CN102554569A

CN102554569A - 钴靶材的加工方法

Info

Publication number: CN102554569A
Application number: CN2011104564565A
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 相原俊夫; 大岩一彦; 潘杰; 王学泽; 陈玉蓉
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种钴靶材的加工方法，包括：提供钴靶材；对所述钴靶材表面进行切削；对切削后的钴靶材表面进行磨削，所述磨削采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮，所述金刚石砂轮的砂轮线速为15米/秒～35米/秒、立方氮化硼砂轮的砂轮线速为20米/秒～40米/秒，磨削吃刀量为0.005～1毫米。本发明提供的钴靶材的加工方法，使得经过切削后的钴靶材表面的粗糙度进一步的降低，获得了符合溅射需求的钴靶材。

Description

钴靶材的加工方法

技术领域

本发明涉及靶材加工领域，特别是一种钴靶材的加工方法。

背景技术

金属钴是银白色过渡金属，熔点为1493℃、比重为8.9，比较坚硬而脆，其延展性、硬度都比铁强，但是磁性较差，金属钴主要用于制造超硬耐热合金、磁性合金、碳化钨的基体或粘合剂等。

钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。航空航天技术中应用最广泛的合金是钴基合金，这是因为在高温下，钴基合金可以形成难熔的碳化物，这些碳化物不易转为固溶体，扩散活动性小，在温度在1038℃以上时，钴基合金的优越性就显现无遗。在航空涡轮机的结构材料使用含20％-27％铬的钴基合金，可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。

刀具中含有一定量钴可以显著地提高刀具的耐磨性和切削性能。含钴50％以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度，如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝件用的最重要材料。在钴基合金中，钴可以将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，这种合金熔焊在零件表面，可使零件的寿命提高3-7倍。

此外，据报道美国试验用的发电机的锅炉就是用钴合金制造的。钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一。在热作用下，失去磁性的温度叫居里点，铁的居里点为769℃，镍为358℃，钴可达1150℃。含有60％钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动下，一般磁性钢失去差不多1/3的磁性，而钴钢仅失去2％-3.5％的磁性。因而钴在磁性材料上的优势就很明显。钴金属在电镀、玻璃、染色、医药医疗等方面也有广泛应用。

然而，钴是一种高温耐热金属，导热系数小，在加工钴靶材时局部升温高，刀具容易磨损，且由于钴较硬和脆，纯钴加工时容易出现反弹，刀具容易崩刀，钴表面会形成很多相互交贯的裂纹，达不到钴靶材溅射时，溅射面需达到的粗糙度，另外，钴在高温下容易与氧、氢、氮反应，形成氧化物，不利于对其进行加工。

因此，提出一种钴靶材的加工方法，以避免上述缺陷，成为目前亟待解决的问题之一。

有关钴靶材的相关技术可以参见公开号为CN1635176的中国专利申请。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种钴靶材的加工方法，使得最终获得的钴靶材的溅射面的粗糙度符合溅射要求，且避免加工过程中刀具容易磨损甚至崩刀，高温下容易与氧、氢、氮反应，形成氧化物的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种钴靶材的加工方法，包括：

提供钴靶材；

对所述钴靶材表面进行切削；

对切削后的钴靶材表面进行磨削，所述磨削采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮，所述金刚石砂轮的砂轮线速为15米/秒～35米/秒、立方氮化硼砂轮的砂轮线速为20米/秒～40米/秒，磨削吃刀量为0.005～1毫米。

可选的，所述钴靶材的加工方法，还包括在磨削过程中采用喷雾方式冷却。

可选的，所述喷雾为酒精。

可选的，采用PCBN刀具对所述钴靶材表面进行切削，所述PCBN刀具转速范围为250～300转/秒，进给量为0.03～0.08毫米/转，背吃刀量为0.01～0.05毫米。

可选的，所述PCBN刀具中CBN的含量为80％。

可选的，采用所述PCBN刀具对所述钴靶材表面进行切削时，采用全周夹具固定所述钴靶材。

可选的，所述PCBN刀具的参数为：前角g₀范围为0～10°，后角a₀范围为8～10°，主偏角k_r范围为45～75°，刀尖修圆半径r_e范围为0.4～0.6mm。

可选的，所述提供的钴靶材是焊接在背板上的。

可选的，所述钴靶材的加工方法还包括：在将所述钴靶材焊接在背板上之后，对所述钴靶材表面进行切削之前，对所述钴靶材进行弯曲度校正、半精加工。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的钴靶材的加工方法，对切削后的钴靶材表面进行磨削，所述磨削采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮，所述金刚石砂轮的砂轮线速为15米/秒～35米/秒、立方氮化硼砂轮的砂轮线速为20米/秒～40米/秒，磨削吃刀量为0.005～1毫米，使得经过切削后的钴靶材表面的粗糙度进一步的降低，获得了符合溅射需求的钴靶材。

进一步地，磨削过程中采用喷雾方式冷却，该喷雾喷射到磨削区时，有较高的速度，动能较大，因此渗透能力较强，使得钴靶材在加工过程中刀具磨损慢，不会出现崩刀，且避免了高温下钴与氧、氢、氮发生反应，保证钴靶材的磨削加工质量。

进一步地，切削过程中采用转速范围为250～300转/秒，进给量范围为0.03～0.08毫米/转，背吃刀量范围为0.01～0.05毫米的PCBN刀具对靶材进行切削，由于采用了高硬度的PCBN刀具，且高转速配合低进给量，减小了PCBN刀具对钴靶材的冲击力，避免产生大的应力和崩刀现象的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的钴靶材的加工方法的流程图；

图2是现有技术中的普通夹具夹持钴靶材的结构示意图；

图3是本发明实施例中的全周夹具夹持钴靶材的结构示意图。

具体实施方式

发明人发现，国内加工钴靶材一般采用普通铣削方法，对加工参数没有特别研究，设定比较随意，一般与加工其他靶材如铬靶材、钛靶材相同；但由于钴靶材在常温下硬度高、脆性大，因此利用现有技术加工钴靶材时，容易产生大的应力，造成刀具崩刀，获得的钴靶材溅射面的粗糙度往往达不到要求，并且由于冷却效果无法保证，在高温下钴容易与氧、氢、氮反应，形成氧化物。

因此，发明人提出通过对钴靶材在切削和磨削过程中的加工参数及加工工具进行设定，在切削过程中，利用高转速、低进给量进行切削，磨削过程中采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮进行磨削，使得最终获得的钴靶材溅射面的粗糙度较小，且在切削和磨削过程中均喷射冷却介质，一方面使得钴靶材在加工过程中不会出现刀具崩刀，另一方面也使得钴靶材在加工过程中不易与氧、氢、氮反应形成氧化物。

请参见图1，图1是本发明实施例的钴靶材的加工方法的流程图，如图1所示，所述钴靶材的加工方法，包括：

步骤S11：提供钴靶材；

步骤S12：对所述钴靶材表面进行切削；

步骤S13：对切削后的钴靶材表面进行磨削，所述磨削采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮，所述金刚石砂轮的砂轮线速为15米/秒～35米/秒、立方氮化硼砂轮的砂轮线速为20米/秒～40米/秒，磨削吃刀量为0.005～1毫米。

下面对各步骤进行详细说明。

步骤S11，提供钴靶材；由于靶材一般是作为溅射之用，纯度要求比较高，因此本实施例中，所述钴靶材纯度大于等于99.99％；所述钴靶材的形状可以根据实际使用需要，设置为圆形，方形或其他对称形状或不对称形状，优选地，为圆形钴靶材，所述钴靶材的尺寸为比溅射需要的尺寸大了一个加工余量，通常所述加工余量需要通过切削加工去除。所述加工余量可以是1～5毫米。作为一个实施例，所述加工余量为1毫米，所述钴靶材为直径1米的圆形靶材。

需要说明的是，本步骤提供的钴靶材是经过粗加工、焊接、弯曲度校正及半精加工的钴靶材。

所述粗加工是指去除的大部分余量以获得比较规则的半成品钴靶材的步骤。

所述焊接是指通过融化的锡液随着高温挥发，清除被焊物表面的氧化物质，使得锡与被焊物钴靶材和铜背板接触更紧密、更牢固的步骤。例如超声波焊接。

所述弯曲度校正是指在高温焊接过程中，由于产品(钴靶材与铜背板)形状发生变化，内部会产生应力，导致产品变形，本步骤将变形后产品用压力机进行校正。本实施例中，至少需要对钴靶材进行弯曲度校正。

所述半精加工是指去除的小部分余量，以获得与精加工相似的半成品钴靶材。

步骤S12，对所述钴靶材表面进行切削。

由于钴靶材的硬度很大，因此，在对钴靶材进行切削加工过程中，刀具的硬度选择是一个重要因素。一般来讲，对于硬度较大的钴基合金进行切削时，会采用WC基硬质合金、复合陶瓷和PCD金刚石切削钴基合金，它们三者在刀具使用寿命上的差别很小。而发明人发现，在相同的切削条件下，聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的使用寿命要比其它材料刀具高4倍，故，本实施例中，采用PCBN刀具对钴靶材表面进行切削，所述PCBN刀具转速范围为250～300转/秒，进给量范围为0.03～0.08毫米/转，背吃刀量范围为0.01～0.05毫米。

另外，发明人对两种牌号：DBC80和DBC50的PCBN刀具进行了试验。DBC80和DBC50的主要区别在于立方氮化硼(CBN)的含量。前者CBN含量高，其CBN的含量为80％；后者CBN的含量为50％。结果表明，使用DBC80，刀具寿命有显著提高。进一步地，发明人发现PCBN刀具中CBN的含量低于50％时，加工效果较差，因此，本实施例中优选地PCBN刀具中的CBN的含量为80％以上，在其他实施例中，PCBN刀具中的CBN的含量大于或等于50％。

请参见图2，图2是现有技术中的普通夹具夹持钴靶材的结构示意图，如图2所示，现有技术中使用普通夹具2夹持钴靶材1，普通夹具2的夹持点的与被夹持的工件接触面积较小。请参见图3，图3是本发明实施例中的全周夹具夹持钴靶材的结构示意图，如图3所示，全周夹具3的夹持面积大，可以使钴靶材1受力比较均匀，高速加工过程中比较稳定，不易产生振动，减少震动过程中刀具崩刀。

此外，由于加工过程中，加工刀具切削靶材，会产生大量热量，而且靶材与加工刀具之间具有粘附性，因此，在加工过程中，需要对加工刀具和靶材进行冷却润滑，避免靶材崩裂、加工刀具损坏。

通常，在加工过程中需采用冷却介质，该介质被放置于切削车床的切削液箱或切削液槽中。

本实施例中，所述冷却介质是作为切削加工的切削液，该切削液可以选用现有技术中的切削液。所述切削液在切削加工中的作用主要有：一，冷却作用，通过冷却介质和因切削而发热的刀具(或砂轮)、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度；二，润滑作用，冷却介质在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能；三，清洗作用，指的是冷却介质在工件切削过程中，除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。对于油基切削液，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、柴油等轻组份的切削液，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具及砂轮上，同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上，把它从界面上分离，随切削液带走，保持切削液清洁。

除上述描述的切削液，本实施例中还提供了可以喷射到加工中的靶材区域的喷雾，具有较高的速度，动能较大，与切削液混合后，可以提高切削液的渗透能力。所述喷雾为酒精喷雾，酒精喷到加工中的靶材区域时，蒸发可以带走热量，另外，酒精同时可以清洗溶于水或溶于油的杂质。

本实施例中，所述车床加工参数设置为：切削车床铣刀转速范围为250～300转/秒，进给量范围为0.03～0.08毫米/转，背吃刀量范围为0.01～0.05毫米。

转速是物体在转动速度上的一种衡量单位，具体指一个物体在一分钟内的旋转圈数，一圈即是指一次的绕周转动，若以数学上的角度单位来衡量即是转动了360度。切削车床的转速过快，切削时温度会上升，大大缩短切削刀具的使用寿命；切削车床转速过慢，容易在钴靶材被加工表面形成凸凹不平，造成钴靶材加工表面粗糙。但，切削车床的转速如果比较高，则可以减小刀具对靶材的冲击力，避免产生大的应力；对于由此引起的温升，可以通过冷却介质解决。所以，根据钴靶材硬度较大、脆性较高的特点，本实施例中设置切削车床转速为250～300转/秒，优选为280转/秒。

进给量是指工件或工具每旋转一周或往复一次，或刀具每转过一齿时，工件与工具在进给运动方向上的相对位移。进给量与工件变形区的变形量有直接关系，进给量小，变形量也小。根据钴靶材脆性大的特点，本实施例中选用的进给量范围为0.03～0.08毫米/转，优选为0.05毫米/转。

切削过程是剪切与挤压并存的过程，如果背吃刀量过小，挤压效果大于剪切效果，使得距表层不同深度的晶粒间大小不同，造成钴靶材表面残余应力大；如果背吃刀量过大，则在加工中易出现打滑现象。在背吃刀量一定情况下，主轴转速、进给速度对表面粗糙度影响很大，具体为：主轴转速低、进给速度高，产品表面粗糙度比较差但加工效率高；主轴转速高、进给比较慢，产品表面粗糙度好加工效率低。本实施例中选用的背吃刀量范围为0.01～0.05毫米，优选为0.02毫米。

在具体加工过程中，前角g₀对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些；刀具材料韧性好(如高速钢)，前角可选得大些，反之应选得小些(如硬质合金)；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。

后角a₀的主要作用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。

主偏角k_r的大小影响切削条件和刀具寿命。在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以k_r宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。

对于圆弧形过渡刃，刀尖圆弧半径取得较大时，可提高刀具耐用度和减小加工表面的残留面积。但是增大刀尖圆弧半径，径向切削力也增加，在工艺系统刚度不足时，会引起切削振动。硬质合金属于脆性材料，切削振动会导致刀具破损，所以对硬质合金车刀，为减小径向切削力和避免切削振动，其刀尖圆弧半径选的比高速钢刀具小一些。

综合上述各个方面的因素，发明人确定PCBN刀具的参数为：前角g₀范围为0～10°，后角a₀范围为8～10°，主偏角k_r范围为45～75°，刀尖修圆半径r_e范围为0.4～0.6mm时，加工效果较好。

本实施例中，将所述钴靶材放置在切削车床的加工台上，利用上述冷却方式和切削车床，对钴靶材进行切削加工。

本发明实施例提供的切削加工方法，通过设置切削车床的转速、进给量、背吃刀量、切削速度等切削加工参数，并选用PCBN刀具为加工刀具，同时在切削加工过程中喷射冷却介质，使得钴靶材在加工过程中不出现刀具崩刃现象，保证钴靶材表面无氧化物。

通过上述过程基本完成了对钴靶材的精加工，此时钴靶材的表面粗糙度可达0.8微米左右。然而表面粗糙度在0.8微米左右是达不到溅射钴靶材的需求的，因此，为了进一步地降低钴靶材表面的粗糙度，本实施例中，采用磨削的方式对切削后的钴靶材表面进行进一步的加工，即执行步骤S13。

本实施例中，所述磨削采用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮，砂轮的转速为750～1440rpm，rpm是指每分钟的回转数，通常可以根据选择的砂轮外径大小进行调整。所述金刚石砂轮的砂轮线速为15米/秒～35米/秒、优选地为25米/秒，即每分钟1500米；立方氮化硼砂轮的线速为20米/秒～40米/秒，优选地为28米/秒，即每分钟1700米。磨削吃刀量为0.01～0.02毫米。

同样地，在磨削过程中也需要采用冷却介质，该冷却介质被放置于磨削车床的磨削液箱或磨削液槽中。且除了所述除磨削液，本实施例中也提供了可以喷射到加工中的靶材区域的喷雾，具有较高的速度，动能较大，与磨削液混合后，可以提高磨削液的渗透能力。所述喷雾为酒精喷雾，酒精喷到加工中的靶材区域时，蒸发可以带走热量，另外，酒精同时可以清洗溶于水或溶于油的杂质。

经过磨削后，钴靶材表面的粗糙度可以达到0.4微米左右，符合了钴靶材的溅射需求。

综上所述，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以作出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种钴靶材的加工方法，其特征在于，包括：

提供钴靶材；

对所述钴靶材表面进行切削；

2.如权利要求1所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，还包括在磨削过程中采用喷雾方式冷却。

3.如权利要求2所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，所述喷雾为酒精。

4.如权利要求1所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，采用PCBN刀具对所述钴靶材表面进行切削，所述PCBN刀具转速范围为250～300转/秒，进给量为0.03～0.08毫米/转，背吃刀量为0.01～0.05毫米。

5.如权利要求4所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，所述PCBN刀具中CBN的含量为80％。

6.如权利要求4所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，采用所述PCBN刀具对所述钴靶材表面进行切削时，采用全周夹具固定所述钴靶材。

7.如权利要求4所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，所述PCBN刀具的参数为：前角g₀范围为0～10°，后角a₀范围为8～10°，主偏角k_r范围为45～75°，刀尖修圆半径r_e范围为0.4～0.6mm。

8.如权利要求1所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，所述提供的钴靶材是焊接在背板上的。

9.如权利要求8所述的钴靶材的加工方法，其特征在于，还包括：在将所述钴靶材焊接在背板上之后，对所述钴靶材表面进行切削之前，对所述钴靶材进行弯曲度校正、半精加工。