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            新聞動態

            未來超硬材料磨具應向“五超”方向發展

            發布時間:2017-02-14 16:32:59

            隨著綠色、環保、節能、節材對現代加工技術的要求不斷提高,探索具有超高速、超精密、超薄、超深和超細的工具是發展的必然趨勢,本文“五超”方向發展進行簡要的闡述,供參考。


              一、超高速


              未來超硬材料磨具應向高速、高效、高精密方向發展。鄭州磨料磨具磨削研究所在超高速陶瓷CBN砂輪制品的關鍵技術方面取得了突破性進展。自主研發產的高強陶瓷結合劑及其制備技術,產品滿足使用速度達到160m/s的超高速磨削加工更要求,實現了精密成型磨削用砂輪不同部位的均勻磨損;開展了新型高性能結合劑、超硬磨料的優選、砂輪制造工藝及檢測技術、磨削試驗等研究,研究了曲軸、凸輪軸高速、超高速磨削用陶瓷結合劑CBN砂輪和樹脂/金屬復合結合劑金剛石砂輪,并實現了工程化應用;在高強陶瓷結合劑、樹脂/金屬復合技術等方面突破了多項關鍵技術,取得了一批創新技術成果。產品已替代進口同類產品,其技術成果達到了國內領先水平。


              二、超精密拋光


              由于科技的進步,對加工工件的表面粗糙度要求越來越高。以計算機為例,目前,計算機磁頭的飛行高度已降低到10nm左右,并有進一步下降的趨勢。如果硬盤表面波度較大或有存在數微米的微凸起,磁頭就會與磁盤基體表面磁撞,發生“磁頭壓碎”,損環磁頭或存儲器硬盤表面上的磁介質。因而硬盤表面要求超光滑。當存儲密度達到15.5Gb/cm?時,要求基片的表面粗度(Ra)要小于0.2nm.


              由于金剛石的硬度是無可比擬的,而納米金剛石的平均粒度僅僅15nm左右,所以用它拋光硬脆材料是首屈一指的。由于用戶在分散納米金剛石、一時比較困難,故在拋光工藝中常常使用經特殊表面改性納米金剛石拋光液。納米金剛石拋光液與納米硅溶液相比拋光效率可提高4倍,表面粗糙度顯著降低。使用天津乾宇超硬科技有限公司研制的1μm的金剛石拋光液拋光碳酸化硅晶體,可使表面粗糙度Ra達到0.91nm.


              劉學璋等人用不同粒度的納米金剛石拋光微晶玻璃進行拋光結果見表1.


              表1  納米金剛石的拋光速率和表面粗糙度


              4種粒度的納米金剛石均把微晶玻璃的表面粗糙度降低到納米級,但拋光效果不同。從表中拋光速率和表面粗糙度的變化關系可以看到,工件的拋光效果強烈地依賴納米金剛石的粒度,隨著粒度從245.2nm降低到53.9nm,拋光速率從0.569μm/h下降到0.142μm/h,表面粗糙度從0.49nm下降到0.17nm.因此,細粒度的納米金剛石更容易獲得低粗糙度的表面。


              三、超薄


              1、超薄大型金剛石鋸片基體


              目前,在開采礦山荒料方面,政府明確要求重視礦體的保護,捉高礦山資源的綜合利用率,減少對環境的破環,而傳統方式采用炸藥爆破式開采,成材率低,開采成本高,對環境破壞大;金剛石繩鋸開采操作難度大,設備投入大,成本高;靜態裂石法開采效率低,成本高,以上傳統方式己經不符合現代化開采方式的要求;另一方面,國內外對大幅面石材板料的需求又在不斷上升,傳統的金剛石鋸片由于直徑的限制,不能滿足切割大板的要求,而采用框架鋸條、金剛石繩鋸、砂鋸等切割方式效率低下、投入大、成本高,亦不能很好滿足現實的切割需要。為此市場需要一種大規格的金剛石鋸片用于上述領域的切割,以提高工效,降低成本。


              超薄大型金剛石鋸片基體(直徑為2300~3600mm,而厚度僅為3~90mm)是一款節能重型產品,主要用于大規格板材的切割,深礦山石材荒料的開采等領域。其具有眾多優點,主要表現在,鋸片厚度在常規基礎上減薄,減少了金剛石刀頭的消耗,出材率提高,切割阻力變小,能耗降低等。常規厚度的超大鋸片其基體徑厚比大,已屬于薄壁件(機械加工行業徑原以比超過150),剛性差,熱處理難度大,易變形,很難達到理想的指標,加工起來己經有相當大的難度。本產品在常規大鋸片基體厚度基礎上,極大的減荷薄了產品厚度,徑原比更大,剛性下降更加明顯,滿足切割要求更加困難。


              為了克服傳統開采方式不符合現代化開采的要求,以及國內外市場對大輻面石材板料需求的不斷上升,黑旋風鋸業公司的研究者,對超薄大型金剛石鋸片基體以下各關鍵重要工序或關鍵技術的加工控制要求進行了詳細的研究。


             ?。?)鋸片基體用材料的合理選擇。


             ?。?)熱處理關鍵技術控制。


             ?。?)磨削加工關鍵技術控制。


             ?。?)應力處理關鍵技術控制。


             ?。?)校平關鍵技術控制。


              黑旋風鋸業公司通過多年的研究和自主創新,攻克了加工超薄大型用金剛石鋸片基體的許多難題,使超大鋸片誡減薄成為可能,滿足了行業的一大需求。


              2、超薄含硼聚晶鉆石輪刀


              近年來,半導體、光電與生物醫療器材等科技產品,紛紛朝向輕、薄、短、小方向發展,制造技術為符合此潮流,也相應往自動化、高效率化與微型化趨勢發展。其中,關系人類健康的生物芯片市場,包含DNA、蛋白質、實驗室芯片及新開發生物芯片等產品,更是劫蓬勃發展。生物芯片應用范圍非常廣泛,包含血液分析、健康診斷、環境及藥物分析等。


              由于受檢細胞極相當?。t、白血球直徑分別約8μm和10μm),所以細胞鏡檢芯片模仁的特征尺寸(Feature size)也相對微小,因之相應的制造設備,包括模具、刀具及磨具,也隨之微小化。微型化技術包含黃光微影蝕刻、X光深刻(LIGA)等,但其設備投資都相當昂貴,適于大量生產,對多樣變量的模具或非硅基組件的制造,都不合適。


              鑒此,陳順同,張智賢等,研究開發---“雙軸式CNC超精密工具機”,并以含硼聚晶鉆石為刀具素材,進行旋轉式在線放電成型,能有效控制輪刀刃厚達5μm,再針對NAK模具鋼,作數組細溝開溝加工。由實驗證實,本研究開發出線寬8μm數組微溝,并應用于生醫細胞鏡檢芯片模仁,進行PMMA大量射出成形。


              實驗亦發現,含硼聚晶鉆石輪刀具高壽命特性,這是由于使用高速快淺研制技術,使鉆石輪刀氶受納米等級切深,能使鉆石處于常溫加工,減少鉆石與鐵金屬的親和速度,進而延長輪刀壽命。


              本研究除了成功開發出細胞鏡檢芯片模仁外,并射出PMMA的成型鏡檢芯片,成功應用于尿沉渣的細胞的鏡檢。本項技術開發反的成果,經臨床實驗,并已商業化


              3、超薄精密金剛石切割工具


              高精度超薄超硬材料切割砂輪是指直徑50~200mm,度0.1~1.0mm,厚度公差±0.002~0.005mm,平行度或平面度小于0.002~0.005mm,內孔精度為H6,同心度<0.01mm的超薄型金剛石或CBN切割砂輪,簡稱超薄片(下同)。


              由于具有厚度薄、精度高、剛性好以及切割鋒利、工件切縫窄、材料損耗少、切割表面質量好等特點。該類砂輪在國際上被廣泛應用于計算機、微電子、光電子、通訊等電子信息領域所屬的有關行業,用于貴重半導體材料、磁性材料、超導材料、硬脆材料的精密細微切割與開槽,成為計算機磁盤及軟盤磁頭、大規模集成電路、光通訊元器件、移動通訊元器件制造中不可缺少的必備高檔工具。


              4. 超薄片的主要技術特征


              要滿足用戶在切割性能(切割效率、切割壽命)和切割質量(被加工對象的尺寸與形位精度、表面缺陷)兩個方面的極高要求,超薄片必須具備以下:


             ?。?)極高的組織及密度的均勻性;


             ?。?)極高的尺寸與形位精度;


             ?。?)足夠高的強度和剛度;


             ?。?)極高的鋒利度和耐用度;


             ?。?)主要特點是:精度高,可用于精密加工,減少加工工序,提高生產效率;厚度薄,可用于微細加工,也有利于節約貴重材料,減少消耗;剛性好,可保證切割工件的精度;耐磨性強,可降低生產成本等。


              四、超深


              在淺層油氣資源經過近百年的不斷開采,儲量越來越少,和全球經濟發展對油氣資源的依賴程度越來越嚴重的雙重壓力下,人們不斷探索更深地層儲藏石油天然氣的可能性。隨著科學技術的進步和人們對深地層地質構造認識的不斷深入,在越來越深的地層中發現并開采石油天然氣資源已經成為一個現實的科學問題。


              天然氣井的勘探與開發,單井投資巨大,鉆井深度深,工期長,技術難度高。而人造金剛石的耐磨性遠遠高于硬質合金,將其應用到石油鉆頭,會使整個鉆井技術帶來質的飛躍。應用先進的PDC鉆頭取代傳統的硬質合金牙輪鉆頭,可加快鉆進速度,減少鉆井工時和成本,盡可能實現綠色鉆井?,F在的問題是用國產的PDC鉆頭,井深3000~4000m尚可,而大于5000m的深海鉆井就得用進口的鉆頭。因此,我國在“十二五”期間應加大對PDC及其原材料的研發力度,制造出井深在5000米以上的深海PDC鉆頭,是我們為之努力奮斗的目標。


              我國礦產資源分布廣泛,但日前探明程度僅為1/3左右,地質找礦勘查工作平均深度僅在500~800m之間。2008年,國土資源部提出了開展主要成礦區帶地下500~2000m的深部資源潛力評價,重要固體礦產業礦體勘查深度要推進到1500m.


              我國深部找礦勘查技術尚處于起步階段,深孔鉆是解決地下礦產情況不可或缺的重要手段和最佳途徑,除了獲取地下巖層、礦石、構造等基礎地質信息外,物化探、遙感、成礦預測等都離不開鉆探工程的最直接驗證。


              日前,我國大部分金屬礦山位于地形條件較好的地區,探查和開采深度停留在500m以上范圍。而500m深度以下,不僅地質構造環境復雜,而且原有的探測儀器分辨率不高嚴重影響了對深部資源的勘查開發。但事實上,地下500~1500m深度見礦范例眾多,表明我國大陸深部蘊藏著潛力巨大的資源。如何準確、有效地開展深部定位預測,已成為迫在眉睫的重大研究任務。


              時至今日,我國采礦技術有了很大進步,深井己經可以開采到1000~1200m,固體鉆探用鉆機己在開發研制鉆井深度為1500~2599m的機型。若是我們全國都重視了深部探礦,其意義是非常重大的。


              1、深部勘探主要考慮的幾個主要問題:


             ?。?)鉆探設備的配置是深孔鉆進關鍵技術之一。


             ?。?)深部鉆井的特點。


             ?。?)深井鉆探的復雜性對金剛石鉆頭要求更高。


             ?。?)保證鉆頭壽命作為第一要素。


             ?。?)超細粉末的應用是長壽命鉆頭的關鍵技術之一。


             ?。?)針對不同地層條件,應設計不同鉆頭胎體性能。


              2、謝德龍等在“國家戰略為依托積極發展深孔鉆”一文中提出了如下結論:


             ?。?)金剛石鉆探是解決礦產資源最基礎、最本質的重要手段,發展深孔鉆是一項具有戰略意義的重大項目,對國民經濟的發展會起到巨大的推動作用。


             ?。?)深孔鉆頭任鉆進效率和使用壽命上,應該具有一系列重要的性能指標。如單個鉆頭的進尺,在鉆頭工作層高度,特別是在中、深孔鉆進中要取得明顯效果。


             ?。?)在深孔鉆的制造工藝上,要加上大研究力度,不斷開發、采用新的制造技術。特別是在胎體增高,超細預合金粉的使用。


             ?。?)在鉆探量大輻度增加的趨勢下,鉆探技術和鉆探裝備遇到了前所耒有的挑戰,要高度重視鉆井的實時化、信息化、數字化、可視化、集成化、白動化、智能化,使鉆探變得“更聰明”.


             ?。?)在當前階段,無論是鉆探用磨料還是鉆探設備,無論是鉆頭選用還是是鉆進工藝,都是不可缺少的重要環節。我們在工作中要重視每個環節,切不可忽視。


              五、超細


              在日前國際經濟不景氣的環境下,雖然國際石材開采和加工業的仍然呈現增長的勢頭,每年世界石材的需求也在不斷增加,但是由于所原材料漲價,用工成本增加等各方面因素的影響,石材加工業的利潤在不斷下降。因此,石材加工廠家對金剛石工具的加工效率和加工質量也提出更高的指標要求,以期達到降低石材加工成本和提高石板材的質量。


              現有加工弧形板的金剛石繩鋸直徑大都在8~11mm,鋸切加工時切縫大、石材成材率低、資源浪費嚴重,而且鋸切加工耗能很大、噪音大、廢渣排放量大、環境污染嚴重。因此,研發一種直徑小、鋸切效率不降低、性價比高的金剛石繩鋸,有其重要意義;一方面可以提高石材加工的成材率,提高石材加工廠家的加工利潤;另一方面能達到節能減排的目的,創造更大的經濟效益和社會效益。


              于是,呂永安,韓繼成對超細金剛石繩鋸的設計方案提出了以下思考:


             ?。?)選擇耐彎折的多股繩。


             ?。?)金剛石串珠為預先成型成圓筒狀自支撐金剛石串珠或帶有金屬基體支撐的金剛石串。


             ?。?)金剛石釬焊工作層分布的金剛石磨??梢允菃螌拥?,也可以是多層的,或者是混合無層狀結構。


             ?。?)金剛石釬焊工作層可以采取真空釬焊爐燒結成型。


             ?。?)橡型塑材料層通過將橡塑材料涂覆或注望塑等方法涂附在柔性多股繩上獲得。


              他們研發的超細金剛石繩鋸與市場上的粗繩鋸進行測試對比,得出如下結論:


             ?。?)Φ2mm超細施繩鋸切割鋸縫很小,可以用于名貴石材切割和薄板切割,可以大大提高石材的成材率。


             ?。?)Φ2mm的超細繩鋸可以大大降低切割能耗,可減少石材廢渣的排放,起到節能減排的作用,非常值得推廣應用。


             ?。?)Φ2mm的超細金剛石繩鋸的鋒利度要好于常規的粗繩鋸,可以提高石材加工效率,有利于繩鋸的進一步推廣。


              但是,目前Φ2mm的超細繩鋸也存在一些需要解決和攻克的問題,比如如何保證金剛石串珠在長時間切割狀態下穩定牢固的把持,金剛石繩鋸切割壽命的延長,多條組合繩鋸及配套繩鋸設備的研發,解決切割硬花崗石存在的切割速度慢和使用壽命短的問題。


              隨著相關技術問題的解決,將來金剛石繩鋸切割的方式一定會逐步取代傳統的砂鋸、圓盤鋸和框架鋸,引導石材切割設備的更前新換代。

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