剛石的脫落，使出刃增高，從而提高工具的鋒利性并延長(zhǎng)壽命，金剛石鍍覆處理后配方也可適當(dāng)降低10%-20%濃度，大幅降低工具成本。在研究中發(fā)現(xiàn)，由于藍(lán)寶石的晶體特點(diǎn)，鉆削時(shí)在晶錠表面均會(huì)出現(xiàn)沿著晶向延展的微裂紋，由于藍(lán)寶石晶錠價(jià)格比較昂貴，需要兼顧鉆削表面微裂紋不得延伸到棒體內(nèi)部3mm，所以必須采用鋒利度高、耐磨性好的工具配方來(lái)實(shí)現(xiàn)，延展微裂紋的質(zhì)量要求就限制了所用配方超硬磨料的粒度和品質(zhì)不能為了無(wú)限提高效率進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)，所以在磨料的選擇方向上就需要高品質(zhì)的金剛石材料，通過(guò)試驗(yàn)金剛石的品質(zhì)至少要在MBD8以上，那些低端的材料無(wú)法達(dá)到藍(lán)寶石鉆具的強(qiáng)力鉆削要求。

3.3 “藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具”焊接技術(shù)

鉆具產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)是由基體底座、連接筒和金剛石磨料層構(gòu)成，基體底座與連接筒通過(guò)二氧化碳保護(hù)氣體焊接加固，磨料層和連接筒通過(guò)銀焊焊接加固，三個(gè)基礎(chǔ)部件連接形成一個(gè)長(zhǎng)筒式的有機(jī)體，基體底座和連接筒起支撐作用，磨料層實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石晶棒的鉆削制取。在產(chǎn)品制作初期焊接基體底座和連接筒零件時(shí)，是采用手工對(duì)接焊接，以基體底座的端面作為定位面與連接筒一端過(guò)盈裝配，然后將裝配好的底座和連接筒進(jìn)行焊接，手工裝配方法的缺陷是在人工裝配過(guò)程中需要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接筒，這樣不僅很難保證裝配后的底座與基體的垂直度，而且焊接工人需頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)連接筒來(lái)完成連接筒和底座圓周上的焊接，焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，且由于用手轉(zhuǎn)動(dòng)連接筒，很難保證勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此焊接精度和焊接質(zhì)量很難保證，使得焊接時(shí)焊縫處的變形增大，增大了底座與連接筒的垂直度誤差，需耗費(fèi)大量工時(shí)矯正甚至導(dǎo)致工件因無(wú)法矯正而報(bào)廢。在解決這一焊接難題的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)出基體底座與連接筒焊接用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、移位裝置、裝卡裝置等焊接用輔助工裝（輔助工裝技術(shù)均獲得專(zhuān)利技術(shù)授權(quán)，專(zhuān)利號(hào)：ZL 2015 2 1076643.0；ZL 2015 2 1076080.5；ZL 2015 2 1076993.7），保證了筒壁與基體底座組合的精度和品質(zhì)，成品率也得到大大提升。為提高產(chǎn)品性?xún)r(jià)比在產(chǎn)品研發(fā)運(yùn)行之初，鉆具材料使用的是45#鋼管熱處理再加工，該管材在使用中車(chē)床加工量較大，人工工時(shí)較高，且嚴(yán)重影響加工交付效率，一個(gè)380mm長(zhǎng)的鋼管粗、精車(chē)到半成品消耗的工時(shí)加在一起要360分鐘，除加工難度大外，熱處理質(zhì)量也存在不穩(wěn)定性，影響了成品率。通過(guò)不同材料的試驗(yàn)選型，最終選定的20#鋼冷拔管在機(jī)械強(qiáng)度和性能方面不但能抵抗鉆削扭力的作用，加工留量還可按成品尺寸預(yù)留最小的量，大大節(jié)約了加工的時(shí)間，同樣成品尺寸車(chē)加工工時(shí)降低2/3，材料成本和加工成本大大降低，企業(yè)利潤(rùn)大大提升。

4 技術(shù)總結(jié)

該產(chǎn)品的研究是借助于磨料層介質(zhì)壓燒結(jié)技術(shù)，該技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，產(chǎn)品的性能指標(biāo)更為優(yōu)異，內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定。該產(chǎn)品工作層與基體采用焊接工藝進(jìn)行組合，其結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燒結(jié)工藝組合強(qiáng)度，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燒結(jié)母體組織強(qiáng)度，保證了強(qiáng)力鉆削時(shí)的安全性。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（2英寸）藍(lán)寶石晶棒超硬磨料鉆具基體材料改善上，通過(guò)改變基體鋼材牌號(hào)，選用成型的管材替代棒材，內(nèi)徑車(chē)削技術(shù)改為珩磨技術(shù)，珩磨后良好的尺寸公差和表面粗糙度為后續(xù)加工提供了優(yōu)質(zhì)的加工基準(zhǔn)。產(chǎn)品機(jī)加工采用雙頂尖輔助工裝，在磨削、車(chē)削加工工序，尺寸精度及形位公差精度達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品要求，且加工質(zhì)量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了工作層與定位基準(zhǔn)的同軸度，通過(guò)驗(yàn)證徑向跳動(dòng)達(dá)到0.03mm以?xún)?nèi)。為保證成品符合套（掏）棒機(jī)使用要求，對(duì)產(chǎn)品的各部尺寸和精度依照國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并采用了V型鐵、偏擺儀，專(zhuān)用磨床頭架等方法確認(rèn)磨料層的徑向跳動(dòng)，采用影像儀和電子顯微鏡等儀器對(duì)磨料層的形狀和金剛石的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使制造過(guò)程的缺陷得到識(shí)別確保產(chǎn)品高品質(zhì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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