蓝宝石晶棒超硬磨料钻具研究

高娟

摘 要：蓝宝石材料优异的物理化学性能，符合国家“绿色低碳”政策的发展趋势，蓝宝石行业兴起之初，各项技术都被国外垄断，随着国内技术的发展，现生产设备、工艺技术和耗材也逐步为国产产品替代。针对超硬磨料进行的套取蓝宝石晶棒钻具的研究，取得了较好的成果，制品各项性能均达到国外同类水平。

关键词：蓝宝石；套（掏）棒机；钻具；金刚石

中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0067-02

技术背景：蓝宝石，是刚玉宝石中除红宝石之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝，蓝宝石晶体莫氏硬度为9，仅次于金刚石，具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗腐蚀的特点。蓝宝石晶体以其独特的晶格结构，良好的物理化学性质成为LED半导体照明、大规模集成电路及超导纳米薄膜等最理想衬底新材料，半导体LED照明作为一种新型高效固体光源，具有节能、环保和寿命长等显著优点，对节能减排具有显著意义，符合“绿色低碳”的发展趋势，“十一五”开始，国家就把半导体照明作为一项重大工程进行推动，受国家政策影响蓝宝石产业迅速发展起来，我国蓝宝石行业兴起之初，生产设备与工艺、重要的主材和耗材都被国外垄断，掏棒加工使用的钻具也大多来自于德国和日本，随着技术的成熟，制备蓝宝石晶棒的工具成本大大阻碍了该行业的发展，这样使得蓝宝石晶棒钻具的研究和生产成为最具活力的技术。

1 基本技术说明

蓝宝石晶棒超硬磨料钻具用于从蓝宝石晶锭中套取蓝宝石晶棒，2英寸、4英寸、6英寸规格为标准钻具，钻具在制作过程中依据的国标是机械行业标准JB/T 6354-2006，国标对钻具和设备的连接方式做出了明确的要求：蓝宝石晶棒超硬磨料钻具包括：底座即连接部位，安装在蓝宝石套（掏）棒机主轴上；金刚石磨料层，呈环状且一体烧结成型；连接筒，连接钻具金刚石磨料層与底座的部位，底座与连接筒通过焊接连接在一起，另一头金刚石磨料层与连接筒通过高频感应焊连接在一起，由于设备不同现市场有三种结构的底座。蓝宝石晶棒超硬磨料钻具其金刚石磨料层特征，自金刚石磨料层顶端向连接筒方向在金刚石磨料层上均匀开有多个排屑槽（要求部分略有不同），此特征确保产品在使用中良好的冷却和排屑。由于蓝宝石晶锭的生长成本较高，提高蓝宝石晶锭的利用率，磨料层工作层设计总宽度从3mm到1.5mm之间，可提高利用率约4%。为保证使用中钻具的安全负荷，需核算出钻具在工作中各部位所受张力、正压力、扭矩情况，并根据基础数据选择优质钢材作为连接筒和底座材料。

2 产品技术参数

蓝宝石晶棒超硬磨料钻具必须具有效率高、寿命长、套棒质量好等特点，在加工质量符合要求的前提下，进给速度33mm/min，钻削2寸蓝宝石晶棒，每支平均寿命不得低于15m；在进给速度8mm/min，钻削4寸蓝宝石晶棒，每支平均寿命不得低于22m，是国外产品平均寿命指标，所以钻具磨料层金属结合剂的配方的强度是保证其优异性能的根本，经研究以铁、钴、镍为主要合金成分的铁族金属在性能上表现出优异的性能，2寸钻进速度最高可调整到50mm/min，4寸钻进速度最高可调整到16mm/min，大大提高了制品的产出率。由于受制于基础材料的加工效率，晶棒毛坯的钻取问题一直影响下游成品的产出，提高晶棒的产出等于解决了毛坯材料的供需矛盾，通过高效率、高自锐性磨料层的研发，可大大提高钻具使用性能，同时对于不同规格的钻具经试验推荐加工参数如（表1）。

3 产品技术创新

3.1 “蓝宝石晶棒超硬磨料钻具”磨料层烧结技术

为保证磨料层组织致密性可采用液态介质传压烧结工艺方法，实现结合剂粉体快速致密、均匀成型，从而获得高性能的金属复合材料材质，最大限度地提高工具性能。介质压工艺方法的技术有效地解决了原来传统工艺方法的不足，该工艺的技术创新点在于材料成型与致密化分离，变单向压制为全方位压制，这样磨具所受压力比传统工艺更加均匀，胎体组织密度更一致，该工艺制作的工具在应用中更能抗冲击，寿命和磨削效率更为优异。传统的工艺方法由于受到模具材料的限制，都无法达到高压、致密的要求，所以金属结合剂设计密度无法保证。烧结上在采用比较先进的金属预合金粉末技术，由于预合金粉末内元素分布均匀，性能趋于一致，避免了成分偏析，从而提高了胎体的机械性能，大大改善了制品的抗压、抗弯强度，提高了对磨料的把持力，延长了工具寿命；由于预合金粉末多元素的共熔点比合金中单元素熔点要低得多，其烧结工艺性更优异，可降低烧结温度，缩短烧结时间，一方面有利于避免高温给金刚石带来的损伤，一方面降低能源消耗，降低了生产成本，两项核心技术完美组合，可凸显工具的高效、高寿命。

3.2 “蓝宝石晶棒超硬磨料钻具”超硬磨料技术

超硬磨料工具性能好坏主要取决于磨料金刚石品质，以及金属结合剂的烧结体对其的保持力，金刚石表面镀覆处理技术的应用解决了这一难题，金刚石镀覆处理可降低金刚石的脱落，使出刃增高，从而提高工具的锋利性并延长寿命，金刚石镀覆处理后配方也可适当降低10%-20%浓度，大幅降低工具成本。在研究中发现，由于蓝宝石的晶体特点，钻削时在晶锭表面均会出现沿着晶向延展的微裂纹，由于蓝宝石晶锭价格比较昂贵，需要兼顾钻削表面微裂纹不得延伸到棒体内部3mm，所以必须采用锋利度高、耐磨性好的工具配方来实现，延展微裂纹的质量要求就限制了所用配方超硬磨料的粒度和品质不能为了无限提高效率进行的方案设计，所以在磨料的选择方向上就需要高品质的金刚石材料，通过试验金刚石的品质至少要在MBD8以上，那些低端的材料无法达到蓝宝石钻具的强力钻削要求。

3.3 “蓝宝石晶棒超硬磨料钻具”焊接技术

钻具产品的主要结构是由基体底座、连接筒和金刚石磨料层构成，基体底座与连接筒通过二氧化碳保护气体焊接加固，磨料层和连接筒通过银焊焊接加固，三个基础部件连接形成一个长筒式的有机体，基体底座和连接筒起支撑作用，磨料层实现对蓝宝石晶棒的钻削制取。在产品制作初期焊接基体底座和连接筒零件时，是采用手工对接焊接，以基体底座的端面作为定位面与连接筒一端过盈装配，然后将装配好的底座和连接筒进行焊接，手工装配方法的缺陷是在人工装配过程中需要手动转动连接筒，这样不仅很难保证装配后的底座与基体的垂直度，而且焊接工人需频繁转动连接筒来完成连接筒和底座圆周上的焊接，焊接工人的劳动强度大、效率低下，且由于用手转动连接筒，很难保证匀速转动，因此焊接精度和焊接质量很难保证，使得焊接时焊缝处的变形增大，增大了底座与连接筒的垂直度误差，需耗费大量工时矫正甚至导致工件因无法矫正而报废。在解决这一焊接难题的过程中，开发出基体底座与连接筒焊接用转动装置、移位装置、装卡装置等焊接用辅助工装（辅助工装技术均获得专利技术授权，专利号：ZL 2015 2 1076643.0；ZL 2015 2 1076080.5；ZL 2015 2 1076993.7），保证了筒壁与基体底座组合的精度和品质，成品率也得到大大提升。为提高产品性价比在产品研发运行之初，钻具材料使用的是45#钢管热处理再加工，该管材在使用中车床加工量较大，人工工时较高，且严重影响加工交付效率，一个380mm长的钢管粗、精车到半成品消耗的工时加在一起要360分钟，除加工难度大外，热处理质量也存在不稳定性，影响了成品率。通过不同材料的试验选型，最终选定的20#钢冷拔管在机械强度和性能方面不但能抵抗钻削扭力的作用，加工留量还可按成品尺寸预留最小的量，大大节约了加工的时间，同样成品尺寸车加工工时降低2/3，材料成本和加工成本大大降低，企业利润大大提升。

4 技术总结

该产品的研究是借助于磨料层介质压烧结技术，该技术国际领先，产品的性能指标更为优异，内在质量稳定。该产品工作层与基体采用焊接工艺进行组合，其结合强度远远超过烧结工艺组合强度，也远远超过烧结母体组织强度，保证了强力钻削时的安全性。在标准规格（2英寸）蓝宝石晶棒超硬磨料钻具基体材料改善上，通过改变基体钢材牌号，选用成型的管材替代棒材，内径车削技术改为珩磨技术，珩磨后良好的尺寸公差和表面粗糙度为后续加工提供了优质的加工基准。产品机加工采用双顶尖辅助工装，在磨削、车削加工工序，尺寸精度及形位公差精度达到国外同类产品要求，且加工质量稳定，实现了工作层与定位基准的同轴度，通过验证径向跳动达到0.03mm以内。为保证成品符合套（掏）棒机使用要求，对产品的各部尺寸和精度依照国标设计了验收标准，并采用了V型铁、偏摆仪，专用磨床头架等方法确认磨料层的径向跳动，采用影像仪和电子显微镜等仪器对磨料层的形状和金刚石的状态进行监测，使制造过程的缺陷得到识别确保产品高品质要求。

参考文献：

[1]孙毓超.金刚石工具与金属学基础[M].中国建材工业出版社，1999.10.

[2]方啸虎.超硬材料基础与标准[M].中国建材工业出版社，1998.4.