CN100445034C

CN100445034C - 用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法

Info

Publication number: CN100445034C
Application number: CNB2006101341776A
Authority: CN
Inventors: 金洙吉; 马兴伟; 苑泽伟; 康仁科
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: CN1947947A

Abstract

本发明公开了一种用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法，包括原料选择、成份配比，球磨合金化，烧结，杯形砂轮制作及处理。其中原料为Ti，Al，Cr，Nb，V，Si粉末，按摩尔比40～46%Al，1～2%Cr，1～2%Nb，0～4%V，0～2%Si，余量为钛进行配比；原料在氩气保护下球磨，时间90～190小时，转速280～580r/min；然后筛选粒径＜20μm的合金粉，经预压后在真空烧结炉中加压烧结，烧结温度900～1200℃，烧结时间15～60min，烧结压力0.2～10MPa；最后将烧结的砂轮环片热处理后焊接在杯形砂轮基盘上。本发明效果和益处是采用机械球磨和真空加压烧结制成的钛铝合金基砂轮环组织均匀高温强度高，抗氧化性好，硬度高，耐磨损。

Description

用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域。涉及一种用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法，特别涉及到一种用于大尺寸CVD金刚石膜表面高效平坦化磨削加工的钛铝合金基砂轮的制作方法。

背景技术

90年代以来，化学气相沉积金刚石(CVD)薄膜的制备技术和性能表征等已经取得了许多突破性进展，与研究初期相比，沉积速率提高了近千倍，而制备成本已降低至原来的万分之一。但相对滞后的金刚石膜后续抛光平坦化技术限制了金刚石膜的广泛应用，尤其是大面积CVD金刚石膜的抛光平坦化技术已成为金刚石膜在高科技领域应用的瓶颈问题。

由于金刚石是目前已知的硬度最高且高化学惰性的材料，使得在超精密加工领域中广泛采用的抛光平坦化技术，如传统的化学机械抛光、电解抛光等很难适用于CVD金刚石膜。虽然目前已开发出激光束抛光、离子束抛光等CVD金刚石膜平坦化技术，但主要针对小尺寸(φ≤1英寸)的金刚石膜；热化学抛光技术是目前常用的一种大尺寸金刚石膜抛光平坦化技术，其利用铁盘、镍盘等熔碳金属在一定温度和压力下与金刚石膜相对运动，使金刚石膜表面的碳原子向金属板中扩散来完成抛光，但由于抛光时温度高，金属抛光盘氧化、磨损严重，而且抛光盘高温强度低，变形严重，因此难以保证金刚石膜的加工精度和效率。钛铝合金除了具有良好的高温强度和高温耐磨性能之外，其本身所含的钛元素与碳具有很强的亲和性，在金刚石膜热化学抛光中具有良好的应用前景，但由于目前制作工艺的限制，其高温强度、抗氧化性或低温塑性还不能满足金刚石膜热化学抛光的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法，特别涉及到一种用于大尺寸CVD金刚石膜表面高效平坦化磨削加工的钛铝合金基砂轮的制作方法。

本发明采用如下技术方案来实现：

1.选料：Ti，Al，Cr，Nb，V，Si粉末，纯度＞99.5％，粒度＜150μm，按摩尔比40～46％的铝，1～2％的铬，1～2％的铌，0～4％的钒，0～2％的硅，余量为钛。

2.预合金：将原料粉末和不锈钢球装入真空球磨罐中，球料比10～15∶1，并充入氩气以防原料氧化，在行星齿轮球磨机或高能球磨机上球磨20～50h，转速为280～500r/min，之后将保护气体换为Ar+1％volN₂，继续球磨30～50h，转速为350～580r/min。

3.合金化：在Ar+5％volN₂气氛中球磨50～90h，转速500～580r/min。

4.烧结：筛选粒径＜20μm的合金粉，将合金粉预压后放入真空烧结炉中加压烧结，烧结温度900～1200℃，烧结时间15～60min，烧结压力0.2～10Mpa，烧结成砂轮环片，环片外径φ150～320mm，内径φ120～300mm，厚度5～10mm。

5.杯形砂轮盘制作及处理：将烧结后的砂轮环片热处理后焊接在直径160～330mm的铝基杯形砂轮基盘外缘上，并用立方氮化硼修整盘进行修整使砂轮表面平整。

本发明效果和益处是：采用机械球磨和真空加压烧结制成的钛铝合金基砂轮环片组织均匀，如图1所示，晶粒平均尺寸小于20μm，高温强度高(900℃时屈服强度大于600MPa)，抗氧化性能好(在900℃大气环境下氧化2小时质量变化小于0.05％)，硬度高(HRC65～68)，耐磨损，适合在大气环境下对大尺寸CVD金刚石膜高速干式磨削，并与金刚石膜表面的碳原子在高温下发生热化学反应而达到高速平坦化的目的，是一种针对大尺寸CVD金刚石膜平坦化磨削加工的新型工具。

附图说明

图1是钛铝合金基砂轮光学显微照片，晶粒均匀细小，平均尺寸小于20μm。

图2是钛粉、铝粉以及合金元素粉末经过150小时球磨后形成合金颗粒的SEM照片。

图3是钛粉、铝粉以及合金元素粉末经过150小时球磨后形成合金颗粒的SEM照片，颗粒均匀细小，平均尺寸10μm。

图4是制作的特种钛铝合金基砂轮示意图，致密度99％，900℃时屈服强度650MPa，室温硬度HRC 68。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

根据金刚石膜热化学去除原理，通过优化合金成分配比及粉末烧结工艺，制作高强度高硬度强亲碳性钛铝合金基砂轮，为大尺寸金刚石膜的高效平坦化磨削加工提供一种新型的无磨料亲碳性合金基砂轮工具的制备技术。制备工艺如下：

1)原料：Ti，Al，Cr，Nb粉末，纯度＞99.5％，粒度＜150μm，按比例50∶46∶2∶2(at％)称取质量分别为61.22g，33.28g，2.66g，4.92g的钛粉、铝粉、铬粉和铌粉并混合。

2)预合金：将原料粉末和不锈钢球装入真空球磨罐中，球料比10∶1，并充入氩气以防原料氧化，在行星齿轮球磨机上(或高能球磨机)球磨50h，转速为280～500r/min，之后将保护气体换为Ar+1％volN2，继续球磨50h，转速为350～580r/min。

3)合金化：在Ar+5％volN2气氛中球磨50h，转速500～580r/min，形成如图2所示的非晶合金粉末。

4)烧结：如图3所示，筛选粒径＜15μm的合金粉，并称取84g该合金粉预压成外径150mm、内径130mm的环块后放入真空烧结炉中加压烧结，烧结温度1100℃，烧结时间30min，烧结压力0.2MPa，烧结后得到砂轮环片，环片外径150，内径130mm，厚度5mm，致密度为99％，微氏硬度960Hv。

5)杯形砂轮盘制作及处理：如图4所示，将烧结后的砂轮环片热处理后均匀的焊接在直径160mm的铝基砂轮基盘外周上，并用立方氮化硼修整盘进行修整使砂轮盘表面平整，砂轮环致密度99％，900℃时屈服强度650MPa，室温硬度HRC 68。

Claims

1.一种用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法，包括原料选择、成份配比，预合金、合金化，烧结，杯形砂轮制作及处理步骤，其特征在于：

原料为Ti，Al，Cr，Nb，V，Si粉末，纯度＞99.5％，粒度＜150μm，按摩尔比40～46％的铝，1～2％的铬，1～2％的铌，0～4％的钒，0～2％的硅，余量为钛进行配比；

将原料粉末和不锈钢球装入真空球磨罐中球磨合金化，球料比10～15∶1，并充入氩气以防原料氧化，在行星齿轮球磨机上或高能球磨机上球磨20～50h，转速为280～500r/min，之后将保护气体换为Ar+1％vol N₂，继续球磨30～50h，转速为350～580r/min，最后在Ar+5％vol N₂气氛中球磨50～90h，转速500～580r/min；

筛选粒径＜20μm的合金粉，将合金粉预压后放入真空烧结炉中加压烧结，烧结成砂轮环片，环片外径150～320mm，内径120～300mm，厚度5～10mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸金刚石膜平坦化磨削的砂轮制作方法，其特征在于：将烧结后的砂轮环片热处理后焊接在直径160～330mm的杯形砂轮基盘外缘上，并用立方氮化硼修整盘进行修整，使砂轮表面平整。