多切削刃金剛石顆粒燒結試驗研究

陳 強， 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. 中國礦業大學(北京)， 北京 100083)

隨著工業技術的快速發展，大量新型難加工材料的出現，對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用和發展帶來了機遇與挑戰。為了提高金剛石工具性能，滿足現代化加工需求，除了對金剛石工具的配方、制造工藝及加工工藝進行深入研究外，金剛石顆粒自身質量和表面處理技術也越來越受到重視[3-7]。近年來，國內外已經普遍采用金剛石鍍鈦的表面處理技術來提高金剛石磨粒與結合劑之間的把持力，以防止金剛石過早脫落，從而延長工具的使用壽命和提高其鋒利度，該技術是目前金剛石表面處理方面應用最廣泛、最成熟的技術[8]。

此外，市場上還出現了一種對金剛石表面多刃化處理的工藝，即采用低溫燒結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]。使用該技術生產的多切削刃金剛石顆粒，可應用于研磨膏、拋光粉以及對把持力要求較高的電鍍工具、繩鋸和金剛石鋸片等產品上，具有廣闊的市場前景。但此技術并不成熟，還處于理論研究和試驗探索階段。因此，對金剛石顆粒的多刃化處理工藝及性能進行研究，并開展碳化硅晶片磨削試驗驗證顆粒多刃化處理的有效性。

1 試驗準備與試驗方法

1.1 試驗原料與設備

1.1.1 試驗原料

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

1.1.2 試驗設備

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

1.2 燒結試驗方案設計

試驗要在保證不損傷金剛石顆粒強度前提下，實現金剛石顆粒的多刃化處理。根據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燒結溫度分別設置為680、700、750 ℃，升溫到目標溫度后，保溫時間設定為360或480 min，試驗方案如表1所示。把金剛石顆粒放入鎂杯中在高溫氫氣燒結爐內進行燒結。當升溫至保溫溫度時，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。燒結完成后自然冷卻至室溫。對燒結后的金剛石顆粒進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工藝。

表1 試驗方案

2 試驗結果與討論

2.1 金剛石顆粒多刃化表面形貌觀察分析

使用表1中的試驗方案和工藝條件對M35/55、M2/4金剛石顆粒表面進行多刃化燒結試驗。由于1#、2#和3#樣品燒結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，重點對4#、5#和6#試驗所得的樣品進行掃描電鏡觀察分析。

圖2和圖3分別是在4#和5#燒結條件下的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試驗樣品的上層部分的大多數金剛石顆粒表面出現了相對均勻的表層凹坑，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，因此同樣的試驗條件下，M35/55的多刃化效果要優于M2/4的；從圖2c、圖2d和圖3c、圖3d可以看出：M35/55和M2/4試驗樣品的下層部分只有少數金剛石顆粒表面出現了表層淺凹坑，即出現了金剛石顆粒表面多刃化現象，但是從多刃化的均勻性和多刃化率來說，都遠遠達不到預期的效果。出現這一現象的原因是下層的金剛石顆粒在多刃化燒結過程中無法與通入的氧氣實現充分接觸，無法滿足多刃化過程中碳化所需的氧氣量。上述觀察與分析結果表明：金剛石顆粒表面多刃化效果不僅與燒結溫度和保溫時間有關，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。

在此基礎上，對多刃化燒結試驗進行改進，定制面積更大的燒結容器，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量損失情況分析

對表1中6組M35/55、M2/4金剛石顆粒表面多刃化燒結試驗過程中的質量損失情況進行統計，結果如表2所示。從表2可以看出：在多刃化燒結過程中，金剛石顆粒出現了不同程度的質量損失，多刃化效果越好，質量損失越多；在750 ℃保溫480 min的燒結工藝條件下，M35/55和M2/4分別損失28.7%和32.3%的質量。

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比分析

采用該方法對金剛石顆粒進行多刃化處理，與常規金剛石顆粒相比，一方面顯著增大了金剛石顆粒晶面的比表面積，增強金剛石顆粒與胎體或電鍍工具的鍍層的結合強度，可有效延長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%，取質量相同、處理前粒度相同的多切削刃金剛石顆粒和常規金剛石顆粒，在MODEL 920研磨拋光機上進行碳化硅晶片研磨試驗，研磨盤轉速80 r/min，研磨壓力6.35 kPa，研磨時間20 min，試驗結果如表3所示。由表3可以看出：與常規金剛石相比，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

3 結論

(1)金剛石顆粒在有氧低溫燒結工藝條件下出現了多刃化現象，金剛石顆粒表面多刃化效果不僅與燒結溫度和燒結時間有關，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。金剛石粒度越粗，顆粒間隙越大，越易與氧氣充分接觸，越容易實現理想的多刃化處理。

(2)金剛石顆粒多刃化處理的最佳工藝為：燒結溫度750 ℃，燒結時間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表明：多刃化金剛石顆粒與常規金剛石顆粒相比，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。