CN117340798A - 一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：金刚石：20‑50质量份；纳米氧化铜：5‑20质量份；碳化硅：10‑30质量份；氧化锆：5‑15质量份；冰晶石：1‑6质量份；液态树脂结合剂：10‑35质量份；玻璃空心球：1‑5质量份；偶联剂：0‑3质量份。该砂轮可用于精磨加工多晶金刚石片用，具有加工效率高和加工后的金刚石片表面面型好，可直接流转进入后道抛光工序，减少抛光加工量，提高加工效率和质量。

Description

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于多晶金刚石片超精密加工技术领域，主要涉及一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮及其制备方法。

背景技术

金刚石具有极高的硬度、良好的化学稳定性、高热传导率、高弹性模量、大电阻、宽带隙、较宽的透光波段（从红外到紫外） 及低摩擦系数等优越的物理化学、光学和热学性质，金刚石广泛应用于机械加工、宝玉石加工、电子电器制造以及钻探开采等工业领域，但由于金刚石的各向异性、超强硬度、韧性较差等特点，导致金刚石的硬度、强度、透光性、热传导率等优越性难以发挥出来，甚至完全丧失材料本身原本可以达到的功效。为实现金刚石原子尺度加工，实现金刚石片平坦化，采用现在常有的磨具在加工时，容易出现表面质量达不到使用要求且加工时间极长，不满足工业化生产需要，本发明为了解决以上问题和风险，采用特殊配方，引入纳米颗粒，实现金刚石片的平坦化要求。

目前，多晶金刚石片加工多采用传统的机械加工方式，使用不同粒度的砂子研磨抛光的方式进行，只采取一种方式来达到想要的表面粗糙度和面型精度TTV，这种机械加工方式导致加工周期至少20天以上，存在加工周期太长，且成品存在微裂纹、裂片等缺陷，产品的质量一致性较差。

申请人以粗磨+精磨来替换现有的机械抛光，粗磨主要为了去量和磨平整，精磨则是为了降低损伤层和去量，从而整体提高生产效果和产品的成品率。其中，粗磨工艺申请人已经单独进行了专利申请，采用粗磨工艺可以最终获得表面和亚表面损伤小的多晶金刚石片表面，粗糙度为≤30nm，面型精度TTV≤10微米，同时还使加工周期由现有的20天左右缩短至10天以内。

本申请是以粗糙度为≤30nm、面型精度TTV≤10微米的多晶金刚石片表面（可以采用传统的机械研磨抛光获得，也可以采用申请人的粗磨工艺获得）为加工对象进行精磨加工。采取砂轮精磨的方式对多晶金刚石片进行去量和降低粗磨带来的损伤层，保证金刚石片在后续研磨的时候，片子内应力比较少，不容易破损，以期提高多晶金刚石片的加工效率和质量。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其可用于精磨加工多晶金刚石片用，具有加工效率高和加工后的金刚石片表面面型好，可直接流转进入后道抛光工序，减少抛光加工量，提高加工效率和质量。

本发明还提供了上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：

金刚石：20-50质量份；

纳米氧化铜：5-20质量份；

碳化硅：10-30质量份；

氧化锆：5-15质量份；

冰晶石：1-6质量份；

液态树脂结合剂：10-35质量份；

玻璃空心球：1-5质量份；

偶联剂：0-3质量份。

具体的，所述金刚石可以为w1- w3的金刚石。所述纳米氧化铜粒径范围在50-100nm。所述氧化锆为w0.5-w2的氧化锆。

进一步的，所述碳化硅可以由5-15质量份的碳化硅w1.5和5-15质量份的碳化硅w0.5混合组成。即，本申请优选的配方为：金刚石20-50质量份、纳米氧化铜5-20质量份、碳化硅w1.5 5-15质量份、碳化硅w0.5 5-15质量份、氧化锆5-15质量份、冰晶石1-6质量份、液态树脂结合剂10-35质量份、玻璃空心球1-5质量份、偶联剂0-3质量份。

进一步的，所述液态树脂结合剂是将酚醛树脂和丙酮按质量比1：1-3混合溶解后获得。因砂轮配方中其它组分比较细，容易团聚且不容易混合均匀，且金刚石磨料不容易裸露磨削用的尖角，采取这种方法是为了降低各个组分的表面能，让它们在液体里进行充分混合，降低团聚和完全包裹金刚石磨料，提高磨料出刃强度和提高砂轮磨削能力。

本发明提供了一种上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，其包括如下步骤：

（1）把玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石烘干（可以在70-100℃的烘箱内烘1-3h用以去除水分）后，混合过筛，备用；

（2）把纳米氧化铜与液态树脂结合剂、偶联剂混合超声，备用；

（3）把步骤（2）所得物料和步骤（1）所得物料混合后超声，并烘至半干，备用；

（4）把步骤（3）所得物料混合过50-80#筛后备用；

（5）把步骤（4）混合物过100-140#筛后备用，此步骤完成造粒；

（6）把步骤（5）所得物料投入磨具后在压机中压制成型，然后进行烧结，烧结后按要求加工成固定尺寸，即得。

具体的，步骤（6）中，压制成型时在温度120-195℃下进行，可以提前把压机预热到120-195℃均可，然后把模具推入到压机内，在5分钟内，用压机把装有混合物料的模具压到设定的砂轮尺寸，然后保温40-70分钟，推出压机，卸掉模具。脱模后的磨具样块放入烧结炉进行二次烧结，烧结是在120-180℃下保温1-3h。

本发明用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，该砂轮中纳米氧化铜颗粒对多晶金刚石进行加工后，由于纳米氧化铜的颗粒尺寸较小且硬度适中，可以在金刚石片表面产生摩擦和磨损，从而实现抛光效果。同时纳米氧化铜还具有一定的化学反应性，与金刚石片表面的杂质和氧化层发生反应，使其被去除，从而提高了表面质量。添加氧化锆颗粒对多晶金刚石片进行加工后，由于碳化硅和氧化锆都具有较高的硬度，能够有效地与金刚石片表面产生摩擦和磨损作用，这可以帮助去除金刚石片表面的不平整、瑕疵和氧化层等杂质，使得金刚石片表面变得更加光滑。碳化硅和氧化锆颗粒在磨削过程中能够相对均匀地分布在金刚石片表面，这有助于保持抛光的一致性和稳定性。均匀分布的颗粒可以更均匀地划破金刚石片表面，使表面磨擦更加均匀，进一步提高了抛光的效果。添加冰晶石因其具有高硬度和耐磨性，能够与金刚石片表面产生摩擦和磨损。它的硬度足够高，可以有效地去除金刚石片表面的不平整和瑕疵，提供更光滑的表面。与其他磨料相比，冰晶石加工金刚石片的过程相对温和，冰晶石磨削时生成的热量较低，减少了金刚石片受热导致的变形和应力集中的可能性，有利于保持金刚石片的稳定性和形状。玻璃空心球具有较小的颗粒尺寸和相对均匀的形态，这使得它们在砂轮表面与金刚石片接触时能够产生均匀的力和摩擦作用，提高了表面的光滑度和一致性；同时空心球可以起到容屑和散热的作用，减少了金刚石片受热导致的形状变化和应力集中的风险，这种温和加工特性有助于保持金刚石片的稳定性和形状，并提供更好的表面质量。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

磨削过程中，砂轮中的纳米氧化铜颗粒可实现抛光效果，并化学反应去除金刚石片表面的杂质和氧化层，提高表面质量。添加的碳化硅和氧化锆颗粒能够有效去除不平整和瑕疵，提供更光滑的表面，并保持抛光的一致性和稳定性。冰晶石加工时能够去除金刚石表面不平整和瑕疵，并具有温和的加工特性，有利于保持金刚石片的稳定性和形状。玻璃空心球在砂轮中产生均匀的力和摩擦作用，提高表面的光滑度和一致性，也起到容屑和散热的作用，减少了金刚石片受热导致的形状变化和应力集中。

采用本发明砂轮加工多晶金刚石片，能够提高多晶金刚石片的表面质量，最终得到了透视效果好的多晶金刚石片，表面质量达到纳米级，实现肉眼不可见的磨纹（最终粗糙度为≤10nm，TTV≤8微米），可以直接满足客户的使用要求，直接应用到客户处。

附图说明

图1为本发明磨具加工多晶金刚石片磨削方式示意图；

图2为粗磨加工后的多晶金刚石片；

图3为精磨加工后的多晶金刚石片；

图4为本发明实施例1中砂轮的表面形貌图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，所用原料均为可以直接购买到的普通市售产品或者可以采用本领域常规技术制备获得。

所述液态树脂结合剂是将酚醛树脂和丙酮按质量比1：2混合后超声溶解（约超声20min）后获得。

实施例1

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：

金刚石：38质量份，

纳米氧化铜：12.7质量份，

碳化硅w1.5：10质量份，

碳化硅w0.5：7.5质量份，

氧化锆：6.8质量份，

冰晶石：2.3质量份，

液态树脂结合剂：18.4质量份，

玻璃空心球：3.3质量份

偶联剂：1质量份。

本实施例中，原材料金刚石w1.5、纳米氧化铜80nm、氧化锆w1、冰晶石（过500#筛网后备用）、酚醛树脂（普通市售）、玻璃空心球（市售50um，主要组成 SiO₂-CaO-MgO-Na₂O-Al₂O₃）、偶联剂（市售 kh792）。

上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，其包括如下步骤：

（1）首先把玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石分别在80℃的烘箱内烘1h去除水分，并把烘干后的玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石混合过120#筛3遍后，备用；

（2）把纳米氧化铜与液态树脂结合剂、偶联剂混合，放入磁子搅拌器，搅拌超声20min后备用；

（3）把步骤（2）所得物料和步骤（1）所得物料混合后，在超声设备上，边搅拌边超声30mnin，如果此过程中丙酮挥发过快，可以适量补入，保证磁子搅拌器搅拌比较顺畅即可，超声后的混合液放入60℃烘箱内，边搅拌边烘干，直至结块但无流动液体即可；

（4）把步骤（3）所得物料混合过80#筛后备用，过筛后的混合物成大颗粒状；

（5）把步骤（4）混合颗粒迅速过120#筛后备用，此步骤完成了混合物的造粒；

（6）把步骤（5）造粒后的混合料按照成型要求，投入磨具压到固定尺寸，混合料带磨具推入195℃压机，在5分钟内，用压机把装有混合物料的模具压到设定的砂轮尺寸，然后保温60min成型，脱模后的磨具样块放入烧结炉120℃保温2h进行二次烧结。烧结后的砂轮块根据图纸要求加工成为固定尺寸，即得用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮。

实施例2

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：

金刚石：33质量份，

纳米氧化铜：14.8质量份，

碳化硅w1.5：12质量份，

碳化硅w0.5：5.9质量份，

氧化锆：8.8质量份，

冰晶石：3.5质量份，

液态树脂结合剂：16质量份，

玻璃空心球：5质量份，

偶联剂：1质量份。

本实施例中，原材料金刚石w1.5、纳米氧化铜60nm、氧化锆w0.5、冰晶石（过500#筛网后备用）、酚醛树脂（国产市售）、玻璃空心球（市售80um，主要组成SiO₂-CaO-MgO-Na₂O-Al₂O₃）、偶联剂（市售 kh792）。

上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，其包括如下步骤：

（1）首先把玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石分别在100℃的烘箱内烘1h去除水分，并把烘干后的玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石混合过150#筛3遍后，备用；

（2）把纳米氧化铜与液态树脂结合剂、偶联剂混合，放入磁子搅拌器，搅拌超声20min后备用；

（3）把步骤（2）所得物料和步骤（1）所得物料混合后，在超声设备上，边搅拌边超声20mnin，如果过程中丙酮挥发过快，可以适量加入200-500毫升，保证磁子搅拌器搅拌比较顺畅即可，超声后的混合液放入80℃烘箱内，边搅拌边烘干，直至结块但无流动液体即可；

（4）把步骤（3）所得物料混合过50#筛后备用，过筛后的混合物成大颗粒状；

（5）把步骤（4）混合颗粒迅速过120#筛后备用，此步骤完成了混合物的造粒；

（6）把步骤（5）造粒后的混合料按照成型要求，投入磨具压到固定尺寸，混合料带磨具推入185℃压机，在5分钟内，用压机把装有混合物料的模具压到设定的砂轮尺寸，然后保温50min成型，脱模后的磨具样块放入烧结炉120℃保温2h进行二次烧结。烧结后的砂轮块根据图纸要求加工成为固定尺寸，即得用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮。

实施例3

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：

金刚石：24质量份，

纳米氧化铜：16质量份，

碳化硅w1.5：8.2质量份，

碳化硅w0.5：9.8质量份，

氧化锆：10质量份，

冰晶石：4质量份，

液态树脂结合剂：25质量份，

玻璃空心球：1质量份，

偶联剂：2质量份。

上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，参照实施例1。

实施例4

一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其主要由下述质量份的原料制成：

金刚石：32质量份，

纳米氧化铜：8质量份，

碳化硅w1.5：12质量份，

碳化硅w0.5：10质量份，

氧化锆：13质量份，

冰晶石：2质量份，

液态树脂结合剂：20.5质量份，

玻璃空心球：1.5质量份，

偶联剂：1质量份。

上述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，参照实施例2。

上述实施例中使用的液态树脂结合剂，其中的酚醛树脂普通市售产品均可，不同厂家的酚醛树脂不限制，均可以使用在该砂轮上，本发明同样适用。

对比例

申请人在试验中发现：如果去掉纳米氧化铜、碳化硅、氧化锆、冰晶石中的1-3种成份，会降低砂轮磨削加工多晶金刚石片的效率（这几种添加剂在配方中，除了起到磨削的功能还有对整个配方体系起到大中小三种粒径排布组合协同磨削的作用，提高砂轮的耐用度）。如果把液体树脂结合剂变成干粉而不与丙酮混合溶解，会导致金刚石磨料的包裹性比较差，在磨削过程中可能导致碎片。

研磨测试条件：

磨床：Disco DFG840

砂轮规格：精磨轴 自制w1.5砂轮

砂轮尺寸：209*22.5*158*2.5*5

研磨顺序：单轴磨削

磨削工艺参数：

砂轮主轴转速：800-1000rpm/min均可；

进给速率：10-30um/min

磨削液：去离子水；

工件材料：粗磨过的多晶金刚石片材料直径50mm，初始厚度400-430um；粗糙度≤30nm，面型精度TTV≤10微米；

去除量：3-10 um

载盘转速：60/800/100rpm

研磨性能评价

上述实施例1中制得的用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的扫描电镜微观结构图如图4所示。图4中可以看出：砂轮表面结合度比较紧密，因为是用液态树脂，体现了砂轮磨削面磨粒与结合剂的结合程度好，砂轮有多孔可以满足精磨磨屑需要。

采用上述研磨参数，利用实施例1、2制备所得用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮对粗磨过的多晶金刚石片进行磨削加工：将多晶金刚石片固定在如图1所示的载台上，自旋转，利用本发明超硬精磨砂轮在磨削液去离子水的配合下对粗磨过的多晶金刚石片进行磨削加工。实验结果显示：可以在1-2天加工周期内完成3-10 um的去除量，并且加工后的多晶金刚石片表面看到比较清晰的透视效果，实现肉眼不可见的磨纹，粗糙度5-7nm，面型精度≤5微米。

精磨加工前（即粗磨加工后）的多晶金刚石片如图2所示，精磨加工后的多晶金刚石片如图3所示。图2的多晶金刚石片表面还能看到比较粗糙的磨纹路，而图3则可以看到比较清晰的透视效果，已经实现肉眼不可见的磨纹。

本申请发现：精磨过程中，砂轮中的纳米氧化铜颗粒可实现抛光效果，并化学反应去除金刚石片表面的杂质和氧化层，提高表面质量。添加的碳化硅和氧化锆颗粒能够有效去除不平整和瑕疵，提供更光滑的表面，并保持抛光的一致性和稳定性。冰晶石加工时能够去除金刚石表面不平整和瑕疵，并具有温和的加工特性，有利于保持金刚石片的稳定性和形状。玻璃空心球在砂轮中产生均匀的力和摩擦作用，提高表面的光滑度和一致性，也起到溶屑和散热的作用，减少了金刚石片受热导致的形状变化和应力集中。综上所述，使用本发明砂轮能够提高多晶金刚石片的表面质量，最终得到了透视效果好的多晶金刚石片，表面质量达到纳米级，实现肉眼不可见的磨纹（粗糙度为≤10nm，TTV≤8微米），可以直接满足客户的使用要求，直接应用到客户处。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，主要由下述质量份的原料制成：金刚石：20-50质量份；

纳米氧化铜：5-20质量份；

碳化硅：10-30质量份；

氧化锆：5-15质量份；

冰晶石：1-6质量份；

液态树脂结合剂：10-35质量份；

玻璃空心球：1-5质量份；

偶联剂：0-3质量份。

2.如权利要求1所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，所述金刚石为w1- w3的金刚石。

3.如权利要求1所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，所述纳米氧化铜粒径50-100 nm。

4.如权利要求1所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，所述碳化硅由5-15质量份的碳化硅w1.5和5-15质量份的碳化硅w0.5混合组成。

5.如权利要求1所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，所述氧化锆为w0.5-w2的氧化锆。

6.如权利要求1所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮，其特征在于，所述液态树脂结合剂是将酚醛树脂和丙酮按质量比1：1-3混合溶解后获得。

7.权利要求1至6任一所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）把玻璃空心球、金刚石、碳化硅、氧化锆、冰晶石烘干后，混合过筛，备用；

（2）把纳米氧化铜与液态树脂结合剂、偶联剂混合超声，备用；

（3）把步骤（2）所得物料和步骤（1）所得物料混合后超声，并烘至半干，备用；

（4）把步骤（3）所得物料混合过50-80#筛后备用；

（5）把步骤（4）混合物过100-140#筛后备用；

（6）把步骤（5）所得物料压制成型，然后进行烧结，烧结后按要求加工成固定尺寸，即得。

8.如权利要求7所述用于加工多晶金刚石片超硬精磨砂轮的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，压制成型时在温度120-195℃下进行；烧结是在120-180℃下保温1-3h。