藍寶石晶棒超硬磨料鉆具研究

高娟

摘 要：藍寶石材料優異的物理化學性能，符合國家“綠色低碳”政策的發展趨勢，藍寶石行業興起之初，各項技術都被國外壟斷，隨著國內技術的發展，現生產設備、工藝技術和耗材也逐步為國產產品替代。針對超硬磨料進行的套取藍寶石晶棒鉆具的研究，取得了較好的成果，制品各項性能均達到國外同類水平。

關鍵詞：藍寶石；套（掏）棒機；鉆具；金剛石

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0067-02

技術背景：藍寶石，是剛玉寶石中除紅寶石之外，其它顏色剛玉寶石的通稱，主要成分是氧化鋁，藍寶石晶體莫氏硬度為9，僅次于金剛石，具有很好的透光性、熱傳導性和電氣絕緣性，力學機械性能好，并且具有耐磨和抗腐蝕的特點。藍寶石晶體以其獨特的晶格結構，良好的物理化學性質成為LED半導體照明、大規模集成電路及超導納米薄膜等最理想襯底新材料，半導體LED照明作為一種新型高效固體光源，具有節能、環保和壽命長等顯著優點，對節能減排具有顯著意義，符合“綠色低碳”的發展趨勢，“十一五”開始，國家就把半導體照明作為一項重大工程進行推動，受國家政策影響藍寶石產業迅速發展起來，我國藍寶石行業興起之初，生產設備與工藝、重要的主材和耗材都被國外壟斷，掏棒加工使用的鉆具也大多來自于德國和日本，隨著技術的成熟，制備藍寶石晶棒的工具成本大大阻礙了該行業的發展，這樣使得藍寶石晶棒鉆具的研究和生產成為最具活力的技術。

1 基本技術說明

藍寶石晶棒超硬磨料鉆具用于從藍寶石晶錠中套取藍寶石晶棒，2英寸、4英寸、6英寸規格為標準鉆具，鉆具在制作過程中依據的國標是機械行業標準JB/T 6354-2006，國標對鉆具和設備的連接方式做出了明確的要求：藍寶石晶棒超硬磨料鉆具包括：底座即連接部位，安裝在藍寶石套（掏）棒機主軸上；金剛石磨料層，呈環狀且一體燒結成型；連接筒，連接鉆具金剛石磨料層與底座的部位，底座與連接筒通過焊接連接在一起，另一頭金剛石磨料層與連接筒通過高頻感應焊連接在一起，由于設備不同現市場有三種結構的底座。藍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有多個排屑槽（要求部分略有不同），此特征確保產品在使用中良好的冷卻和排屑。由于藍寶石晶錠的生長成本較高，提高藍寶石晶錠的利用率，磨料層工作層設計總寬度從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，并根據基礎數據選擇優質鋼材作為連接筒和底座材料。

2 產品技術參數

藍寶石晶棒超硬磨料鉆具必須具有效率高、壽命長、套棒質量好等特點，在加工質量符合要求的前提下，進給速度33mm/min，鉆削2寸藍寶石晶棒，每支平均壽命不得低于15m；在進給速度8mm/min，鉆削4寸藍寶石晶棒，每支平均壽命不得低于22m，是國外產品平均壽命指標，所以鉆具磨料層金屬結合劑的配方的強度是保證其優異性能的根本，經研究以鐵、鈷、鎳為主要合金成分的鐵族金屬在性能上表現出優異的性能，2寸鉆進速度最高可調整到50mm/min，4寸鉆進速度最高可調整到16mm/min，大大提高了制品的產出率。由于受制于基礎材料的加工效率，晶棒毛坯的鉆取問題一直影響下游成品的產出，提高晶棒的產出等于解決了毛坯材料的供需矛盾，通過高效率、高自銳性磨料層的研發，可大大提高鉆具使用性能，同時對于不同規格的鉆具經試驗推薦加工參數如（表1）。

3 產品技術創新

3.1 “藍寶石晶棒超硬磨料鉆具”磨料層燒結技術

為保證磨料層組織致密性可采用液態介質傳壓燒結工藝方法，實現結合劑粉體快速致密、均勻成型，從而獲得高性能的金屬復合材料材質，最大限度地提高工具性能。介質壓工藝方法的技術有效地解決了原來傳統工藝方法的不足，該工藝的技術創新點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用中更能抗沖擊，壽命和磨削效率更為優異。傳統的工藝方法由于受到模具材料的限制，都無法達到高壓、致密的要求，所以金屬結合劑設計密度無法保證。燒結上在采用比較先進的金屬預合金粉末技術，由于預合金粉末內元素分布均勻，性能趨于一致，避免了成分偏析，從而提高了胎體的機械性能，大大改善了制品的抗壓、抗彎強度，提高了對磨料的把持力，延長了工具壽命；由于預合金粉末多元素的共熔點比合金中單元素熔點要低得多，其燒結工藝性更優異，可降低燒結溫度，縮短燒結時間，一方面有利于避免高溫給金剛石帶來的損傷，一方面降低能源消耗，降低了生產成本，兩項核心技術完美組合，可凸顯工具的高效、高壽命。

3.2 “藍寶石晶棒超硬磨料鉆具”超硬磨料技術

超硬磨料工具性能好壞主要取決于磨料金剛石品質，以及金屬結合劑的燒結體對其的保持力，金剛石表面鍍覆處理技術的應用解決了這一難題，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壽命，金剛石鍍覆處理后配方也可適當降低10%-20%濃度，大幅降低工具成本。在研究中發現，由于藍寶石的晶體特點，鉆削時在晶錠表面均會出現沿著晶向延展的微裂紋，由于藍寶石晶錠價格比較昂貴，需要兼顧鉆削表面微裂紋不得延伸到棒體內部3mm，所以必須采用鋒利度高、耐磨性好的工具配方來實現，延展微裂紋的質量要求就限制了所用配方超硬磨料的粒度和品質不能為了無限提高效率進行的方案設計，所以在磨料的選擇方向上就需要高品質的金剛石材料，通過試驗金剛石的品質至少要在MBD8以上，那些低端的材料無法達到藍寶石鉆具的強力鉆削要求。

3.3 “藍寶石晶棒超硬磨料鉆具”焊接技術

鉆具產品的主要結構是由基體底座、連接筒和金剛石磨料層構成，基體底座與連接筒通過二氧化碳保護氣體焊接加固，磨料層和連接筒通過銀焊焊接加固，三個基礎部件連接形成一個長筒式的有機體，基體底座和連接筒起支撐作用，磨料層實現對藍寶石晶棒的鉆削制取。在產品制作初期焊接基體底座和連接筒零件時，是采用手工對接焊接，以基體底座的端面作為定位面與連接筒一端過盈裝配，然后將裝配好的底座和連接筒進行焊接，手工裝配方法的缺陷是在人工裝配過程中需要手動轉動連接筒，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動連接筒來完成連接筒和底座圓周上的焊接，焊接工人的勞動強度大、效率低下，且由于用手轉動連接筒，很難保證勻速轉動，因此焊接精度和焊接質量很難保證，使得焊接時焊縫處的變形增大，增大了底座與連接筒的垂直度誤差，需耗費大量工時矯正甚至導致工件因無法矯正而報廢。在解決這一焊接難題的過程中，開發出基體底座與連接筒焊接用轉動裝置、移位裝置、裝卡裝置等焊接用輔助工裝（輔助工裝技術均獲得專利技術授權，專利號：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，成品率也得到大大提升。為提高產品性價比在產品研發運行之初，鉆具材料使用的是45#鋼管熱處理再加工，該管材在使用中車床加工量較大，人工工時較高，且嚴重影響加工交付效率，一個380mm長的鋼管粗、精車到半成品消耗的工時加在一起要360分鐘，除加工難度大外，熱處理質量也存在不穩定性，影響了成品率。通過不同材料的試驗選型，最終選定的20#鋼冷拔管在機械強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留最小的量，大大節約了加工的時間，同樣成品尺寸車加工工時降低2/3，材料成本和加工成本大大降低，企業利潤大大提升。

4 技術總結

該產品的研究是借助于磨料層介質壓燒結技術，該技術國際領先，產品的性能指標更為優異，內在質量穩定。該產品工作層與基體采用焊接工藝進行組合，其結合強度遠遠超過燒結工藝組合強度，也遠遠超過燒結母體組織強度，保證了強力鉆削時的安全性。在標準規格（2英寸）藍寶石晶棒超硬磨料鉆具基體材料改善上，通過改變基體鋼材牌號，選用成型的管材替代棒材，內徑車削技術改為珩磨技術，珩磨后良好的尺寸公差和表面粗糙度為后續加工提供了優質的加工基準。產品機加工采用雙頂尖輔助工裝，在磨削、車削加工工序，尺寸精度及形位公差精度達到國外同類產品要求，且加工質量穩定，實現了工作層與定位基準的同軸度，通過驗證徑向跳動達到0.03mm以內。為保證成品符合套（掏）棒機使用要求，對產品的各部尺寸和精度依照國標設計了驗收標準，并采用了V型鐵、偏擺儀，專用磨床頭架等方法確認磨料層的徑向跳動，采用影像儀和電子顯微鏡等儀器對磨料層的形狀和金剛石的狀態進行監測，使制造過程的缺陷得到識別確保產品高品質要求。

參考文獻：

[1]孫毓超.金剛石工具與金屬學基礎[M].中國建材工業出版社，1999.10.

[2]方嘯虎.超硬材料基礎與標準[M].中國建材工業出版社，1998.4.