河南华晶超硬材料(集团)股份有限公司  吕华伟
　　河南华晶工具有限公司  马涛  刘志杰  田蔚  田丽

　　一、有序排列与择优取向技术现状

　　当今，布有单层金刚石或cBN的磨削刀具都是用电镀、烧结或各种钎焊方法制造的。

　　以电镀方式布上单层磨粒的磨削刀具，其超硬磨料是以机械的方式夹紧固定的。平均粒度下的余高为40%~50%，其缺点在于颗粒排列一般都是随机的，这意味着颗粒之间用来排屑并输送冷却液的空间大小是不确定的。因而，在加工过程中这些空间很容易被金属屑堵塞，最糟糕的是导致“烧”工件而成为废品。

　　理想的结构的优点是由于颗粒余高大而颗粒间隙大，从而大大改善金属磨屑的排除和冷却液的输送，于是提高了磨削能力和刀具寿命。有序排列的颗粒分布还能保证加工安全性的提高。

　　1．如所周知，在传统的电镀、树脂、陶瓷、金属结合剂金刚石(cBN)制品的生产过程中，绝大部分都是将结合剂与金刚石(cBN)磨料一起混合，为了预防金刚石的偏析需加入浸润剂液体石蜡或蒸馏水等，但伴随挥发份的挥发而污染环境。而对生产过程中震动所引起的偏析则无能为力。

　　金刚石在结合剂胎体中的分布是随机的。往往很易产生偏析和堆积，在堆积区中金刚石得不到有效利用而导致浪费，特别是零距离多颗粒金刚石由于把持不够牢固，在磨削过程几乎不作为而自行脱落。

　　目前，河南华晶工具有限公司是国内唯一在超硬磨料工具中实施有序排列/择优取向的企业。2006年该技术已用于树脂、陶瓷、电镀、金属等结合剂的制品中，获2006年河南省重大科技成果奖。

　　2．国外的研发概况

　　2001年韩国“二和金刚石工业株式会社” 耗资200万美元，于2004年12月完成了ARIX金刚石排布系统（automatic array system）的研发，可在金刚石刀头生产中自动以最优间距均匀排列金刚石，克服了常规刀头生产中，金刚石随机无序排列而导致锯片切割效率低，寿命短的技术难关。

　　ARIX自动排列系统使长寿命工具与快速锯切能力得到最优化，解决了金刚石工具效率与寿命相互矛盾的问题。ARIX工艺可使金刚石的间距优化并100%得到控制，使锯切效率提高到最大程度。刀头中金刚石的均匀分布使锯片寿命提高一倍，锯切速度提高30%。工具寿命延长100%。

　　Shinhan公司的绳锯在韩国工程建筑业享有出色的声誉，例如，2005年汉城市修建立交桥，在拆迁过程中，其绳锯展示出真正的价值，对于用钢筋混凝土构建的大型建筑，用有序排列金刚石绳锯切割非常方便，且没有产生很大的噪音和灰尘。

　　Shinhan公司为石材工业制造锯切工具的同时，激话了精加工领域，该领域由于化学机械抛光（CMO）修整器和金刚石划线工具应用的增长，促进了精密加工工业的发展。公司期望在50亿美元的市场份额中，五年内从目前的2%提高到10%，这种增长中的绝大部分是由ARIX自动排列系统技术扩大后所制造的刀头而取得的。2005年，Shinhan公司在金刚石方面销售总额为1200亿韩元(1.2亿美元)，其中销售收入的60%来自于海外。

　　二、金刚石均匀分布/有序排列的性能

　　金刚石工具的性能取决于多种因素，其中金刚石的粒度和质量是最关键的。金刚石工具的寿命、功率消耗与锯切效率最终取决金刚石工具表面的金刚石的间距、金刚石的浓度、金刚石凸出高度，以及金刚石的粒度与PPC值。

　　1.金刚石的间距  当均匀分布/有序排列时，金刚石间距可根据切割对象与占锯切条件不同实现最优化。经锯切后发现，有序排列锯片85%的金刚石的间距为2~7mm，而普通锯片该间距的比例仅为60%[2]。金刚石含量的增加对切割载荷影响不大，可切割时间明显延长，锯片寿命与效率明显提高。

　　2.金刚石浓度  当金刚石浓度提高时，有序排列金刚石锯片的寿命成几何级数提高，同时保持良好的锯切能力，但随着浓度的进一步提高，锯切能力趋于下降。

　　当采用无序排列锯片锯切时，随着金刚石浓度的提高，锯切负荷越来越大，以至不能很好锯切。当金刚石浓度达1.2ct/cm3，初期锯切无法进行。而有序排列锯片则寿命提高100%锯切速度如普通锯片一样非常好。

　　3.金刚石的凸出高度  金刚石的凸出高度影响金刚石工具的性能，特别是锯切效率和锯片寿命。

　　金刚石的最大凸出高度取决于其本身的粒度。而把持是否牢固应与金刚石的品质有关。当金刚石凸出高度增大时，其所承受的切割力也将提高。若金刚石能承受高的切割力，则锯切效率将得到提高。

　　增大金刚石凸出高度除选择最优品质与粒度外，提高把持力是重要的技术措施。例如，采用金刚石镀覆工艺，选用合理的胎体配方和采用预合金粉末是提高把持力的重要途径。

　　4.金刚石的粒度与PPC值  金刚石粒度和PPC值对金刚石工具的性能，如切割效率、锯片寿命、功率消耗和金刚石工具的磨损过程与特性具有重要影响。

　　三、有序排列/均匀分布方法

　　1.手工布粒法

　　这种方法使用的颗粒一般要求在0.5mm以上，小了不适用，虽然可进行排布，非常耗时，无法用于规模化生产。近年来，人们试图用机械手来布粒，由于磨粒的捕获与空间点阵分布困难而遭失败。

　　2.钎焊法

　　用活性钎焊连接，除强度提高外，磨粒间隙比电镀的大，颗粒的余高达到平均粒度的80%~95%。钎焊过程中由于焊料的高温熔化流动带动磨粒位移，乃至出现”挤堆”现象，这种方法不能解决磨粒的择优取向问题。而且还不能确定颗粒及间隙的位置。