姜榮超　長沙礦山研究院

提要：本文介紹了近年來金剛石均勻分布/有序排列在國內(nèi)外金剛石工具中的應用與效果，解決了金剛石工具效率與壽命相互矛質(zhì)的難題，通過優(yōu)化與控制工具內(nèi)部金剛石之間的間距，實現(xiàn)了既提高工具壽命，又增加效率的目的。討論了金剛石均勻分布/有序排列的功能以及各參數(shù)的關(guān)系。簡要地介紹了實施金剛石均勻分布/有序排列的工藝措施。?

關(guān)鍵詞：均勻分布有序排列金剛石間距?????

在常規(guī)金剛石工具中金剛石在金屬胎體中是隨機分布/無序排列的。因此，金剛石在刀頭中容易產(chǎn)生偏析與聚集。在金剛石富集區(qū)，金剛石不能有效利用而浪費，此區(qū)金剛石濃度高，金剛石密集，金剛石鋸切力小，而易被拋光與磨損，同時易于堵塞與阻礙巖屑的排除，致使鋸切效率下降。在金剛石稀少區(qū)，金剛石也不能有效鋸切，由于承受工作負荷過大，沖擊力大，金剛石易于碎裂與脫落。因此，金剛石隨機分布/無序排列常常導致降低鋸切效率，縮短工具壽命的惡性循環(huán)。還經(jīng)常出現(xiàn)鋸切效率與工具壽命相互矛盾的情況，即提高鋸切效率，將使工具壽命縮短;反之延長工具壽命，將使鋸切效率下降。采用制粒工藝后，雖然金剛石分布有所改善，但是仍然不能從根本上解決問題。?????

近年來在金剛石工具行業(yè)中，推出了刀頭金剛石均勻分布l有序排列的設(shè)計與工藝，使金剛石在工具中得到充分有效的利用，即提高了鋸切效率，又延長了工具壽命。同時，可節(jié)約金剛石，降低金剛石濃度，節(jié)約了成本。若在此工藝中采用金剛石涂覆，預合金粉末與金剛石釬焊技術(shù)，使金剛石把持得更牢，凸出更高，則使用效果更能顯著改善。?????

在金剛石工具中采用均勻分布/有序排列的設(shè)計與工藝，將使金剛石工具生產(chǎn)從模擬時代進人數(shù)字化時代，將有力地推進我國金剛石工具制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，顯著提高我國金剛石工具的質(zhì)量與性能，也適應我國金剛石工具行業(yè)進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)品不斷更新，擴大市場的需要，值得我國金剛石制造廠商的高度重視。??

1.金剛石均勻分布/有序排列的應用與效果?

1.1金剛石均勻分布/有序排列在釬焊繩鋸、刀頭與排鋸上的應用?????

我國臺灣，中國砂輪公司宋健民博士首先將金剛石均勻分布/有序排列應用于釬焊刀頭，排鋸與繩鋸上。宋健民博士將有序排列稱為鉆石陣（Diamond　Grid)。該公司根據(jù)宋健民博士的專利(U.S.Patent6,?039,?641)研制出鉆石陣鋸齒，見圖1。?“這種鋸齒內(nèi)的鉆石在三度空間內(nèi)排列，因此可徹底解決鉆石工具業(yè)長年揮之不去的鉆石分布問題?！焙髮⒂行蚺帕袘糜谂配彙Ｇ懈钜郧盁o法鋸切的硬質(zhì)花崗巖。結(jié)果顯示這種新型鋸齒可以1?mm/min的速度鋸切，比傳統(tǒng)的鐵砂拉鋸快三倍。每ct鉆石鋸切的面積更高達1㎡，接近圓鋸的壽命。?

中國砂輪公司將有序排列鉆石陣技術(shù)用于研制釬焊繩鋸，每顆串珠金剛石用量由0.5ct,減少到0.lct,節(jié)約了金剛石。在世界各地鋸切花崗巖、蛇紋巖與大理石表明，繩鋸的下切速度比常規(guī)串珠快約兩倍，而其功率消耗只有后者的1/3。有序排列鉆石陣(Dia-Grid)釬焊串珠與電鍍及燒結(jié)串珠繩鋸相對鋸切速度與使用壽命對比，見圖2。?

1.2有序排列在精密磨削上的應用?????

美國和日本的Noritake公司在研制單層釬焊金剛石磨輪用于精密磨削加工時，采用了金剛石均勻分布l有序排列技術(shù)(Diamond?Grain?Grit?Alley)，見圖3。試驗表明：其工件表面粗糙度明顯改普，其工件表面粗糙度小于3Z。主軸轉(zhuǎn)速越高，其磨削力越小。?

1.3金剛石有序排列在CMP(化學機械拋光)修整器上的應用?????

隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，半導體器件高度集成化，電子線路多層化，標準晶圓已增大到?300mm直徑。因此，晶圓及集成塊加工對CMP(化學機械拋光或平坦化)修整器的加工精度、穩(wěn)定性、恒定的磨拋率要求更高。日本Asahi(旭日)金剛石工業(yè)公司在研發(fā)金剛石化學機械拋光墊修整器(Diamond?CMP?pad?conditioner)過程中，為改善批量生產(chǎn)中修整器性癡勺一致性，并達到恒定的拋光率，采用規(guī)則均布金剛石技術(shù)(Regular?diamond?placement?with?constant?pitch)，新開發(fā)三種類型CMP修整器。?

1.3.1?CMP-CS型修整器：金剛石用Ni,?Cr胎體材料強力地化學結(jié)合把持，以防止金剛石脫落。金剛石在胎體材料上的分布具有重復性，故其性能非常穩(wěn)定。?

1.3.2?CMP-NEO-UP型修整器：該修整器的特點是金剛石規(guī)則均布(regular　Pattern)。每顆金剛石由Ni基胎體單獨專門把持與固定，使金剛石的脫落減少到最低程度。?

1.3.3?CMP-NEO-U型修整器，該修整器具有下列特點：a金剛石規(guī)則均布;b金剛石凸露高度可控;c、金剛石刃端定向排列一致;d.每顆金剛石由Ni基胎體單獨專門把持與固定，見圖4。???

CMP-NEO-U型修整器在生產(chǎn)中與GMP-M型修整器對比使用表明：CMP-NEO-U型修整器拋光性能更為恒定一致，其使用壽命為CMP-M修整器的兩倍，使用中不產(chǎn)生任何劃痕。一直到工具壽命終了，金剛石有效工作率達80%，而CMP-M型修整器金剛石有效工作率僅為10%。?

1.4有序排列金剛石在搪磨刀具上的應用?????

瑞士ETH機床與加工研究所G.Burkhard博士等在研制?11.65?x?50mm搪磨刀具加工16MnCr5材質(zhì)的齒輪中心盲孔時采用有序排列金剛石技術(shù)同。金剛石采用活性材料焊接在刀具上，金剛石有序排列采用專利技術(shù)(EP1208945A1)，并用靜電上砂、使金剛石朝向得以控制。由于金剛石凸出高，顆粒間隙大，改善了金屬磨屑的排除與冷卻液的輸送。因此，提高了磨削能力與刀具壽命。初期試驗階段搪磨刀具壽命最多可加工6000個鉆孔，是電鍍法制作刀具的六倍，見圖5，優(yōu)化階段，選擇了大顆粒金剛石和較小顆粒間距，使刀具壽命達到電鍍刀具的10－20倍。?

1.5金剛石均均分布在多層金剛石刀頭中的應用?????

從2001年開始韓國shinhan金剛石工業(yè)公司集中10個研究人員耗資200萬美元于2004年12月宣布完成了ARIX金剛石自動排布系統(tǒng)(automatic?array?sys-tem)的研制，可在金剛石刀頭生產(chǎn)中自動以最優(yōu)間距均勻排布金剛石，克服了常規(guī)刀頭生產(chǎn)中金剛石隨機無序排列導致鋸片鋸切效率低，壽命短的難關(guān)，見圖6。???

圖6　金剛石隨機分布與有序排列刀頭對比

ARIX自動排列系統(tǒng)使用戶尋求長壽命工具和快速鋸切能力要求得以最優(yōu)化，克服了金剛石壽命與其鋸切速度相互矛盾的問題。因為常規(guī)金剛石刀頭鋸片，金剛石在刀頭中是隨機分布的。在鋸切過程中每顆金剛石不承受相同的切割力。金剛石過于密集處，領(lǐng)頭的金剛石將做過大的功，后繼的金剛石則不完全參與做功，這導致領(lǐng)先的金剛石易于破碎與脫落，進而在金剛石之間留下大的間隙空間，胎體暴露并易于磨損。整個導致工具壽命較低，鋸切速度降低。?????

ARIX工藝可使刀頭生產(chǎn)時其內(nèi)部金剛石的間距得到優(yōu)化并100%得到控制。使金剛石鋸切效率提高到最大程度。由于刀頭中金剛石的均勻分布，結(jié)果使鋸片壽命和鋸切速度兩者都明顯得以提高，對比試切結(jié)果見下表1。???

ARIX自動排布系統(tǒng)使金剛石均布刀頭生產(chǎn)進人批量生產(chǎn)階段，1個工人每天可生產(chǎn)170片鋸片，每月可生產(chǎn)5000個刀頭。增加設(shè)備后可進一步提高產(chǎn)量，使ARIX工藝進人產(chǎn)業(yè)化。?

1.6金剛石均勻分布在預合金粉末刀頭中的應用?????

我國“成都中豪超硬材料有限公司”經(jīng)過一段時間的試驗研究，率先在我國采用預合金粉末做胎體，刀頭中采用多層均勻分布金剛石，對研磨體進行保護等綜合技術(shù)，研制出可以根據(jù)需要生產(chǎn)出高效率的、長壽命的、或既要較為鋒利又要耐用的DC金剛石鋸片及刀頭。目前已有0601,?0602,?0603,?0604不同等級多種規(guī)格(10"?,??12"?,??14"?,??16"?,??18"?,?20"?,24")不同用途(鋸切花崗巖、大理巖、混凝土等)的鋸片及套鋸、組合鋸刀頭，并已形成產(chǎn)業(yè)化。產(chǎn)品質(zhì)量已得到國內(nèi)外用戶的認可，見圖7。?

實驗室與現(xiàn)場試驗初步表明，由于采用金剛石多層均勻分布的同時，還采用了預合金粉末，故金剛石把持牢固，凸出較高，故鋸片質(zhì)童與使用效果更為明顯，見圖8。由于采用預合金粉末，提高了金剛石把持力，從圖9可見，14’，鋸片鋸切花崗巖后，金剛石蟒料尾非常明顯，金剛石把持好，凸出高，排屑溝槽效果也很好，這有力地提高了鋸切效率。?

2金剛石均勻分布/有序排列的功能?

2.1金剛石的磨損過程及其特性?????

金剛石在石材工業(yè)與建筑工程中的應用，主要依靠把持在金屬胎體中的金剛石，因鋸片旋轉(zhuǎn)給進或排鋸來回往復運動及機械的振動產(chǎn)生周期性的磨擦，刮削與沖擊及耕犁作用對工作對象(如花崗巖、大理石、混凝土或瀝青等)產(chǎn)生破碎與鋸切。?????

金剛石的合成工藝及其后處理工藝附于金剛石特定的結(jié)構(gòu)與性能。金剛石在金剛石工具的給定工作條件(工況)下與特定的工作對象下，將具有自己特定的磨損過程。元素六公司利用其室內(nèi)外的測試條件與裝備，對其鋸切級金剛石的各種產(chǎn)品在各種不同條件下進行了大量的實驗測定與研究。提出了金剛石鋸切時特定的磨損過程，用圖示描述鋸切金剛石在不同工況條件下特有的金剛石磨損過程的磨損機理預測及鋸切級金剛石選用指示系。?????

金剛石磨損過程可分為幾種不同的階段與狀況，見圖10。開始階段，埋在金屬胎體中的金剛石沒有有效凸露，并接觸工件，此時不進行鋸切，也不被磨損，見圖10-a。當金剛石周圍的胎體被磨損，金剛石凸出高度增大，并高于胎體。一但金剛石凸出高度有效增大，并接觸到工件，將產(chǎn)生與出現(xiàn)金剛石磨平(wear-flat)狀況，見圖10-b。由工具旋轉(zhuǎn)引起的工具與工件的周期性斷續(xù)接觸，使金剛石產(chǎn)生并承受周期性荷載。由于工件(切割對象)的不均勻性及工具的振動，使該荷載更為加劇。該荷載的累積效應將降低金剛石承受鋸切力的能力，因而金剛石開始破碎與碎裂，金剛石進人微破碎階段(microfracture)，見圖10-c。只有金剛石處于磨平和微破碎階段，金剛石在鋸切條件下可產(chǎn)生明顯有效的鋸切作用。在相同鋸切條件下，磨平與微破碎狀態(tài)的相對比例將取決于金剛石的強度與結(jié)構(gòu)特性。隨著微破碎過程的加速，金剛石與工件接觸面的減少，鋸切效率提高，同時也加大對金剛石的切削力與沖擊力，最終使磨損過程進人大面積的整體宏觀破碎(macrofracture/rough)狀況，見圖10-d。并導致金剛石的脫落，在此階段金剛石高度的磨損最為明顯與加劇。?

2.2金剛石均勻分布/有序排列的功能及各參數(shù)的相互關(guān)系?????

金剛石工具的性能取決于多種因素，使用金剛石的特性，即金剛石的粒度(PPC值)，強度和結(jié)構(gòu)是最關(guān)鍵的因素之一。金剛石工　　具的壽命、功率消耗與鋸切效率最終取決于所有金剛石在工具表面(刀頭中)的綜合作用。這里應包括金剛石在刀頭中的粒度(PPC值一每克粒金剛石的穎粒數(shù))，濃度，金剛石凸出高度，金剛石之間的距離及其排列組合等。金剛石均勻分布/有序排列與其它參數(shù)的關(guān)系及對金剛石工具性能的影響，可用圖11綜合表示。?

金剛石的間距：由圖11可見，當金剛石處于隨機分布/無序排列時，金剛石在a處過于密集，金剛石間距過小。金剛石主要處于磨平，拋光階段，每顆金剛石切割力小，鋸切壽命長，鋸切效率(速度)低。當金剛石在C處發(fā)生偏析，金剛石間距過大，每顆金剛石承受荷載大，切割力大，排渣空隙暢通，鋸切效率高，速度快。但金剛石易于剝落與碎裂，胎體磨損快，壽命短。鋸片效率與壽命的關(guān)系見圖12。?????

當實現(xiàn)金剛石均勻分布/有序排列時，金剛石間距可根據(jù)鋸切對象與鋸切條件不同實現(xiàn)最優(yōu)化，此時，金剛石可有效利用，發(fā)揮切割的作用，并能充分排屑與沖洗冷卻，可以實現(xiàn)既提高鋸切效率，又提高鋸片壽命的優(yōu)化目的。?????

鋸片表面金剛石的鋸切效率取決于金剛石之間距的分布與單個金剛石的磨損狀況。新韓公司對有序排列鋸片與傳統(tǒng)的無序排列進行了對比實驗。有序排列鋸片金剛石平均間距為4mm，金剛石為40/50目，濃度為1.1?ct/cm3。經(jīng)過鋸切后觀察表明，有序排列鋸片85%金剛石的間距為2-7mm，而普通鋸片僅為60%?,見圖13。此時有序排列鋸片的鋸切時間與鋸切力顯著改善。金剛石含量的增加，對切割荷載影響不大，但鋸切時間顯著延長，結(jié)果導致鋸片壽命與效率明顯改善與提高。?????

金剛石濃度：新韓公司的對比實驗表明，當采用?1600mm鋸片在50HP鋸機上鋸切三級花崗巖，轉(zhuǎn)速360r/min?(30m/s)，推進速度6m/min，切深2mm。當金剛石濃度提高時，有序排列鋸片的壽命成幾何級數(shù)提高，同時能保持良好的鋸切能力。然而隨粉金剛石濃度的提高，鋸切能力將趨向于下降，這也符合圖11的結(jié)果。?????

當采用無序排列鋸片對比鋸切時，隨著金剛石濃度的提高，鋸切荷載越來越大，以至不能很好鋸切。當金剛石濃度達1.2ct/cm3，初期鋸切無法進行。而有序排列鋸片鋸片壽命提高1000k?,鋸切速度如普通鋸片一樣非常好切，見圖14。???

當采用?250鋸片在20HP鋸機上進行3級花崗巖板材裁切對比試驗時，轉(zhuǎn)速為2150r/min?(28m/s)，推進速度為2}3m，切深30mm，采用有序排列鋸片時，壽命提高20%，切割荷載比無序排列濃度為0.6ct/cm3的鋸片還低，功率消耗降低15%，由于對金剛石間距合理控制，可增加金剛石的效率，提高鋸片壽命，降低鋸切荷載和功率消耗，見圖15。?

金剛石凸出高度：金剛石的凸出高度影響到金剛石工具的性能，特別是鋸切效率與鋸片壽命。金剛石在刀頭表面上的凸出高度除受到金剛石工具的工況及鋸切對象影響外，它主要取決于金剛石的粒度、強度、結(jié)構(gòu)特性，胎體對金剛石的把持力及金剛石與胎體磨損性能的匹配。?????

由于胎體的磨損，工具在惡列工況條件下，最初金剛石凸出高度增長很快，在更惡劣工況下，金剛石凸出高度又趨向于增長平緩。金剛石的最大凸出高度取決于金剛石本身粒度，金剛石與胎體之間的把持是否非常牢固有效，也取決于金剛石的結(jié)構(gòu)與性能，當金剛石凸出高度增大，其所承受的切割力也將提高，若金剛石能承受高的切割力，則鋸切效率將會提高見圖16。????

增大金剛石凸出高度除選擇最優(yōu)金剛石品質(zhì)與粒度外，提高金剛石把持力是其重要的措施，文獻田提出采用不同工藝(電鍍、燒結(jié)、涂覆、釬焊)可提高金剛石把持力，有利于提高鋸切效率與鋸片壽命，見圖17。燒結(jié)刀頭中采用金剛石涂碩工藝，選用合理胎體配方和采用預合金粉末是提高金剛石把持力的重要途徑。?????

金剛石粒度與PPC值(即每克拉金剛石的數(shù)量)：在討論金剛石粒度時，將引人PPC?(Particles?PerCarat)值，即每ct金剛石的數(shù)量(顆粒數(shù))，金剛石粒度和PPC值對金剛石工具的性能，如：鋸切效率，鋸片壽命，功率消耗和工具金剛石的磨損過程與特性具有重大影響。?????

當其他參數(shù)不變時，隨著金剛石粒度的減小，金剛石能達到的鋸切效率相對地會降低。當金剛石粒度減小，則每ct金剛石的量將增加，則在給定金剛石濃度下，單位面積上的切割點將增加，這將導致金剛石承受的平均切割力的下降。而平均切割力的大小，將影響選用金剛石所需強度。金剛石粒度大小也影響與決定著給定鋸切條件下，金剛石最大的凸出高度。隨著金剛石粒度的減小，則自胎體中出露的平均金剛石凸出高度將減低，見圖18，而金剛石凸出高度是確定鋸切效率的重要因素，粒度小，金剛石凸出低，巖屑容穴與排除間隙小，鋸切下的巖屑厚度也小，故鋸切效率低。?????

在加工工況不變條件下，金剛石粒度減小，每ct金剛石的數(shù)量增多，則可導致金剛石工具壽命的提高。這是由于因暴露的胎體面積小導致單位面積金剛石數(shù)量增多;因每顆金剛石的平均荷載減小導致鋸切巖屑高度減小，以及因金剛石的相對強度提高導致金剛石耐磨的累積效果，使整個金剛石工具壽命提高。通常，當金剛石粒度減小，在任何給定鋸切效率下，功率消耗將更高。若所有其他加工參數(shù)不變，由于接觸工件(巖石)的切割點數(shù)量更多，排除巖屑的間隙減小，鋸切功率消耗將增加。金剛石粒度對工具性能的影響是復雜的，取決于多種因素，如胎體內(nèi)金剛石的分布，胎體的均勻性，破碎體的高度等，它們都與金剛石的間距及其磨損狀況有關(guān)。?????

在金剛石濃度與加工工況不變情況下，單位面積上金剛石數(shù)量的變化將引起金剛石磨損過程與特性的變化。當每ct金剛石數(shù)量增多時，即單位面積上的切割點增多，結(jié)果平均巖屑高度降低，意即每顆金剛石的平均切割力降低，這樣磨損過程更多為磨平狀況，而不是微破碎。大量的磨平狀況將使功率消耗增大。?

3金剛石均勻分布/有序排列在刀頭上的實施?????

金剛石在刀頭上均勻分布l有序排列的優(yōu)越性早為人們所認識，但在刀頭上加以實施則是比較困難的事，用人工在刀頭上實現(xiàn)金剛石均勻分布/有序排列是可能的.但要大批量生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化則更為困難。因此金剛石均勻分布/有序排列在生產(chǎn)中實施的工藝與裝備則是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。?

3.1模板法?????

我國臺灣中國砂輪公司宋健民博士提出的專利技術(shù)(U.S.Patent.6,?039,?641)。即用模板法實施金剛石均勻分布/有序排列，見圖19。?????

該法的第一步：將胎體粉末混合均勻，加上適當?shù)挠袡C粘結(jié)劑和溶劑等，通過滾壓方法做成薄層100,如圖19。第二步，按金剛石分布與排列做成模板110，其孔徑114必大于單顆金剛石尺寸，小于兩藕金剛石尺寸，保證具有一順金剛石進人模機孔中，模板厚度為金剛石平均粒徑1/3-2/3。第三步將金剛石20布于模板上，并用鋼制平板120將金剛石通過模板110的孔114壓入胎體上，見圖19-b。第四步，移去模板上多余金剛石，并將模板移去，用鋼平板將金剛石壓人胎體薄層100中，如圖19-c，再重復上述步驟與方法，將金剛石壓人另一面。然后用多層壓有金剛石薄層組合成刀頭，再裝人石墨模具中燒結(jié)成刀頭，見圖1。該法可準確在金剛石按要求均布與排列，但效率低，用人工操作，批t生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)化有困難。?

3.2點膠法?????

該法由瑞士ETH機床與加工研究所G.Burkhard博士等提出的專利技術(shù)(EP1208345A)，見圖20。該裝置由一個膠水貯槽和一個微計量頭構(gòu)成。微計量頭由壓電驅(qū)動器，熱敏電阻、加熱線圈及電源組成，另有一個計量調(diào)控裝置。將膠水由膠水貯槽，經(jīng)進料管進人微計量器，當施加一個電壓脈沖，壓電驅(qū)動器即會收縮，從而排出一個膠滴，其最大排出頻率為2000Hz，噴咀直徑最大為40μm，加熱器則可把粘度較大的膠水計量配料。根據(jù)工件位置，點膠器的運動，可在工件上均勻有序排列點膠，然后將金剛石撒布在膠滴上，構(gòu)成金剛石均勻排列。?

3.3?ARIX自動排布系統(tǒng)?????

該法是韓國新韓公司開發(fā)的ARIX自動排布系統(tǒng)。該公司自2001年攻關(guān)，至2003年6月能成功地在刀頭中均勻有序排列金剛石，但生產(chǎn)效率滿足不了要求。經(jīng)過一年的集中努力，于2004年12月宜布完成ARIX自動排布系統(tǒng)，它可100%地控制刀頭中內(nèi)部金剛石的間距，并能自動生產(chǎn)，每月可生產(chǎn)50000個刀頭。?

3.4機械均勻有序排列金剛石?????

我國“成都中豪超硬材料有限公司”成功研制出預合金粉、金剛石均布、研磨體保護等三重保護的DC金剛石鋸片及刀頭，它有效克服了刀頭鋸切效率衰減快、金剛石濃度偏低、刀頭磨損的缺陷。在鋸切效率與壽命兩個方面都取得成功突破，該項技術(shù)已申請了專利，而且達到批里生產(chǎn)水平。?

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