国外超硬材料工具的最新应用与进展_下_

第20卷第5期 超　硬　材　料　工　程Vol.20 2008年10月SUPER HARD MATERI AL ENGI NEER ING Oct.2008
国外超硬材料工具的最新应用与进展(下)¹
姜荣超1,雷　雨1,李超群1,周晓丹2,刘谷成2
(1.湖南新途金刚石工具有限公司,湖南长沙　410011; 2.湖南省金刚石勘查研究院,湖南长沙　410011)
摘　要:为促进我国超硬材料工具的发展,对国外超硬材料工具的最新应用与发展进行了调查与分析,其中包
括:金刚石与刀具的镀覆与应用,代钴预合金粉末的研制,金刚石均匀有序排列在刀头中的应用与进展,板条式
CO2激光器激光焊接金刚石工具的快速发展,金刚石绳锯的创新与应用,金刚石与cBN单层钎焊在切削与磨削
中的应用,环保型精密自动控制电镀工艺与装备的发展,以及金刚石工具在半导体工业中的应用。

关键词:国外超硬材料;工具最新应用;综述;金刚石
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2008)05-0042-07
The newest application and development of superhard abr asive tools in overseas JIANG Rong-chao1,LEI Yu1,LI Chao-qun1,ZHOU Xiao-dan2,LIU Gu-cheng2
(1.H unan N ew Tool Dia mond App lications Ltd.Co.,Changsha410011,China;
2.H una n Diamond Exp lor ation Resear ch I nstitute,Cha ngsha410011,China)
Abstract:In order to promote the development of Chinese super hard abr asive tools,it has
investigated and analyzed the newest application and development of surper hard abrasive
tools in over seas,which include coating of diamond and cutting tools and its application,
research and manufacture of pre-alloyed powder that will replace Co,using and develop-
ment of even arraying pattern of diamond grits in segment,rapid development of laser
welded diamond tools by slab CO2laser s,innovation and application of diamond wir e
saw,application of monolayer br azing diamond and cBN in cutting and grinding,develop-
ment of envir onmental electr oplated technology and equipment with precise automatic con-
trol,as well as application of diamond tools in semiconductor industry in this paper.
Keywords:superhard abr asives in overseas;the newest application of tools;review;dia-
mond
4　激光焊接金刚石工具快速发展,扩散冷却板条式激光器占主要地位
世界各国高速公路、机场新建与扩建,建筑工程的维修与改造工程量不断增加,迫切需要安全可靠有效的干切金刚石工具满足用户与工程需要。

而激光焊接金刚石工具具有焊接熔深大,焊缝深宽比大,不用焊接填料等特点,刀头与基体的结合强度高,焊接牢固;其激光光斑直径小,比能小,热影响区小,焊接区不易变形,当干切或冷却不够时,其高温强度高,锯片不易产生应力与变形。

而烧结锯片,高频焊接工具已不适应这一要求。

故激光焊接金刚石工具获得了迅速发展。

加之,激光焊接速度快,热作用区小,冷却速度快,激光束易于在空间传输,因此,激光焊接易于实现
¹收稿日期:2008-05-26
作者简介:姜荣超(1943-),男,教授级高级工程师,长期从事超硬材料及工具的研发和管理工作。

自动化与高效高精密生产。

以在世界金刚石工具行业排名第五的韩国新韩金刚石工具公司为例,2007年其生产销售收入1.5亿美元,其中激光焊接金刚石工具在新韩金刚石工具公司的比重已占重要地位,占销售总收入的55%左右。

近年来,我国激光焊接设备在金刚石工具行业的不断增多,激光焊接金刚石工具生产与出口量的快速增长也说明了这一问题。

在我国,金刚石工具激光焊接设备主要使用三种
类型的CO 2激光发生器:快速横流式,快速轴流式和扩散冷却板条式激光器。

其性能比较见表5[17]。

鉴于扩散
式冷却板条式激光器的优越性能,在我国激光焊接金刚石工具的激光器中已多达40～50台。

德国Dr .Fritsch (飞羽)公司生产的LSM240、LSM212、
BSM220激光焊机都采用Rofin-Sinar 的板条式激光器。

表5　不同类型CO 2激光器性能比较
Table 5　Com par ison of pr oper ties of differ ent CO 2laser s
激光器类型快速横流式快速轴流式扩散冷却板条式
输出功率等级(kW)
3～45 1.5～200.2～5脉冲能力DC DC 1kHz DC 5kHz 光束模式TEM 02以上T EM00-TE M01
T EM00-T EM01
光束传播系数(K )
≥0.18≥0.4≥0.8气体消耗小大极小电-光转换效率(%)
≤15≤15≤30焊接效果
较好
好
优良
扩散冷却CO 2板条式激光器的优越性由其工作原理与结构设计而构成(见图6)[18]。

(1)结构紧凑,尺寸小,占地小。

在两个大面积铜电极之间进行射频气体放电,电极之间的间隙小,通过水冷电极放电腔可达到很好的散热效果(扩散冷
却),获得相对较高的能量密度,没有气流热传导,无机械传动易损件。

(2)光束质量好。

不稳定谐振腔采用柱状反射镜产生高度聚焦的激光光束。

采用CVD 金刚石窗口与过滤整形。

在激光器外部采用水冷反射式光束元件将矩形光束转换成旋转对称的光束,光束传播系数≥0.8。

(3)气体消耗小。

由于气体消耗量极少,激光器内装有10升预混工作气体,能持续工作1年以上,大大降低运行成本。

(4)没有气体流动,因此光学谐振腔无污染。

(5)热稳定性高。

(6)维护工作量少。

为改善光束质量,元素6公司生产了CVD 金刚石输出窗口,输出镜、分光镜等,可改善与强化高功率CO 2激光器的性能,完善光束质量,提高可靠性,并防
止工作镜头的热损。

图6　板条式CO 2激光器的基本结构Fig.6　Basic st ructure of slab CO 2laser s
1-激光束　2-光束整形单元　3-输出镜　4-冷却水出口　5-射频激励　6-冷却水入口　7-后镜　8-射频激光放电　9-波导电极
最近德国Deudiam 公司采用CO 2板条式激光器焊接PCD 取芯钻头取得成功。

用582mmPCD 取芯钻头钻电器开关插座孔,深度75mm,仅需7s,而普通钻头需30s,此外,破碎岩屑颗粒粗,粉尘少,振动少,都有益于工人操作。

该公司目前正进一步研发激光焊接PcBN 片[19]。

5　巨大的金刚石绳锯市场,促使绳锯技术不断技术创新与发展
金刚石绳锯的应用已近30年,由于其技术的不断创新,其应用的范围也越来越广。

从大理石开采,到荒料整形与板材锯切;从锯切较软的大理石,到花岗岩硬石材,混凝土,钢筋混凝土及钢结构件。

工具本身也从移动式单根绳锯发展到固定式的多绳锯机。

金刚石绳锯使用的发源地意大利卡拉拉大理石矿区,200多个大理石矿装备的金刚石绳锯超过350台。

目前全世界用于荒料开采与锯切的大理石绳锯超过2000台,开采与锯切花岗岩的绳锯机近1000台,多绳锯机
用于锯切板材的超过110台。

此外在交通与建筑工程
中用于维修与拆除建筑工程的绳锯机也不少。

金刚石绳锯切割是当今金刚石工具工业中发展最快,应用最广泛的金刚石工具之一。

近10年来的发展具有下列特点:
(1)串珠与绳锯生产设备系列化与自动化
为满足金刚石绳锯市场不断扩大与增长的需要,德国Dr.Fritsch(飞羽)公司经过几年的开发,推出一整套串珠与绳锯生产专用设备(见图7)[20]。

(2)针对不同使用条件生产串珠专用金属粉末德国Dr.Fritsch(飞羽)公司粉末事业部为串珠生产能提供各种专用粉末,其性能见表6。

表6　串珠生产用专用金属粉末性能
T able 6　Pr opert ies of special m etallic powder used for beads pr oduction
胎体型号应用范围烧结温度(℃)硬度(HRB)密度(g/cm 3)
主要成分V3-1000花岗岩绳锯760℃～800℃110～1119.91Co.W V12-585大理石,标准型840℃～880℃97～988.67Co,Cu,Sn V19-1099大理石,耐磨型860℃～900℃98～1009.46Co,Cu ,W 2C V 7-103建筑工程用740℃～780℃1099.54Co ,W ,Cu V28-903
建筑工程用钢筋混凝土
700℃～780℃
105～106
9.02
Co,
Cu
图7　串珠、绳锯生产流程与专用设备
Fig.7　Pr oducing flow and special equipment used for beads and wire saw
(3)采用热等静压(HIP -Hot Isostatic Pressing)法提高串珠致密化程度及其性能
热等静压法是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质,通常在900℃～2000℃温度和100～200MPa 压力共同作用下,对制品进行压制烧结和致密化的处理技术[21、22]。

美国T echnowire Co 和意大利Sea 金刚石工业公司,在生产金刚石串珠时均采用HIP 技术,法国Eurotungstone 公司采用NEXT 100预合金粉末研制金刚石串珠时采用热等静压烧结时其工艺见表7。

表7　热等静压烧结参数
T able 7　Hot isost atic pressing sint ering par ameter s
温度时间(h )
气氛由室温至850℃4真空850℃保温1氩气9MPa 自然冷却
约4
氢气由9MPa 降至8M Pa
采用热等静压的优点是:
¹从微观结构上看,串珠具有很高的化学-物理
均匀性;
º串珠金刚石胎体层无孔隙或很少孔隙,密度提高;
»提高了胎体对金刚石的把持力;
¼较低的烧结温度与时间,有利于防止晶粒长大和金刚石表面石墨化,特别是采用Co、Fe、Ni金属胎体时有其优越性。

(4)采用金刚石注射成形技术,生产双凸肩几何形状串珠,改善串珠性能
意大利MIMIitalia公司和Diamond pauber公司在金属粉末注射成形技术基础上,采用77.2%超细钴粉,9%碳化钨,11.2%粘结剂和2.6%40/50目金刚石做胎体,使用经改进的商用注射成形机,在120℃温度下,50bar压力将原料注入4个腔的模具中,制成双凸肩形串珠,在300℃氮气流条件下,脱除粘结剂,在氢气炉中,940℃温度下处理120min,使其密度为8.5g/cm3(为理论密度的96%),锯切大理石的对比试验表明:双凸肩形串珠比普通串珠速度提高23%,成本下降15%,但绳锯寿命略有下降[23]。

(5)土耳其安卡拉Hacettepe大学采矿工程系的Y.Ozgelik研究小组从土耳其矿山资源出发,对金刚石绳锯锯切大理石进行了系统全面的研究,从岩石性质,岩石可锯性分类,串珠在工作过程中磨损特性的光学显微镜研究,利用单串珠试验机对串珠在不同工况条件下的相互关系,以及完善金刚石绳锯机性能及其控制方面做了大量工作,有力地推动了金刚石绳锯技术与使用在土耳其石材开采中的发展。

(6)适应建筑工程需要,研制小型绳锯机,针对建筑工程特点,绳锯应用不断创新
金刚石绳锯在建筑工程维修与改建中应用越来越广泛,在锯切石材上发展的金刚石绳锯机已不适应其要求。

部件重,尺寸大,不适应轻巧、灵活及人体工程学要求,故欧洲金刚石绳锯的工具、机器制造商,供应商与终端用户及高等院校联合攻关,完成了新型小而轻的建筑工程用金刚石绳锯机,1个工人即可安装与操作,最大部件重量不超过25公斤。

工作时噪音小,污染少,产生废物少[24]。

金刚石绳锯在建筑工程中某些使用实例见表8。

表8　金刚石绳锯在建筑工程中的应用
T able8　Application of diamond wire saw to constr uction engineering
绳锯应用工程工程任务使用设备与绳锯效果
英南安普敦附近旧电站拆除要求拆除1441t重型钢筋混凝土,内墙厚
770mm,高12m,外部靠海墙厚 1.2～
2.4m,高4.85m,长15m,靠海墙有20mm
钢板围堰,钢筋混凝土中钢筋532m m,间
距150mm,锯切每块重12～15t,然后吊装
运出
使用WS15绳锯直径510.5mm,40珠/m,
绳长15m,总面积650m2,6m2/天,打眼钻
头CCD3平均效率0.75m2/h,770mm厚
的墙,钻1个孔30m in,按合同时间完成任
务。

平均效率0.75m2/h,
770mm厚的墙,钻一个孔
30min,按合同时间完成任
务。

锯切打捞英吉利海峡沉船沉船长190m,宽32m,13个货仓重27000t,
装有3000台各式轿车,起重机、推土机。

要求将沉船切成8段,每段重3000t,30m
宽,壁厚25～55mm,35m高
绳锯长130m,采用镀钛铬粗颗粒金刚石,
浓度40%,绳锯运行速度1m/s,锯深10～
25m m/min
7.22～7.31日完成第一段
锯切,净锯切时间为40h,整
个工程10月中旬完成
澳大利亚、汤斯维尔城Ros s河大坝降低大坝储水面3.55m 的坝顶切除降低大坝溢洪道高度,构筑控制下流水闸
门,降低储水高度。

2台绳锯水平锯切,面
积为(8×40)m2,3个40m长,深900mm断
面圆锯锯切,每隔1m钻5100mm炮孔实
施液压劈列岩块,每块30t重吊装运出
30m长,40kW绳锯2台,90k W装在铁轨
上的52300锯片锯机一台
绳锯锯切32m2,40MPa河
砾石骨料,混凝土需时9～
15h,断面锯切深900mm为
5m/h。

北海油气钻井平台的拆除在此海面有上百台近海油气钻井平台需
拆除,总重估计达370万t钢材,每个平台
估计平均回收成本为1亿欧元。

泰利莱奥地利公司成功地用金刚石绳锯
试切平台,金刚石绳锯长100m,用液压马
达传动,工作速度为25m/s
试切成功
莫斯科国际饭店的拆除,周围都接建筑物,工期紧迫ZAO01vex完成地面建筑拆除,14500t,
相当于5800m3,墙厚25cm,圆柱直径40～
50cm,地下建筑拆除1640m3,切成20t一
块,钢筋混凝土墙厚2m,深16m,采用金刚
石绳锯水平与垂直切割
地面拆除采用20台墙锯。

地下拆除,钢筋
混凝土切割6000m2,绳锯水平切割
820m2,钻5300mm圆柱孔安装锯绳,CA2
-3200圆盘锯切割平面。

60个工人,2个月完成地面
建筑拆除,地下拆除,创新
地采用绳锯完成水平切割,
取得最高效率。

6　金刚石与cBN 单层钎焊在切削与磨削中的应用不断发展
继金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂和电镀结合剂发展与应用之后,金刚石与cBN 单层钎焊是稍后发展起来的新工艺。

由于其加工工艺过程较为简单,无需使用惰性气体,故其投资成本低,而其应用范围越来越广泛。

与单层电镀工艺相比,采用这种工艺金刚石与cBN 颗粒凸出高(72%对45%),因此切深大,溶屑好,排屑与冷却良好,锯切磨削效率高。

它可实施金刚石与cBN 规则有序排列,因此可更好地控制加工件的表面粗糙度,平面度与表面质量。

若将金刚石与cBN 相适应的镀覆工艺相结合,可进一步提高其把持力,改善对磨料的保护作用,有利于提高其寿命与效益。

日本Noritake 超硬磨料公司,将金刚石单层钎焊进行了多种设计与不同应用,创立了“Grit Ace ”品牌,申请了16项专利。

其单层钎焊工具直径为55～5400mm ,金刚石粒度从SD 30～SD 120。

其不同设计的钎焊工具见图8。

Grit Ace 应用于高SiAl 铸模铣削与普通铣刀相比,其铣削效率相当,但工件加工后粗糙度大为改善,单层钎焊工具加工的表面粗糙度R a 为2.5L m,普通铣削R a 为5L m,相差50%。

Grit Ace 应用于塑料磨削,与电镀工具相比,磨削效率提高到3.5倍,表面光洁度提高30%。

图8　日本Nor it ake 公司Gr it Ace 单层钎焊工具F ig.8　Gr it Ace single-layer brazing tools ma de by Norit ake Company in Japan
Grit Ace 应用于复合材料刹车件磨削,与电镀工具相比,工具寿命提高到4倍,表面粗糙度也有所改善。

Grit Ace 应用于杯形磨轮磨削耐火砖,与电镀工具相比,磨削效率提高1倍,还可减轻工具的磨削载荷[25]。

7　发展环保型精密自动控制电镀工艺与装备
电镀工具是金刚石工具的重要分支之一,有其特定的使用范围,它涉及医用牙科工具的小型钻头与磨头,柔性片,抛光带;半导体工业用内圆切割片,芯片
高速超薄切割片,线锯;汽车工业用的成形磨轮,抛光轮与齿轮磨轮;玻璃与塑料工业用的端面成形磨轮,锥形滚筒等;石材工业用串珠,锯片,磨轮;珠宝加工用研磨片以及各种磨针,什锦锉刀,钻头,搪磨工具等。

为了满足对电镀工艺的环保要求和产品的精密性,德国T RENKER (创科)公司在多年工作基础上推出一系列环保型精密自动控制电镀工艺与设备[26]。

其中包括工件与不同材料基体的预处理;金刚石与立方氮化硼的镀覆;电镀过程参数控制与优化;电镀过程优化专用工具;工件的绝缘与屏蔽;金刚石的回收与退镀,废水的防护与处理等。

为了环保废水可循环使用,镀液可使用1～2年。

作为控制实例,图9显示的是DBA -1-XX 8型加工金刚石与cBN 电镀磨轮的装置,其最大工件外径为700mm。

图9　DBA1-XX8金刚石磨轮电镀装置F ig .9　Electr oplating equipment for
DBA 1-XX 8diamond gr inding wheel
作为精密电镀产品实例,图10显示的是半导体产业中划割芯片用的切割片,根据所划芯片规格不同,切割片厚度为0.03～0.05mm 和0.03～0.1mm ,金刚石刃露出宽度0.3～0.5mm,使用2～4L m 或4～6L m 高浓度金刚石电镀而成,工作转速为30000～35000rpm/s,给进速度为90～100mm/s 。

图10　电铸轮毂式切割片
F ig.10　Elect rofor ming hub type cutting sheet
8　半导体硅材料加工用金刚石工具不断创新
电子信息产业在全球按摩尔定律高速发展,在我国国民经济中电子信息产业已成为第一大支柱产业。

而电子信息产业的基础是集成电路(IC)产业。

目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是用硅材料做成的。

硅属于非常坚硬的硬脆材料,又是良好的半导体材料,故在晶圆(芯片)加工中,在不同环节必须多次使用金刚石工具进行高精密加工(见图11)。

世界各国金刚石工具厂生产的高精密加工晶圆(芯片)的金刚石工具见表9,其特点如下
:
图11　集成电路制造过程简图
F ig.11　Simple char t showing the pr oducing
pr ocess of integrat ed cir cuit
(1)逐步用电镀或树脂线锯取代内圆切割锯片与加入金刚石磨料的多线锯。

内圆切割锯片只能单片锯切,加工时间长,加工尺寸受到锯片直径的限制。

而加金刚石磨料的多线锯,易在晶圆表面产生裂纹,损伤与划痕,或必须使磨料不断悬浮,增加成本。

为此Saint-Gobain公司研制出Winter牌电镀金刚石多绳线锯,目前能提供的产品性能见表10,且该公司正在研制0.15mm以下线锯[27]。

表9　各国生产的晶圆(芯片)精密加工金刚石工具品种
Table9　Kinds of diamond tools used for pr ecisely pr ocessing wafer(chip)made by differ ent count ries
晶锭截切晶锭磨
外圆
晶圆切片
晶圆
倒角
内圆锯片电
镀
线
锯
树
脂
线
锯
电
镀
带
锯
杯
形
砂
轮
内
圆
锯
片
电
镀
线
锯
树
脂
线
锯
金属
结合
剂砂
轮
平
面
磨
削
化学机械抛光
电
镀
钎
焊
陶
瓷
新
型
背
面
减
薄
芯片划片
电
铸
无
轮
毂
电
铸
有
轮
毂
金
属
结
合
剂
树
脂
结
合
剂
陶
瓷
结
合
剂
Ashai公司√√√√√√√√√√√√√√
Noritake公司√√√√√√√√√√√√√√DISCO公司√√√√√√√SHINHAN公司√√√√√√√√√
EHWA公司√√√√√
SAINT-GOBAIN NORTON公司√√√√Winter√√√ADT=DICING√√Diam on d Wire T echnology√√
Abras ive Tech nology√√
Kalicke Soffa√
Noritake公司研制的树脂结合剂金刚石多线锯,其线芯直径180L m,采用400#金刚石,树脂结合剂,最终线径为270L m,虽然锯切效率与寿命不及电镀线锯,但其弯曲强度高,加工后工件表面光洁度良好,粗糙度低,加工精度高[28]。

Diamond wire T echnology公司则生产直径155～500L m的6种不同规格线锯,其线芯是高拉伸强度钢丝,在其外电镀铜层,然后孕镶金刚石,金刚石尺寸为20、40、60、80、100、120L m,最外层电镀镍。

表10　winter牌多绳电镀金刚石线锯
Table10　P olyline elect roplating
diamond wire saw of winter brand
线径(mm)电镀金刚石粒度有效锯切宽度(mm)
0.18D2080.24
0.18D250.27
0.18X500.28
0.25D2080.31
0.25D250.34
0.25X500.35
(2)化学机械抛光(CMP)修整器品种多样,精度更高。

为生产更精密,效率更高的CMP修整器,各公司研发了多种产品,性能不断改进。

*镍电镀型修整器:如Ashai公司的CMP-NEO-U修整器。

新韩公司的低密度型DET-M修整器,采用ARIX和ARIX-A专利技术,均匀有序定向排列金刚石。

*高温钎焊型修整器:如台湾KINIK公司的Di-amond Gr id和Diamond shield Pad Dresser修整器。

美国Abrasive Technology公司采用P.B.S技术的修整器,韩国EHWA公司采用BSL技术的单层,双层钎焊修整器。

Norton公司采用SARD工艺生产的AP360-M钎焊修整器。

*陶瓷结合剂修整器:美国Abr asive T echnolo-gy公司采用陶瓷胎体将金刚石把持在超平坦陶瓷基体上。

*PCD(聚晶金刚石)修整器:台湾KINIK公司采用HT/HP烧结成修整器胎体,再经电火芯加工成特定尺寸与形状的角锥体。

其寿命提高一倍,角锥体磨损后可重复加工多次使用,成本低。

(3)超薄切割片品种多样。

芯片划片刀具以电铸为主,更加精密。

目前,半导体磁性材料等切割用超薄切割片品种多样,已发展有金属结合剂,树脂结合剂和陶瓷结合剂三种。

芯片划片采用超薄锯片,则以电铸工艺为主。

分为带轮毂型电铸切割片和不带轮毂的环形切割片。

但其尺寸更为精密,超薄。

刃口可制成多种形状,使用金刚石粒度更细。

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金刚石涂层工具产品未来将占有更多的市场份额
金刚石是自然界最硬的材料,摩擦系数很小,导热性很好,是用于制作切削工具的最佳材料,但金刚石很脆,因此普通的金刚石工具只能用于精加工,而不能用于粗加工。

金刚石单晶工具和金刚石聚晶工具虽然凭借其使用寿命和加工质量的优势在国内外市场销售多年,因其价格昂贵,抗冲击性差,应用范围小,导致所占市场份额较小。

上世纪80年代中期全球范围内掀起了“金刚石涂层热”,90年代发达国家陆续推出了金刚石涂层工具产品。

金刚石涂层工具是利用化学气相沉积方法,以氢气、碳源气体等做原料,在低于1000摄氏度和小于一个大气压的条件下,在工具基体表面直接涂覆和基体结合良好的金刚石涂层,此产品既有表面金刚石最好的硬度和耐磨性,又有工具基体良好的抗冲击性,性能价格比高,应用范围广,是工具行业的一次伟大革命。

该产品完全不同于金刚石单晶、聚晶复合片工具,后者只能做成简单的前刀面为平面的精切工具,而金刚石涂层可在复杂形状工具表面涂覆,如转位刀具、钻头、成形刀具等,极大拓宽了应用范围。

金刚石涂层工具可用于加工各类有色金属及合金、陶瓷、工程塑料、木材及复合材料、石材、玻璃等。

金刚石涂层工具以其使用寿命长、应用范围广、性能价格比高等优势,成为硬质合金工具和金刚石聚晶工具的有力竞争者,在未来的工具市场上将占有越来越大的市场份额。

(中国经济网)。