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。
1.1.1 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)。
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
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。
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
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)
(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。