CN103128662A - 一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法。特点是利用多弧离子镀膜技术在聚晶金刚石表面覆镀薄膜，将得到的含膜PCD作为修整笔的笔头。其具体步骤包括：清洗聚晶金刚石表面，将PCD放入镀膜机中离子清洗后按照预先设定的镀膜制度覆镀TiN、TiCN、CrN、TiAlN或ZrN具有致密膜层、高膜基结合力的耐热耐磨单一或复合薄膜，对得到的含膜PCD进行适当的处理后钎焊至修整笔笔杆上得到高耐磨的金刚石砂轮修整笔。本发明所制备的砂轮修整笔膜层致密，附着力强，具有较高的耐热性、耐磨性、表面强化等性能。其工艺简单、稳定，镀膜过程采用电气和机械自动化控制，操作简便，有助于降低生产成本。
Description
技术领域
本发明专利提供了一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，具体的说是一种采用表面处理过的合成聚晶金刚石(PCD)做笔头的金刚石砂轮修整笔及其制备方法。
背景技术
磨削类的砂轮，加工工件时表面容易被磨屑颗粒粘牢，影响磨削效果。因此需采用一种砂轮修整笔来清除砂轮表面的磨屑，使砂轮恢复锐性。由于修整砂轮时依靠砂轮与修整笔或修整刀的对磨，对笔头的磨损较大，因此普遍采用金刚石。现有的笔头材料大都是天然金刚石或者合成聚晶金刚石(PCD)，但各自存在一些问题。天然金刚石主要问题是稀少，价格高，同时也存在质量不均匀的毛病，且韧性不是很好，容易在制造加工和使用过程中碎裂。PCD作为笔头材料是为了取代天然金刚石的，具有耐高温耐磨以及价格低廉等优势，但与天然金刚石相比，仍有缺陷，比如寿命短，研磨的精度低。
PCD是由大量精选的随机定向的金刚石颗粒通过在高压高温下烧结进行制备得到的。PCD由许多微小金刚石单晶聚结而成的聚晶体，它提供极好的硬度及由此得到的耐磨性，并与聚晶结构所带来的极佳韧性相结合。对于采用PCD的工具，寿命在很大程度上并不依赖于进给量，高速切削时产生的热量会导致PCD中滑动界面的金刚石晶粒产生氧化、石墨化、扩散、粘接、热应力破碎等现象，使得PCD工具在寿命与研磨精度上略有缺陷。
近年来，把金属表面工程的许多理论和经验用于金刚石及其制品的生产，以促进金刚石晶体的表面强化，表面改性，已成为提高金刚石及其制品使用寿命的重要方法，并取得许多成功的经验。实践证明，金刚石表面工程这一领域应用前景广阔，经济效益巨大。
发明内容
本发明专利的目的是解决采用PCD材料作为笔头的砂轮修整笔的问题和不足，提供一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，以达到既能降低生产成本，又能保证使用寿命和使用精度的要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
1、对PCD进行表面表面预处理：将PCD置于碱性金属清洗液煮沸进行表面除油，再将PCD置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理，然后将清洗后的PCD放入纯乙醇溶液脱水后干燥处理；
2、将PCD放入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa或以上，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60～70A，电压18～22V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为5～25min；
3、将经过处理的PCD按照预先设定的镀膜制度覆镀TiN、TiCN、CrN、TiAlN或ZrN具有致密膜层、高膜基结合力的耐热耐磨单一或复合薄膜；
4、将得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
5、将得到的含膜PCD钎焊至笔杆上。
上述镀膜机可采用AIP-01型多弧离子镀膜机，镀膜机内附加磁过滤装置。高频银基钎焊可采用HFP-20型钎焊机。
上述PCD、镀膜机、磁过滤装置以及高频钎焊机均可从市场购得。
上述镀膜中镀TiN、CrN、TiAlN或ZrN膜的工艺为：将基体偏压调控在-100～-400V、占空比控制在20％～30％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为18～24V，电流为4.0～5.0A，保证磁场强度；将氮气流量调整为40～100SCCM(Standard Curbic Centimiter Per Minute每分钟流过的标准毫升数)；工件温度控制在200～280℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为60～100A，电压为18～60V，覆镀TiN、CrN、TiAlN或ZrN薄膜，镀膜时间为40～120min；镀TiN膜使用的靶材为钛靶(覆镀TiN薄膜)；镀CrN膜使用的靶材为铬靶(镀覆CrN薄膜)；镀TiAlN膜使用的靶材为钛铝靶(镀覆TiAlN薄膜)；镀ZrN膜使用的靶材为锆靶(镀覆ZrN薄膜)；
上述镀膜中镀TiCN膜的工艺为：将基体偏压调控在-200～-400V、占空比控制在20％～30％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为18～24V，电流为4.0～5.0A，保证磁场强度；通入C2H2+N2作为反应气体(N2/C2H2＝1/4)，分压控制在4×10-3Pa，PCD温度保持在230～260℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为60～80A，电压为40～50V，覆镀TiCN薄膜，镀膜时间为40～80min；镀TiCN膜使用的靶材为钛靶(覆镀TiN薄膜)；
上述钎焊方式采用高频低温银基钎焊，温度约为700℃，避免了金刚石的高温热损伤。
与现有技术相比，本发明专利有以下有优点：由于本发明采用的是表面处理的人造聚晶金刚石，替代了天然金刚石，具有原料成本低廉的特点。工艺简单、稳定，操作简便，镀膜过程采用电气和机械自动化控制，重复性好，有助于降低生产成本。采用的镀膜技术膜层致密，附着力强，具有耐热、耐磨、表面强化等特点，实用性强。覆镀的薄膜平均膜厚2～5μm，提高了PCD的耐热温度，降低了金刚石单晶从胎体的脱落率，可使修整笔在使用过程中减少滑动界面的金刚石晶粒产生氧化、石墨化、扩散、粘接、热应力破碎等现象，从而延长修整笔的使用寿命，提高使用精度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
1、对PCD进行修整，将PCD浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴；电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至250℃，保温30min；
2、然后将PCD装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60A，电压20V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为20min；
3、调整偏压为-300V，占空比为20％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为20V，电流为4.0～4.5A，保证磁场强度；将氮气流量调整为60SCCM；工件温度控制在240℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为70A，电压为20V，在PCD表面覆镀TiN薄膜，镀膜时间为60min；
4、按照AIP-01型镀膜机操作程序关闭镀膜机各电源、离子源及气体源，取出含膜PCD；
5、对得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
6、将处理过后的含膜PCD作为修整笔笔头采用高频低温银基钎焊法固定到金属笔杆上，温度控制在700℃左右。
实施例二：
1、对PCD进行修整，将PCD浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴；电吹风于燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至250℃，保温30min；
2、然后将PCD装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60A，电压20V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为20min；
3、调整偏压为-300V，占空比为20％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为20V，电流为4.0～4.5A，保证磁场强度；通入C2H2+N2作为反应气体(N2/C2H2＝1/4)，分压控制在4×10-3Pa，PCD温度保持在260℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为60A，电压为40V，在PCD表面覆镀TiCN薄膜，镀膜时间为50min；
4、关闭镀膜机各电源、离子源及气体源，取出含膜PCD；
5、对得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
6、将处理过后的含膜PCD作为修整笔笔头采用高频低温银基钎焊法固定到金属笔杆上，温度控制在700℃左右。
实施例三：
1、对PCD进行修整，将PCD浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴；电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至250℃，保温30min；
2、然后将PCD装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60A，电压20V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为20min；
3、调整偏压为-100V，占空比为20％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为20V，电流为4.0～4.5A，保证磁场强度；调节氩气流量为40～60SCCM，调控基底温度使其保持在225℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为80A，电压为50V，在PCD表面覆镀CrN薄膜，镀膜时间为50min；
4、关闭镀膜机各电源、离子源及气体源，取出含膜PCD；
5、对得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
6、将处理过后的含膜PCD作为修整笔笔头采用高频低温银基钎焊法固定到金属笔杆上，温度控制在700℃左右。
实施例四：
1、对PCD进行修整，将PCD浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴；电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至250℃，保温30min；
2、然后将PCD装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60A，电压20V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为20min；
3、调整偏压为-200V，占空比为20％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为20V，电流为4.0～4.5A，保证磁场强度；调节氩气流量为60～70SCCM，调控基底温度使其保持在200℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为80A，电压为25V，在PCD表面覆镀TiAlN薄膜，镀膜时间为90min；
4、关闭镀膜机各电源、离子源及气体源，取出含膜PCD；
5、对得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
6、将处理过后的含膜PCD作为修整笔笔头采用高频低温银基钎焊法固定到金属笔杆上，温度控制在700℃左右。
实施例五：
1、对PCD进行修整，将PCD浸入95％的乙醇溶液中超声激励10-20分钟，再用丙酮溶液浸浴；电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至250℃，保温30min；
2、然后将PCD装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60A，电压20V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为20min；
3、调整偏压为-200V，占空比为20％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为20V，电流为4.0～4.5A，保证磁场强度；调节氩气流量为60～70SCCM，调控基底温度使其保持在200℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为70A，电压为25V，在PCD表面覆镀ZrN薄膜，镀膜时间为100min；
4、关闭镀膜机各电源、离子源及气体源，取出含膜PCD；
5、对得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
6、将处理过后的含膜PCD作为修整笔笔头采用高频低温银基钎焊法固定到金属笔杆上，温度控制在700℃左右。
所制得的金刚石修整笔笔头PCD覆膜层平均膜厚2～3μm，对比未镀膜修整笔笔尖强度提高20～30％，金刚石单晶的脱落率由原来的20％降低到5％，使用寿命提高了约一倍。
Claims (6)
1.一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、对PCD进行表面表面预处理：将PCD置于碱性金属清洗液煮沸进行表面除油，再将PCD置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理，然后将清洗后的PCD放入纯乙醇溶液脱水后干燥处理；
b、将PCD放入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa或以上，加负偏压600V；启动磁过滤单弧镀靶电流60～70A，电压18～22V；用高纯氩轰击对PCD进行离子清洗，时间为5～25min；
c、将经过处理的PCD按照预先设定的镀膜制度覆镀TiN、TiCN、CrN、TiAlN或ZrN具有致密膜层、高膜基结合力的耐热耐磨单一或复合薄膜；
d、将得到的含膜PCD进行适当的抛光、修磨；
e、将得到的含膜PCD钎焊至笔杆上。
2.根据权利1所述的一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于所述镀膜机可采用AIP-01型多弧离子镀膜机，镀膜机内附加磁过滤装置。高频银基钎焊可采用HFP-20型钎焊机。
3.根据权利1所述的一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于所述PCD、镀膜机、磁过滤装置以及高频钎焊机均可从市场购得。
4.根据权利1所述的一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于所述镀膜中镀TiN、CrN、TiAlN或ZrN膜的工艺为：将基体偏压调控在-100～-400V、占空比控制在20％～30％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为18～24V，电流为4.0～5.0A，保证磁场强度；将氮气流量调整为40～100SCCM(Standard Curbic Centimiter Per Minute每分钟流过的标准毫升数)；工件温度控制在200～280℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为60～100A，电压为18～60V，覆镀TiN、CrN、TiAlN或ZrN薄膜，镀膜时间为40～120min；镀TiN膜使用的靶材为钛靶(覆镀TiN薄膜)；镀CrN膜使用的靶材为铬靶(镀覆CrN薄膜)；镀TiAlN膜使用的靶材为钛铝靶(镀覆TiAlN薄膜)；镀ZrN膜使用的靶材为锆靶(镀覆ZrN薄膜)。
5.根据权利1所述的一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于所述镀膜中镀TiNC膜的工艺为：将基体偏压调控在-200～-400V、占空比控制在20％～30％；开启磁过滤器，调整磁过滤器控制电源，其电压为18～24V，电流为4.0～5.0A，保证磁场强度；通入C2H2+N2作为反应气体(N2/C2H2＝1/4)，分压控制在4×10-3Pa，PCD温度保持在230～260℃；然后将磁过滤单弧镀靶的电流调整为60～80A，电压为40～50V，覆镀TiCN薄膜，镀膜时间为40～80min。
6.根据权利1所述的一种高耐磨的金刚石砂轮修整笔及其制备方法，其特征在于所述钎焊方式采用高频低温银基钎焊，温度约为700℃，避免了金刚石的高温热损伤。
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