多切削刃金剛石顆粒燒結(jié)試驗(yàn)研究

陳 強(qiáng)， 楊雪峰， 花波波， 張 鉦， 王 恒

(1. 河南亞龍金剛石制品股份有限公司， 鄭州 450001)

(2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)， 北京 100083)

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，大量新型難加工材料的出現(xiàn)，對(duì)加工效率和加工精度提出了越來越高的要求[1-2]，也為金剛石工具的應(yīng)用和發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。為了提高金剛石工具性能，滿足現(xiàn)代化加工需求，除了對(duì)金剛石工具的配方、制造工藝及加工工藝進(jìn)行深入研究外，金剛石顆粒自身質(zhì)量和表面處理技術(shù)也越來越受到重視[3-7]。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)普遍采用金剛石鍍鈦的表面處理技術(shù)來提高金剛石磨粒與結(jié)合劑之間的把持力，以防止金剛石過早脫落，從而延長(zhǎng)工具的使用壽命和提高其鋒利度，該技術(shù)是目前金剛石表面處理方面應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)[8]。

此外，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一種對(duì)金剛石表面多刃化處理的工藝，即采用低溫?zé)Y(jié)的方法制備多切削刃金剛石顆粒。金剛石表面多切削刃的存在，一方面可以增加胎體與金剛石的接觸面積，提高胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力[9]；另一方面，可以提高工具鋒利度和切削加工效率[10]。使用該技術(shù)生產(chǎn)的多切削刃金剛石顆粒，可應(yīng)用于研磨膏、拋光粉以及對(duì)把持力要求較高的電鍍工具、繩鋸和金剛石鋸片等產(chǎn)品上，具有廣闊的市場(chǎng)前景。但此技術(shù)并不成熟，還處于理論研究和試驗(yàn)探索階段。因此，對(duì)金剛石顆粒的多刃化處理工藝及性能進(jìn)行研究，并開展碳化硅晶片磨削試驗(yàn)驗(yàn)證顆粒多刃化處理的有效性。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)選用河南省亞龍超硬材料有限公司生產(chǎn)的晶型完整的M2/4、M35/55金剛石顆粒作為多刃化處理的試驗(yàn)原材料(圖1)。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

用上海尚群電子科技有限公司生產(chǎn)的高溫氫氣燒結(jié)爐對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行低溫多刃化燒結(jié)試驗(yàn)，探索金剛石顆粒多刃化處理工藝。用掃描電鏡對(duì)多刃化處理前后的金剛石顆粒形貌進(jìn)行對(duì)比分析，用MODEL 920研磨拋光機(jī)開展對(duì)碳化硅晶片研磨試驗(yàn)。

1.2 燒結(jié)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)要在保證不損傷金剛石顆粒強(qiáng)度前提下，實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒的多刃化處理。根據(jù)人造金剛石單晶在氧氣和空氣中的耐熱溫度，將金剛石顆粒多刃化試驗(yàn)燒結(jié)溫度分別設(shè)置為680、700、750 ℃，升溫到目標(biāo)溫度后，保溫時(shí)間設(shè)定為360或480 min，試驗(yàn)方案如表1所示。把金剛石顆粒放入鎂杯中在高溫氫氣燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。當(dāng)升溫至保溫溫度時(shí)，爐腔壓力為1.3 kPa，期間通氧氣2次，每次2 min，壓力均為10 kPa，通氣間隔2 h。燒結(jié)完成后自然冷卻至室溫。對(duì)燒結(jié)后的金剛石顆粒進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，確定金剛石顆粒多刃化處理的最佳燒結(jié)工藝。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金剛石顆粒多刃化表面形貌觀察分析

使用表1中的試驗(yàn)方案和工藝條件對(duì)M35/55、M2/4金剛石顆粒表面進(jìn)行多刃化燒結(jié)試驗(yàn)。由于1#、2#和3#樣品燒結(jié)前后無明顯的多刃化效果，特別是中下層金剛石顆粒完全無變化，因此，重點(diǎn)對(duì)4#、5#和6#試驗(yàn)所得的樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察分析。

圖2和圖3分別是在4#和5#燒結(jié)條件下的2種粒度金剛石顆粒表面的掃描電鏡圖片。從圖2a、圖2b和圖3a、圖3b可以看出：M35/55和M2/4試驗(yàn)樣品的上層部分的大多數(shù)金剛石顆粒表面出現(xiàn)了相對(duì)均勻的表層凹坑，表面鏡面變少，取得了明顯的多刃化效果，但由于M35/55顆粒間的孔隙比M2/4大，因此同樣的試驗(yàn)條件下，M35/55的多刃化效果要優(yōu)于M2/4的；從圖2c、圖2d和圖3c、圖3d可以看出：M35/55和M2/4試驗(yàn)樣品的下層部分只有少數(shù)金剛石顆粒表面出現(xiàn)了表層淺凹坑，即出現(xiàn)了金剛石顆粒表面多刃化現(xiàn)象，但是從多刃化的均勻性和多刃化率來說，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的效果。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是下層的金剛石顆粒在多刃化燒結(jié)過程中無法與通入的氧氣實(shí)現(xiàn)充分接觸，無法滿足多刃化過程中碳化所需的氧氣量。上述觀察與分析結(jié)果表明：金剛石顆粒表面多刃化效果不僅與燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間有關(guān)，還與氧氣的通入量及氧氣與金剛石顆粒表面接觸程度有關(guān)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)多刃化燒結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，定制面積更大的燒結(jié)容器，把金剛石顆粒盡量攤開，確保金剛石顆粒與氧氣充分接觸。圖4是在新容器中、750 ℃保溫480 min燒結(jié)條件下2種粒度金剛石顆粒表面的掃描電鏡圖片。從圖4中可以看出：在該工藝條件下，金剛石顆粒表面出現(xiàn)了大小適中、分布均勻的凹坑，獲得了理想的金剛石顆粒多刃化處理效果。

2.2 金剛石顆粒多刃化過程質(zhì)量損失情況分析

對(duì)表1中6組M35/55、M2/4金剛石顆粒表面多刃化燒結(jié)試驗(yàn)過程中的質(zhì)量損失情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：在多刃化燒結(jié)過程中，金剛石顆粒出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失，多刃化效果越好，質(zhì)量損失越多；在750 ℃保溫480 min的燒結(jié)工藝條件下，M35/55和M2/4分別損失28.7%和32.3%的質(zhì)量。

表2 不同工藝條件下2種金剛石顆粒失重情況

2.3 多刃化前后金剛石顆粒性能對(duì)比分析

采用該方法對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行多刃化處理，與常規(guī)金剛石顆粒相比，一方面顯著增大了金剛石顆粒晶面的比表面積，增強(qiáng)金剛石顆粒與胎體或電鍍工具的鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，可有效延長(zhǎng)金剛石工具的使用壽命；另一方面，多刃化之后，金剛石顆粒表面分布大量微刃口，可顯著提高金剛石工具的鋒利性，提高加工效率。

以M2/4為例，普通金剛石顆粒比表面積為1.256 m2/g，而多切削刃金剛石顆粒比表面積為1.437 m2/g，比表面積增加了14.41%，取質(zhì)量相同、處理前粒度相同的多切削刃金剛石顆粒和常規(guī)金剛石顆粒，在MODEL 920研磨拋光機(jī)上進(jìn)行碳化硅晶片研磨試驗(yàn)，研磨盤轉(zhuǎn)速80 r/min，研磨壓力6.35 kPa，研磨時(shí)間20 min，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：與常規(guī)金剛石相比，多刃金剛石顆粒的去除率提高了1.1倍，研磨后晶片粗糙度值Ra降低了76%，顯著提高了碳化硅晶片的研磨拋光效率和精度。

表3 碳化硅晶片研磨試驗(yàn)

3 結(jié)論

(1)金剛石顆粒在有氧低溫?zé)Y(jié)工藝條件下出現(xiàn)了多刃化現(xiàn)象，金剛石顆粒表面多刃化效果不僅與燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間有關(guān)，還與金剛石顆粒粒度、氧氣的通入量及氧氣與金剛石顆粒表面接觸程度有關(guān)。金剛石粒度越粗，顆粒間隙越大，越易與氧氣充分接觸，越容易實(shí)現(xiàn)理想的多刃化處理。

(2)金剛石顆粒多刃化處理的最佳工藝為：燒結(jié)溫度750 ℃，燒結(jié)時(shí)間480 min，期間通氧氣2次，每次2 min，壓力均為10 kPa，通氣間隔2 h。在此條件下可獲得大小適中，凹坑分布均勻的多刃化金剛石顆粒表面。

(3)碳化硅晶片研磨試驗(yàn)表明：多刃化金剛石顆粒與常規(guī)金剛石顆粒相比，材料去除率可提高1.1倍，研磨后晶片粗糙度Ra約為常規(guī)金剛石顆粒研磨后Ra的24%，顯著提高了碳化硅晶片的研磨拋光效率和精度。