CN105479606A - 一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法 - Google Patents

一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是针对目前生产中金刚石切割蓝宝石工艺的不足之处，提出一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，属于宝石切割技术领域。该方法以优质的碳化硼替代金刚石作为蓝宝石的新型切割刃料，将碳化硼切割刃料以电镀或树脂粘结的方式附着在钢线上制成碳化硼线锯对蓝宝石进行切割，或者将碳化硼切割刃料配以切割液制备成切割砂浆，用高速运动的钢线带动碳化硼砂浆来切割蓝宝石。本方法可减少由金刚石硬度过高造成的蓝宝石晶面崩边、破裂等现象，提高了蓝宝石的成片率，避免能源的浪费；而且，还可提高切割面的平整度，降低后续研磨工序的难度，此外，碳化硼的价格仅为金刚石的十分之一，可大幅度的降低蓝宝石的切割成本，显著的提高了经济效益。

Description

一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法
技术领域
本发明属于宝石切割技术领域，特别涉及一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法。
背景技术
蓝宝石单晶具有高硬度(莫氏硬度9.0)、高熔沸点、稳定的化学性能、良好的电绝缘性、优异的光学性能及机械性能等优异特性，被广泛应用于光电子信息、航空航天、国防军工、半导体照明以及手机领域等。尤其是近年来LED照明的普及以及蓝宝石在手机等领域的应用，都促使蓝宝石的需求量大增。
但是蓝宝石晶片不论是应用于LED照明或手机领域等，首先需要将蓝宝石晶体棒或者铸锭进行开方后再切割成蓝宝石晶片。目前蓝宝石的切片普遍采用金刚线切割工艺，即利用电镀或树脂粘结的方法将金刚石切割刃料附着在钢线表面，将金刚线直接作用于晶棒表面产生磨削，达到切割的效果。但以金刚石作为切割刃料存在以下缺陷：(1)金刚石价格昂贵且产量低，大大增加了蓝宝石的切割成本；(2)金刚石硬度过高，在切割过程中容易造成蓝宝石崩边、破裂等现象，降低了蓝宝石的成片率；(3)由于金刚石硬度高，还会造成蓝宝石切割面粗糙、线痕不良，增加了后续研磨工序的难度。
专利号CN101870084A公开的发明《一种蓝宝石晶片切割的方法》中采用游离磨料切割方法，所述切割线采用金属线，磨料采用金刚石微粉。在专利号CN103252848A公开的发明《一种切割蓝宝石的方法》中，采用复合电镀方式，将金刚石微粉镀覆于直径0.14～0.16mm的金属线材上，得到直径为0.2～0.22mm的金刚线锯；采用所述金刚线锯，利用切割机切割蓝宝石，得到厚度为0.52～0.56mm的蓝宝石衬底。在以上两个发明中，均是采用金刚石微粉作为蓝宝石的切割刃料，虽然切割速率高，但均存在着以下缺点：切割成本较高、成片率稍低及切割面平整度不高等。
碳化硼具有硬度高、耐磨性好、密度低(2.52g/cm3)及熔点高(2450℃)等优异特性，被广泛应用于机械研磨、耐火材料、工程陶瓷、核工业和军事等领域。碳化硼莫氏硬度为9.36，略低于金刚石(金刚石的莫氏硬度为10)，但高于蓝宝石(莫氏硬度9.0)，所以可作为蓝宝石的切割刃料。
发明内容
本发明的目的是针对目前生产中金刚石切割蓝宝石工艺的不足之处，提出一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法。该方法以优质的碳化硼替代金刚石作为蓝宝石的新型切割刃料，将碳化硼切割刃料以电镀或树脂粘结的方式附着在钢线上制成碳化硼线锯对蓝宝石进行切割，或者将碳化硼切割刃料配以切割液制备成切割砂浆，用高速运动的钢线带动碳化硼砂浆来切割蓝宝石。
一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，是将碳化硼固定在钢线上作为线锯对蓝宝石进行切割或以钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割。
上述的切割蓝宝石方法，当通过将碳化硼固定在钢线上作为线锯对蓝宝石进行切割时，具体包括如下步骤：
1)采用电镀或树脂粘结的方式将粒径为30～40μm的碳化硼附着于钢线上，得到直径为0.14～0.45mm的碳化硼线锯；
2)将蓝宝石原料安装在切割机的工作台上，将碳化硼线锯绕于切割机的导轮上，将冷却液置于切割机的液槽内；
3)开启切割机，通过导轮转动带动碳化硼线锯高速运动，同时将液槽内的冷却液落入碳化硼线锯上并附着于碳化硼线锯，将蓝宝石原料切割成晶片；
其中，切割机的线张力为30～38N，线速度为700～1200m/min，切割速度为0.2～0.5mm/min，冷却液流量为21.6～24L/min；
4)将切割好的蓝宝石晶片用水预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去冷却液和其他杂质；
5)对蓝宝石晶片进行质量检测后送至研磨工序进行加工。
上述的切割蓝宝石方法，当以钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割时，具体包括如下步骤：
1)将碳化硼微粉和切割液按重量比1:2-1:9配置成砂浆，并放入切割机的浆料罐中持续搅拌以保持砂浆均匀；
其中，碳化硼微粉粒径为4～15μm，切割液为聚乙二醇和分散剂等添加剂的混合液；
2)将蓝宝石原料放置在切割机上，以钢线带动碳化硼砂浆将蓝宝石原料切割成晶片；
其中，切割机的钢线的直径为0.12～0.14mm，线张力为20～28N，线速度为700～1200m/min，切割速度为0.2～0.3mm/min，砂浆流量为65～95L/min；
3)将切割好的蓝宝石晶片用水进行预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去切割液和其他杂质；
4)对蓝宝石晶片进行质量检测后送去至研磨工序进行加工。
上述切割蓝宝石方法中，碳化硼质量要求为：纯度大于97％，硼碳比3.9-4.2，单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35。
经检测，通过上述方法切割的蓝宝石切片的弯曲度<15μm，平整度<15μm，总厚度公差<20μm，表面粗糙度<1.4μm，成片率>95％，明显好于金刚石的切割效果。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本方法利用碳化硼替代金刚石切割蓝宝石，可减少由金刚石硬度过高造成的蓝宝石晶面崩边、破裂等现象，提高了蓝宝石的成片率，避免能源的浪费；
(2)本方法利用碳化硼替代金刚石切割蓝宝石，可提高切割面平整度、改善线痕不良，降低了后续研磨工序的难度和强度，缩短加工时间；
(3)本方法利用碳化硼替代金刚石切割蓝宝石，由于碳化硼的价格仅为金刚石的十分之一，可大幅度的降低蓝宝石的切割成本，显著的提高了经济效益。
具体实施方式
以下实施例中使用的钢线、碳化硼、冷却液和切割液均为市购；碳化硼质量为：纯度98.6％，硼碳比4.1，单晶颗粒，莫氏硬度9.41；
所用切割机的型号为CHSX5625-XW，用于实施例1-3；型号MWM442DM，用于实施例4-6。
实施例1
1)将粒径为30～40μm的碳化硼电镀于钢线上，制备得到直径为0.14mm的碳化硼线锯；
2)将蓝宝石原料安装在切割机的工作台上，将碳化硼线锯绕于切割机的导轮上，将冷却液置于切割机的液槽内；
3)开启切割机，通过导轮转动带动碳化硼线锯高速运动，同时将液槽内的冷却液落入碳化硼线锯上并附着于线锯，对蓝宝石原料进行切割；
其中，切割机线张力为30N，线速度为1200m/min，切割速度为0.3mm/min，冷却液流量为22.5L/min；
4)将切割好的蓝宝石晶片用水预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去冷却液和其他杂质；
5)对蓝宝石晶片进行质量检测后送至研磨工序进行加工。
该方法切割的蓝宝石晶片的弯曲度、平整度、总厚度公差、表面粗糙度、成片率如表1所示。
对比例1
以粒径为30～40μm的金刚石为切割刃料，以实施例1相同的方法对蓝宝石进行切割。
该方法切割的蓝宝石晶片的弯曲度、平整度、总厚度公差、表面粗糙度、成片率如表1所示。
表1、蓝宝石晶片的切割质量对比
由表1可以看出，以碳化硼为切割刃料的切割效果好于金刚石的切割效果。
实施例2
1)将粒径为30～40μm的碳化硼用树脂粘结于钢线上，制备得到直径为0.45mm的碳化硼线锯；
2)将蓝宝石原料安装在切割机的工作台上，将碳化硼线锯绕于切割机的导轮上，将冷却液置于切割机的液槽内；
3)开启切割机，通过导轮转动带动碳化硼线锯高速运动，同时将液槽内的冷却液落入碳化硼线锯上并附着于线锯，对蓝宝石原料进行切割；
其中，切割机线张力为38N，线速度为700m/min，切割速度为0.2mm/min，冷却液流量为21.6L/min；
4)将切割好的蓝宝石晶片用水预清洗；再放入清洗机内进行二次清洗，除去冷却液和其他杂质；
5)对蓝宝石晶片进行质量检测后送至研磨工序进行加工。
蓝宝石晶片经检测，弯曲度13.7μm，平整度13.8μm，总厚度公差17.8μm，表面粗糙度1.27μm，成片率95.1％。
实施例3
1)将粒径为30～40μm的碳化硼用树脂粘结于钢线上，制备得到直径为0.30mm的碳化硼线锯；
2)将蓝宝石原料安装在切割机的工作台上，将碳化硼线锯绕于切割机的导轮上，将冷却液置于切割机的液槽内；
3)开启切割机，通过导轮转动带动碳化硼线锯高速运动，同时将液槽内的冷却液落入碳化硼线锯上并附着于碳化硼线锯，对蓝宝石原料进行切割；
其中，切割机线张力为35N，线速度为950m/min，切割速度为0.3mm/min，冷却液流量为23.2L/min；
4)将切割好的蓝宝石晶片用水预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去冷却液和其他杂质；
5)对蓝宝石晶片进行质量检测后送至研磨工序进行加工。
蓝宝石晶片经检测，弯曲度14.3μm，平整度14.5μm，总厚度公差18.9μm，表面粗糙度1.24μm，成片率96.1％。
实施例4
1)将粒径为4～15μm的碳化硼微粉和切割液按重量比1:2配置成砂浆，并放入切割机的浆料罐中持续搅拌以保持砂浆均匀；
2)将蓝宝石原料放置在切割机上，以直径为0.12mm钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割；
其中，切割机线张力为20N，线速度为1200m/min，切割速度为0.3mm/min，砂浆流量为65L/min；
3)将切割好的蓝宝石晶片用水进行预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去切割液和其他杂质；
4)对蓝宝石晶片进行质量检测后送去至研磨工序进行加工。
蓝宝石晶片经检测，弯曲度13.8μm，平整度13.6μm，总厚度公差17.8μm，表面粗糙度1.33μm，成片率96.1％。
实施例5
1)将粒径为4～15μm的碳化硼微粉和切割液按重量比1:9配置成砂浆，并放入切割机的浆料罐中持续搅拌以保持砂浆均匀；
2)将蓝宝石原料放置在切割机上，以直径为0.14mm钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割；
其中，切割机线张力为28N，线速度为700m/min，切割速度为0.2mm/min，砂浆流量为95L/min；
3)将切割好的蓝宝石晶片用水进行预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去切割液和其他杂质；
4)对蓝宝石晶片进行质量检测后送去至研磨工序进行加工。
蓝宝石晶片经检测，弯曲度14.6μm，平整度14.2μm，总厚度公差17.9μm，表面粗糙度1.35μm，成片率95.8％。
实施例6
1)将粒径为4～15μm的碳化硼微粉和切割液按重量比1:6配置成砂浆，并放入切割机的浆料罐中持续搅拌以保持砂浆均匀；
2)将蓝宝石原料放置在切割机上，以直径为0.13mm的钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割；
其中，切割机上线张力为24N，线速度为1000m/min，切割速度为0.25mm/min，砂浆流量为80L/min；
3)将切割好的蓝宝石晶片用水进行预清洗；再放入清洗机内进行二次清洗，除去切割液和其他杂质；
4)对蓝宝石晶片进行质量检测后送去至研磨工序进行加工。
蓝宝石晶片经检测，弯曲度14.2μm，平整度13.9μm，总厚度公差18.3μm，表面粗糙度1.34μm，成片率96.0％。

Claims (10)

1.一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，将碳化硼固定在钢线上作为线锯对蓝宝石进行切割或者以钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割。
2.根据权利要求1所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，当将碳化硼固定在钢线上作为线锯对蓝宝石进行切割时，具体包括如下步骤：
1)采用电镀或树脂粘结的方式将碳化硼附着于钢线上，得到碳化硼线锯；
2)将蓝宝石原料安装在切割机的工作台上，将碳化硼线锯绕于切割机的导轮上，将冷却液置于切割机的液槽内；
3)开启切割机，通过导轮转动带动碳化硼线锯高速运动，同时将液槽内的冷却液落入碳化硼线锯上并附着于碳化硼线锯，将蓝宝石原料进行成晶片；
4)将切割好的蓝宝石晶片用水预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去冷却液和其他杂质；
5)对蓝宝石晶片进行质量检测后送至研磨工序进行加工。
3.根据权利要求2所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述碳化硼的粒径为30～40μm。
4.根据权利要求2所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述碳化硼线锯的直径为0.14～0.45mm。
5.根据权利要求2所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述步骤3)中，切割机的技术参数为：线张力30～38N，线速度700～12000m/min，切割速度0.2～0.5mm/min，冷却液流量21.6～24L/min。
6.根据权利要求1所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，当以钢线带动碳化硼砂浆对蓝宝石进行切割时，具体包括如下步骤：
1)将碳化硼微粉和切割液配置成砂浆，并放入切割机的浆料罐中持续搅拌以保持砂浆均匀；
2)将蓝宝石原料放置在切割机上，以钢线带动碳化硼砂浆将蓝宝石原料切割成晶片；
3)将切割好的蓝宝石晶片用水进行预清洗，再放入清洗机内进行二次清洗，除去切割液和其他杂质；
4)对蓝宝石晶片进行质量检测后送去至研磨工序进行加工。
7.根据权利要求6所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述碳化硼微粉的粒径为4～15μm。
8.根据权利要求6所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述碳化硼微粉和切割液的重量比为1:2-1:9。
9.根据权利要求6所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，所述步骤2)中，切割机的技术参数为：钢线直径0.12～0.14mm，线张力20～28N，线速度700～1200m/min，切割速度0.2～0.3mm/min，砂浆流量65～95L/min。
10.根据权利要求1、2或6所述的一种用碳化硼刃料切割蓝宝石的方法，其特征在于，碳化硼质量要求为：纯度大于97％，硼碳比3.9-4.2，单晶颗粒，莫氏硬度大于9.35。
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