CN106863152B - 金属结合剂、采用该结合剂制备的金刚石砂轮及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
金属结合剂、采用该结合剂制备的金刚石砂轮及其制造方法。本发明涉及一种金属结合剂，按重量百分比包括：铜锡预合金粉末95％‑99％，石墨粉0.5％‑3％，纳米α‑Al2O3 0.5％‑2％。按照一定配比取铜锡预合金粉末、石墨粉、纳米α‑Al2O3和金刚石，依次经配料混料、制粒、压型、烧结、后处理工序，可以制得刀头。将多个刀头沿圆周方向等间距排列设置于基体上，且刀头的弧面垂直于基体，制得金刚石砂轮。上述刀头成分均匀，致密度好，金刚石分布均匀，金属结合剂对金刚石的把持效果好；砂轮具有磨削工件表面质量好，没有暗裂、划痕，磨削锋利、使用寿命长、便于规模化生产等优点，特别适用于减薄厚度在100‑700μm之间的蓝宝石晶片的生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属结合剂金刚石砂轮及其制造方法，特别涉及一种金属结合剂、包含该结合剂的金刚石砂轮的刀头、砂轮及它们的制造方法，属于金刚石砂轮技术领域。该砂轮特别适合于蓝宝石晶片的减薄加工。
背景技术
蓝宝石成份为Al2O3，莫氏硬度为9，仅次于金刚石的硬度，广泛应用于LED发光组件的基板。当前LED行业蓬勃发展，随着蓝宝石生产技术的不断成熟，LED灯照明可能会替代目前绝大部分的白炽灯、节能灯，除此之外，手机、电视的显示屏也逐渐往LED方向发展；高档手表的表壳、光学镜头等在数十年前就已使用过蓝宝石。蓝宝石不仅具有硬脆的特点，而且价格昂贵，所以在加工过程中通常要求精度高、加工效率快、材料损耗低以及工作环境洁净。由于金刚石具备硬度高、耐磨性强以及导热性好等特性，所以采用金刚石砂轮可以实现对蓝宝石晶片的减薄加工。
目前应用较多的是陶瓷结合剂的金刚石砂轮，跟金属结合剂砂轮相比，其胎体脆性大，消耗较快，且对金刚石的把持力不足，所以磨削效率较低，使用寿命短，并不适合于蓝宝石晶片的减薄。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种金属结合剂。
本发明的目的之二在于提供一种采用上述金属结合剂制备的金刚石砂轮刀头及其制造方法。
本发明的目的之三在于提供一种包含上述刀头的金刚石砂轮及其制造方法。该金属结合剂金刚石砂轮适用于磨削厚度在100-700um之间的蓝宝石晶片，减薄后的晶片表面质量较好，没有明显划痕、暗裂，磨削效率高，并且具有较长的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属结合剂，按重量百分比包括如下组分：铜锡预合金粉末95％-99％，石墨粉0.5％-3％，纳米α-Al2O3 0.5％-2％。
所述铜锡预合金粉末也可以称为金属胎体，所述石墨粉和纳米α-Al2O3统称为辅助填料。上述组分选择的理由如下：
铜锡合金由于脆性较好，烧结性和成形性好，因而适于做金刚石砂轮胎体的主要成分，在磨削时有“沙”的感觉，不会把金刚石糊住或糊住被加工物表面。
石墨粉作为辅助填料添加在胎体中，在适当控制烧结温度下，几乎不能与金属实现合金化，但有助于提高胎体的脆性和自锐性，且石墨的自润滑性有助于在减薄蓝宝石晶片时减少划痕的产生。本发明中，石墨粉重量百分数控制为0.5％-3％即可，含量过高会明显降低胎体的强度，使砂轮消耗过快，含量过低则起不到效果。
纳米α-Al2O3的添加，能对胎体起到弥散强化作用，且其仅次于金刚石的硬度，对提高胎体的耐磨性和砂轮的使用寿命有明显作用。本发明提供的金属结合剂中所添加的纳米α-Al2O3的重量百分数控制为0.5％-2％，由于纳米α-Al2O3的粒度极细，过量的纳米α-Al2O3容易团聚，反而会降低胎体的强度；添加过少的话则起不到弥散强化的作用。
上述金属结合剂中，作为一种优选实施方式，所述铜锡预合金粉末按重量百分比由如下成分组成：锡40％-55％，余量为铜。铜锡预合金粉末中，锡含量过高或过低都会对砂轮性能产生明显影响：锡含量过高，胎体太脆，砂轮消耗过快，金刚石未充分使用便脱落；锡含量过低，胎体韧性大，金刚石不能及时出露，影响砂轮的自锐性及锋利度。
更优选地，所述铜锡预合金粉末的粒径为20-50μm(比如22μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、47μm、49μm)，此粒径接近后来加入的金刚石的粒径，在上述金属结合剂和金刚石进行混料时能使金刚石更均匀地分布于胎体粉末中。
进一步优选地，所述铜锡预合金粉末由雾化法制备得到；相比于单质简单地混合而得到的混合粉末，铜锡预合金粉末的成分均匀，烧结工艺稳定，合金化程度较好，从而提高胎体的性能，即使胎体的锋利度和寿命等性能更稳定，从而助于保证砂轮质量的稳定性。
上述金属结合剂，作为一种优选实施方式，所述石墨粉的粒径为20-70μm(比如22μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、65μm、67μm、69μm)。
一种金刚石砂轮的刀头，包括：上述金属结合剂和金刚石。
在上述金刚石砂轮刀头中，作为一种优选实施方式，按400％浓度制计算，所述金刚石的浓度为40％-60％，该浓度是金刚石相对于所有物料的浓度，换言之，该浓度是金刚石相对于金属结合剂和金刚石的总加入量的浓度。所述400％浓度是在刀头中每立方厘米含金刚石17.56克拉，而100％浓度则表示在刀头中每立方厘米含金刚石4.39克拉，所以40％-60％浓度表示在刀头中每立方厘米含金刚石1.76-2.63克拉；更优选地，所述金刚石的粒径为20-30μm(比如21μm、22μm、24μm、26μm、28μm、29μm)，该粒径接近上述金属结合剂中铜锡预合金粉末的粒径，因此在进行混料时能使金刚石更均匀地分布于胎体粉末中。
在上述金刚石砂轮刀头中，作为一种优选实施方式，所述刀头整体上为弧状块体，且两个相对的长侧面为相互平行的弧面，圆弧半径优选为45-55mm，圆弧半径过小则在刀头压型过程中容易开裂，增加制作难度，半径过大则起不到有效排出研磨液的效果；更优选地，刀头长度即刀头两端的直线距离为30-40mm，高度为10-13mm，厚度为2.5-4mm；进一步优选地，所述刀头的两端即刀头的四个端角为圆弧角，圆弧半径优选为2-3mm。本发明提供的刀头具有弧状整体结构及四个端角的圆弧角，该形状不仅有助于冷却液的排出，也助于减少磨削时对晶片的应力，从而避免裂痕的产生。
一种上述金刚石砂轮刀头的制造方法，按照上述配比取铜锡预合金粉末、石墨粉、纳米α-Al2O3和金刚石，依次经配料混料、制粒、压型、烧结、后处理工序，最终得到所述刀头。该制造方法的工序相对于陶瓷基砂轮制作工序完全不同，较之于常见金属基砂轮，其烧结温度明显较低，修磨精度要求更高。
在上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述配料混料工序中，将称取的所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3混合，加入湿润剂，然后进行第一次混料处理，待混料均匀后加入称取的金刚石，进行第二次混料处理，得到混合料。本发明中分两次混料有助于让铜锡预合金粉末、辅助填料和金刚石的混合更均匀。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述配料混料工序中，所述第一次混料处理的时间为40-80min(比如42min、45min、50min、60min、70min、75min、78min)，所述第二次混料处理的时间为20-40min(比如22min、25min、30min、35min、38min)；更优选地，所述第一次混料处理和所述第二次混料处理都在三维混料机中进行。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述配料混料工序中，所述湿润剂为甘油酒精溶液，所述甘油酒精溶液中甘油和酒精的体积比为1:4，所述甘油酒精溶液的加入量为所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3总质量的2％。润湿剂也可以是其它溶液，只要助于混料均匀且对性能无影响即可。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述配料混料工序中，所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3混合后进行过筛，取筛下物；优选地，所述过筛为过80目筛；是在实际操作中过80目筛是为了防止有粗颗粒金刚石或杂质混入，因此如果能严格限制原料的粒径，也可将该过筛步骤去掉；此外过筛不会影响成分配比，因为筛孔相对于原材料粒径足够大。
上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述制粒工序中，往所述混合料中添加液体制粒剂，混合均匀并固化后，第一次过筛，取筛下物烘干后进行第二次过筛，得到颗粒物料；优选地，所述第一次过筛为过30目筛，所述第二次过筛为同时过20目和60目组合筛；更优选地，所述烘干的温度为80-100℃(比如82℃、85℃、88℃、92℃、95℃、98℃)，烘干时间为30-60min(比如32min、35min、40min、50min、55min、58min)。液体制粒剂的添加可以增强粉末的成型性；将烘干后的颗粒同时过20目和60目组合筛，取20目筛下物及60目筛上物即可得到粒径为0.2-1mm(比如0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm)的近球形颗粒，这种形状有助于增加粉料的流动性，以实现均匀布料；另外，通过过20目和60目组合筛，粉末粒度更加接近，有助于提高刀头密度的均匀性。所述液体制粒剂是制粒过程中添加的一种有机溶液，为白色颗粒在异丙醇和乙二醇中的溶液，常见的有KC-1700P、GB-600、WS-120等；进一步优选地，所述液体制粒剂的添加量为90-150ml/kg(比如92ml/kg、95ml/kg、100ml/kg、110ml/kg、120ml/kg、130ml/kg、140ml/kg、145ml/kg、148ml/kg)，即每千克所述混合料中添加所述液体制粒剂的体积为90-150ml。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述压型工序中，采用四柱液压机加压、钢模装料的方式，具体为：在钢模上接触粉料的地方涂抹一层立方氮化硼，采用匀速填料、刮平的方式填料，在刀头高度方向进行压制，得到刀头压坯；更优选地，所述压制的压力为100-500kgf/cm2(比如120kgf/cm2、150kgf/cm2、180kgf/cm2、220kgf/cm2、260kgf/cm2、300kgf/cm2、350kgf/cm2、380kgf/cm2、420kgf/cm2、450kgf/cm2、480kgf/cm2)，压制时间为5-10s(比如6s、7s、8s、9s)；所述刀头压坯的高度为最终高度(即经烧结工序后得到的刀头的高度)的1.5-1.7倍。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述烧结工序中，对所述刀头压坯进行热压烧结处理，然后随炉冷却，得到刀头烧结坯；优选地，所述热压烧结处理在还原性气氛下进行，在还原性气氛中更有助于粉末脱氧，得到的产品性能更佳；更优选地，在氢气气氛下进行，所述氢气的流量为0.2-0.6m3/h(比如0.3m3/h、0.4m3/h、0.5m3/h)；进一步优选地，所述热压烧结处理分为两段进行：第一阶段，升温至400-420℃(比如402℃、405℃、408℃、412℃、415℃、418℃)，保温5-10min(比如6min、7min、8min、9min)，在升温和保温过程中压力保持恒定，所述压力为30-80kgf/cm2(比如32kgf/cm2、35kgf/cm2、40kgf/cm2、50kgf/cm2、60kgf/cm2、70kgf/cm2、75kgf/cm2)；第二阶段，继续升温至500-580℃(比如505℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃)，保温时间为30-50min(比如31min、32min、35min、38min、42min、45min、47min、49min)，在升温过程中压力保持恒定，所述压力为60-170kgf/cm2(比如65kgf/cm2、70kgf/cm2、80kgf/cm2、100kgf/cm2、120kgf/cm2、140kgf/cm2、150kgf/cm2、160kgf/cm2、165kgf/cm2)，在保温过程中保压压力为100-250kgf/cm2(比如105kgf/cm2、110kgf/cm2、120kgf/cm2、150kgf/cm2、180kgf/cm2、220kgf/cm2、240kgf/cm2、245kgf/cm2)；所述第一阶段和所述第二阶段的升温速率为5-10℃/min(比如6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min)。由于金属胎体中低熔点金属锡的含量较高，很容易流损析出，所以升温速度不能过快。所添加的液体制粒剂在370℃开始气化，在400℃基本可以排除干净。所以设定在400-420℃时保温5-10min，此时粉末的致密化过程较快，烧结颈不断长大，孔隙逐渐缩小甚至消失，气化的制粒剂和空气一并排除。根据金属胎体中锡含量的不同，烧结温度在500-580℃范围内浮动，保温30-50min，可以保证胎体充分合金化且不会因保温时间过长导致晶粒长大。
上述金刚石砂轮刀头的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述后处理工序为将所述刀头烧结坯进行去毛刺、喷砂处理并用酒精清理干净，最终得到所述刀头。
一种金刚石砂轮，包括：多个上述刀头；以及基体，多个所述刀头沿圆周方向等间距排列设置于基体上，且所述刀头的弧面垂直于所述基体。
上述金刚石砂轮中，作为一种优选实施方式，所述刀头的数量为20-28个。
上述金刚石砂轮中，作为一种优选实施方式，所述基体的上表面上设置多个与所述刀头相匹配的凹槽，用于固定所述刀头；所述刀头垂直固定于所述凹槽中；更优选地，所述凹槽的深度为0.5mm-1mm。
上述金刚石砂轮中，作为一种优选实施方式，所述刀头与所述基体的结合方式为粘结结合。
金刚石砂轮的基体可以是现有砂轮基体，具体地，其是根据使用设备、安装要求确定的，包括外径、内孔尺寸精度及安装孔的位置等，不同的使用设备对砂轮基体的具体要求不同，但砂轮的整体结构仍比较接近。上述金刚石砂轮中，作为一种优选实施方式，所述基体为环状结构，所述基体的外径为240-280mm，内孔的直径为90-100mm；优选地所述基体为铝合金基体。
上述金刚石砂轮的制造方法，包括如下步骤：
粘接步骤，首先将调制好的胶涂抹于所述基体的凹槽内，其次将所述刀头垂直固定于所述凹槽中，然后进行加载固化处理，得到砂轮半成品；
修磨步骤，对所述砂轮半成品进行磨平开刃处理，最终得到所述金刚石砂轮。
上述金刚石砂轮的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述胶为AB胶，所述加载固化处理具体为加2-4kg负载固化18-24h。
上述金刚石砂轮的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述磨平开刃处理在平面磨床上进行，所述平面磨床的平面精度为2μm以内。修磨精度如下：砂轮平面度公差要求是±0.01mm，刀头长度公差±0.5mm，刀头宽度公差±0.3mm，刀头高度公差0～1.0mm，砂轮孔径H6等级，动平衡G1.0等级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于蓝宝石晶片在磨削过程中对刀头胎体的磨蚀性较小，金刚石不容易出刃，随着金刚石的切削刃不断磨平，磨削效率很容易降低。因而本发明中采用主要成分为铜锡预合金粉末的金属结合剂(金属胎体)，在金属胎体中添加了较多锡元素，锡的存在有助于提高金属结合剂的脆性，使得金属胎体能和金刚石匹配磨损，从而让金刚石在磨削过程中及时出露，并且锡对金刚石的润湿性较好，能提高对金刚石的把持力，使金刚石不会过早脱落，从而提高砂轮的锋利度；石墨的添加不仅能提高刀头的自锐性，让金刚石出露充分，而且在磨削过程中能起到良好的润滑作用；纳米α-Al2O3均匀分布在结合剂中，起到弥散强化作用，并且α-Al2O3本身具有仅次于金刚石的硬度，所以对提高材料的耐磨性有明显帮助，有助于提高减薄砂轮的使用寿命。石墨粉和纳米α-Al2O3的添加数量应该根据具体磨削要求适度搭配。
(2)采用本发明提供的工艺制备的砂轮刀头成分均匀，致密度好，金刚石分布均匀，金属结合剂对金刚石的把持效果好。
(3)本发明提供的砂轮中，刀头的形状结构有助于减轻对薄晶片的应力作用，从而避免因此产生的裂纹及划伤；刀头粘接在凹槽中，增加了刀头与基体的粘接面，卡固更加牢固，防止磨削过程中刀头松动、掉落。
(4)本发明提供的金属结合剂金刚石砂轮，具有磨削工件表面质量好，没有暗裂、划痕，磨削锋利、使用寿命长(金刚石砂轮使用寿命通过每片砂轮可以磨削的晶片数量反映，详见表1中的数据)，便于规模化生产等优点，特别适用于减薄厚度在100-700μm之间的蓝宝石晶片的生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的砂轮整体结构图；其中，1-刀头，2-基体；
图2为本发明实施例中开刃后的砂轮刀头的平面形貌图。
具体实施方式
以下将通过实施例结合附图对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述实施例。
实施例中未注明具体实验步骤或条件的，按照本领域内的文献所描述的常规步骤的操作或条件即可进行。实施例中使用的各种试剂和原料均为市售产品。
实施例1
本实施例中使用的金属结合剂的组分和配比如下：粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn40，其中Sn的重量百分比为40wt％，其余为Cu)96.5wt％，粒径为20-70μm的石墨粉3wt％，纳米α-Al2O3 0.5wt％。
(1)配料混料：按上述重量百分比，取96.5％粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn40，其中Sn的重量百分比为40％，其余为Cu)，3％粒径为20-70μm的石墨粉，以及0.5％的纳米α-Al2O3配在一起，过80目筛，取筛下物，加入占CuSn40、石墨粉和纳米α-Al2O3的总质量2％的甘油酒精溶液(甘油、酒精比例为1:4)，并放到三维混料机中混料1小时。然后加入浓度为50％(按400％浓度制)粒径为20-30μm的金刚石，再混30分钟即可，得到混合料。
(2)制粒：往步骤(1)得到的混合料中添加液体制粒剂(KC-1007P制粒剂，与混合料的用量比为100ml/kg)，混合均匀并固化后(混合时间为10分钟，固化温度为室温，固化时间为15分钟)，过30目筛，取筛下物放入烘箱中烘干，其中烘箱温度为90℃，烘干时间为30分钟。将烘干后的颗粒同时过20目和60目组合筛，取20目筛下及60目筛上颗粒即可得到颗粒物料，即粒径为0.2-1mm的近球形颗粒。
(3)压型：压型采用四柱液压机加压、钢模装料的方式。在钢模内壁接触粉料的地方涂抹一层立方氮化硼，采用匀速填料、刮平的方式填料。在刀头高度方向进行压制，压制压力为450kgf/cm2，压制时间为5s，得到的刀头压坯尺寸为18mm×4mm×40mm(高度×厚度×长度)。
(4)烧结：烧结过程在氢气还原炉中采用加热加压的方式完成，通氢气还原气氛，氢气流量为0.4m3/h；热压烧结分为两段进行：首先，升温至400℃，保温8分钟，在升温和保温过程中压力保持为80kgf/cm2；然后，继续升温至570℃，保温30min，在升温过程中压力保持为170kgf/cm2，在保温过程中保压压力为250kgf/cm2，两个阶段的升温速率为10℃/min；冷却过程为随炉冷却；得到刀头烧结坯。将刀头烧结坯进行去毛刺、喷砂处理并用酒精清理干净，最终得到刀头。刀头尺寸为11mm×4mm×40mm(高度×厚度×长度)，刀头圆弧半径为50mm，两端圆弧半径为2.5mm。
(5)粘接：刀头和铝合金基体的结合方式为粘结结合。其中基体外径为255mm，内孔为95mm，刀头数量为26个。将AB胶涂抹于基体上的凹槽内，刀头垂直固定其中，并加2kg负载固化24小时，得到砂轮半成品。
(6)修磨：将步骤(5)得到的砂轮半成品在平面磨床上进行磨平开刃处理，最终得到所述金属结合剂金刚石砂轮。平面磨床所用的砂轮为230-270目棕刚玉砂轮，磨床的平面精度为2μm以内，最终达到修平的效果，并且能看到金刚石有明显出刃效果。
实施例2
本实施例中使用的金属结合剂的组分和配比如下：粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn45，其中Sn的重量百分比为45％，其余为Cu)98wt％，粒径为20-70μm的石墨粉1wt％，纳米α-Al2O3 1wt％。
(1)配料混料：按上述重量百分比，取98％粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn45，其中Sn的重量百分比为45％，其余为Cu)，1％粒径为20-70μm的石墨粉，以及1％的纳米α-Al2O3配在一起，过80目筛，取筛下物，加入占CuSn40、石墨粉和纳米α-Al2O3的总质量2％的甘油酒精溶液(甘油、酒精比例为1:4)，并放到三维混料机中混料1小时。然后加入浓度为45％(按400％浓度制)粒径为20-30μm的金刚石，再混30分钟即可，得到混合料。
(2)制粒：往步骤(1)得到的混合料中添加液体制粒剂(KC-1007P制粒剂，与混合料的用量比为100ml/kg)，混合均匀并固化后(混合时间为10分钟，固化温度为室温，固化时间为15分钟)，过30目筛，取筛下物放入烘箱中烘干，其中烘箱温度为90℃，烘干时间为30分钟。将烘干后的颗粒同时过20目和60目组合筛，取20目筛下及60目筛上颗粒即可得到颗粒物料，即粒径为0.2-1mm的近球形颗粒。
(3)压型：压型采用四柱液压机加压、钢模装料的方式。在钢模内壁接触粉料的地方涂抹一层立方氮化硼，采用匀速填料、刮平的方式填料。在刀头高度方向进行压制，压制压力为300kgf/cm2，压制时间为8s，得到的刀头压坯尺寸为19mm×3.5mm×35mm(高度×厚度×长度)。
(4)烧结：烧结过程在氢气还原炉中采用加热加压的方式完成，通氢气还原气氛，氢气流量为0.4m3/h；热压烧结分为两段进行：首先，升温至400℃，保温8分钟，在升温和保温过程中压力保持为80kgf/cm2；然后，继续升温至530℃，保温时间为30min，在升温过程中压力保持为110kgf/cm2，在保温过程中保压压力为150kgf/cm2，两个阶段的升温速率为10℃/min；冷却过程为随炉冷却；得到刀头烧结坯。将刀头烧结坯进行去毛刺、喷砂处理并用酒精清理干净，最终得到刀头。刀头尺寸为12mm×3.5mm×35mm(高度×厚度×长度)，刀头圆弧半径为55mm，两端圆弧半径为3mm。
(5)粘接：所述的减薄砂轮的刀头和铝合金基体的结合方式为粘结结合。其中基体外径为255mm，内孔为95mm，刀头数量为20个。将AB胶涂抹于基体上的凹槽内，刀头垂直固定其中，并加2kg负载固化24小时，得到砂轮半成品。
(6)修磨：将步骤(5)得到的砂轮半成品在平面磨床上进行磨平开刃处理，最终得到所述金属结合剂金刚石砂轮。平面磨床所用的砂轮为230-270目棕刚玉砂轮，磨床的平面精度为2μm以内，最终达到修平的效果，并且能看到金刚石有明显出刃效果。
实施例3
本实施例中使用的金属结合剂的组分和配比如下：粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn50，其中Sn的重量百分比为50％，其余为Cu)97.5wt％，粒径为20-70μm的石墨粉0.5wt％，纳米α-Al2O3 2wt％。
(1)配料混料：按上述重量百分比，取97.5％粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn50，其中Sn的重量百分比为50％，其余为Cu)，0.5％粒径为20-70μm的石墨粉，以及2％的纳米α-Al2O3配在一起，过80目筛，取筛下物，加入占CuSn40、石墨粉和纳米α-Al2O3的总质量2％的甘油酒精溶液(甘油、酒精比例为1:4)，并放到三维混料机中混料1小时。然后加入浓度为40％(按400％浓度制)粒径为20-30μm的金刚石，再混30分钟即可，得到混合料。
(2)制粒：往步骤(1)得到的混合料中添加液体制粒剂(KC-1007P制粒剂，与混合料的用量比为100ml/kg)，混合均匀并固化后(混合时间为10分钟，固化温度为室温，固化时间为15分钟)，过30目筛，取筛下物放入烘箱中烘干，其中烘箱温度为90℃，烘干时间为30分钟。将烘干后的颗粒同时过20目和60目组合筛，取20目筛下及60目筛上颗粒即可得到颗粒物料，即粒径为0.2-1mm的近球形颗粒。
(3)压型：压型采用四柱液压机加压、钢模装料的方式。在钢模内壁接触粉料的地方涂抹一层立方氮化硼，采用匀速填料、刮平的方式填料。在刀头高度方向进行压制，压制压力为250kgf/cm2，压制时间为10s，得到的刀头压坯尺寸为21mm×2.5mm×30mm(高度×厚度×长度)。
(4)烧结：烧结过程在氢气还原炉中采用加热加压的方式完成，通氢气还原气氛，氢气流量为0.4m3/h；热压烧结分为两段进行：首先，升温至400℃，保温8分钟，在升温和保温过程中压力保持为35kgf/cm2；然后，继续升温至500℃，保温时间为30min，在升温过程中压力保持为100kgf/cm2，在保温过程中保压压力为180kgf/cm2，两个阶段的升温速率为5℃/min；冷却过程为随炉冷却；得到刀头烧结坯。将刀头烧结坯进行去毛刺、喷砂处理并用酒精清理干净，最终得到刀头。刀头尺寸为13mm×2.5mm×30mm(高度×厚度×长度)，刀头圆弧半径为55mm，两端圆弧半径为3mm。
(5)粘接：所述的减薄砂轮的刀头和铝合金基体的结合方式为粘结结合。其中基体外径为255mm，内孔为95mm，刀头数量为24个。将AB胶涂抹于集体上的凹槽内，刀头垂直固定其中，并加2kg负载固化24小时，得到砂轮半成品。
(6)修磨：将步骤(5)得到的砂轮半成品在平面磨床上进行磨平开刃处理，最终得到所述金属结合剂金刚石砂轮。平面磨床所用的砂轮为230-270目棕刚玉砂轮，磨床的平面精度为2μm以内，最终达到修平的效果，并且能看到金刚石有明显出刃效果。
实施例4
除金属结合剂的组分配比不同于实施例1以外，其他的砂轮制备工艺与实施例1相同。本实施例金属结合剂的配比和组分如下：粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn50，其中Sn的重量百分比为55％，其余为Cu)95wt％，粒径为20-70μm的石墨粉3wt％，纳米α-Al2O32wt％。
该实施例得到的砂轮能看到金刚石有明显出刃效果，采用该砂轮将一批600μm的蓝宝石磨削减薄至100μm，磨削工件(即磨削后的蓝宝石)表面质量好，没有暗裂、划痕，砂轮磨削锋利、使用寿命长。
实施例5
除金刚石加入量不同于实施例1以外，其他的砂轮制备工艺与实施例1相同。本实施例金刚石加入量为60％(按400％浓度制)。
该实施例得到的砂轮能看到金刚石有明显出刃效果，采用该砂轮将一批600μm的蓝宝石磨削减薄至100μm，磨削工件(即磨削后的蓝宝石)表面质量好，没有暗裂、划痕，砂轮磨削锋利、使用寿命长。
对比例1
除金属结合剂的组分配比不同于实施例1以外，其他的砂轮制备工艺与实施例1相同。本实施例金属结合剂的配比和组分如下：粒径为20-50μm的铜锡预合金粉末(CuSn50，其中Sn的重量百分比为55％，其余为Cu)90wt％，粒径为20-70μm的石墨粉5wt％，纳米α-Al2O35wt％。从表1可以看出，砂轮轴负载值很接近警告值，该值再稍高时，设备便报警不能使用，也反应了砂轮的锋利度一般，从寿命来看，所磨削晶片数量明显较低，且晶片存在暗裂或划痕，所磨削晶片质量不合格。
对比例2
将实施例1中铜锡预合金粉末(CuSn40，其中Sn的重量百分比为40％，其余为Cu)替换为铜粉与锡粉(其中，锡粉为铜粉与锡粉总质量的40％，其余为铜粉)，其它条件与实施例1相同，制备得到金刚石砂轮刀头及金属结合剂金刚石砂轮。使用单质混合粉末的刀头，在烧结时单质Sn流损严重，使用该刀头制备的砂轮上机后，砂轮轴负载值高于警报值，以至于无法上机使用。
试验例
本发明对以上实施例及对比例制备得到的金刚石砂轮性能进行测试，结果参见表1。
表1实施例及对比例金刚石砂轮性能测试结果
以上数据是在减薄机上使用上述实施例和对比例制备的金刚石砂轮减薄蓝宝石晶片(即将一批600μm的蓝宝石磨削减薄至100μm)的结果。在该设备使用过程中，首先要保证砂轮轴负载<29N·M，不然设备会报警。砂轮轴负载也能反映磨削过程是否顺畅，可以反映砂轮的锋利度。负载值越小，说明磨削越顺畅，砂轮锋利度越好，反之，则锋利度比较差。磨耗比是所磨削晶片的厚度消耗值和砂轮刀头厚度的消耗值的比值，反映了砂轮的使用寿命。磨耗比越高，则相同刀头高度的砂轮磨削的晶片数量越多，即砂轮的寿命越长，反之，则寿命较短。晶片厚度差反映了所磨削工件的厚度均匀性，对晶片的厚度差要求是≤10μm合格。另外，通过观察，可以看晶片表面是否有暗裂或划痕，若有，则为不合格晶片。从表1可以看出，本发明提供的砂轮具有磨削工件表面质量好，没有暗裂、划痕，磨削锋利、使用寿命长，便于规模化生产等优点。
本发明上述实施例制造的金属结合剂金刚石砂轮的整体结构，如图1所示；砂轮包括基体2和若干刀头1，基体2优选为环状结构(即底部带中孔的杯形结构)，材质为铝合金，基体2上刻有若干凹槽，凹槽均匀分布于基体2上，对于带中孔(即内孔)的杯形结构的基体而言，杯壁的上端面上设置若干凹槽；刀头1为弧形刀头，刀头的两端为圆弧角，刀头1通过粘结的方式垂直固定于凹槽中且刀头1的弧面竖直向下垂直于基体，因此凹槽的形状、数量与刀头1的形状、数量相匹配，刀头1在基体2上沿圆周方向等间距排列。上述砂轮中刀头的形状结构有助于减轻对蓝宝石薄晶片的应力作用，从而避免因此产生的裂纹及划伤；刀头粘接在凹槽中，增加了刀头与基体的粘接面，卡固更加牢固，防止磨削过程中刀头松动、掉落。图2为本发明实施例中开刃后的砂轮刀头的平面形貌图，图中黑色蝌蚪状为金刚石出刃情况，蝌蚪状越明显，说明金刚石的出刃效果越好，胎体的把持力越强，金刚石的磨削能力越强，且金刚石能充分使用，对提高砂轮的锋利度、使用寿命效果明显，从该图中可以看出本发明提供的砂轮的刀头中金刚石有明显出刃效果；另外还可以从图中可以看出，金刚石在胎体中分布均匀，有助于保证所磨削晶片厚度均匀度。
Claims (30)
1.一种金属结合剂，其特征在于，按重量百分比包括如下组分：铜锡预合金粉末95％-99％，石墨粉0.5％-3％，纳米α-Al2O3 0.5％-2％；其中，所述铜锡预合金粉末按重量百分比由如下成分组成：锡40％-50％，余量为铜；所述铜锡预合金粉末的粒径为20-50μm；所述石墨粉的粒径为20-70μm。
2.一种金刚石砂轮的刀头，其特征在于，所述刀头包括：权利要求1所述金属结合剂和金刚石。
3.根据权利要求2所述的刀头，其特征在于，按400％浓度制计算，所述金刚石的浓度为40％-60％。
4.根据权利要求3所述的刀头，其特征在于，所述金刚石的粒径为20-30μm。
5.根据权利要求3或4所述的刀头，其特征在于，所述刀头整体上为弧状块体，且两个相对的长侧面为相互平行的弧面，圆弧半径为45-55mm。
6.根据权利要求5所述的刀头，其特征在于，刀头长度即刀头两端的直线距离为30-40mm，高度为10-13mm，厚度为2.5-4mm。
7.根据权利要求5所述的刀头，其特征在于，所述刀头的四个端角为圆弧角，圆弧半径为2-3mm。
8.一种权利要求2-7中任一项所述刀头的制造方法，其特征在于，按照上述配比取铜锡预合金粉末、石墨粉、纳米α-Al2O3和金刚石，依次经配料混料、制粒、压型、烧结、后处理工序，最终得到所述刀头；
所述烧结工序中，在还原性气氛下，对所述刀头压坯进行热压烧结处理，然后随炉冷却，得到刀头烧结坯；所述热压烧结处理分为两段进行：第一阶段，升温至400-420℃，保温5-10min，在升温和保温过程中压力保持恒定，所述压力为30-80kgf/cm2；第二阶段，继续升温至500-580℃，保温时间为30-50min，在升温过程中压力保持恒定，所述压力为60-170kgf/cm2，在保温过程中保压压力为100-250kgf/cm2；所述第一阶段和所述第二阶段的升温速率为5-10℃/min。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述配料混料工序中，将称取的所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3混合，加入湿润剂，然后进行第一次混料处理，待混料均匀后加入称取的金刚石，进行第二次混料处理，得到混合料。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一次混料处理的时间为40-80min，所述第二次混料处理的时间为20-40min。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述第一次混料处理和所述第二次混料处理都在三维混料机中进行。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述湿润剂为甘油酒精溶液，所述甘油酒精溶液中甘油和酒精的体积比为1:4，所述甘油酒精溶液的加入量为所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3总质量的2％。
13.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述铜锡预合金粉末、石墨粉和纳米α-Al2O3混合后进行过筛，取筛下物。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述过筛为过80目筛。
15.根据权利要求8-14中任一项所述制造方法，其特征在于，
所述制粒工序中，往所述混合料中添加液体制粒剂，混合均匀并固化后，第一次过筛，取筛下物烘干后进行第二次过筛，得到颗粒物料；所述压型工序中，采用四柱液压机加压、钢模装料的方式，具体为：在钢模上接触粉料的地方涂抹一层立方氮化硼，采用匀速填料、刮平的方式填料，在刀头高度方向进行压制，得到刀头压坯。
16.根据权利要求15所述制造方法，其特征在于，所述第一次过筛为过30目筛，所述第二次过筛为同时过20目和60目组合筛。
17.根据权利要求15所述制造方法，其特征在于，所述烘干的温度为80-100℃，烘干时间为30-60min。
18.根据权利要求15所述制造方法，其特征在于，所述液体制粒剂的添加量为90-150ml/kg。
19.根据权利要求15所述制造方法，其特征在于，所述压制的压力为100-500kgf/cm2，压制时间为5-10s；所述刀头压坯的高度为最终高度的1.5-1.7倍。
20.根据权利要求8所述制造方法，其特征在于，所述热压烧结处理在氢气气氛下进行，所述氢气的流量为0.2-0.6m3/h。
21.一种金刚石砂轮，其特征在于，包括：多个如权利要求2-7中任一项所述刀头，以及基体；多个所述刀头沿圆周方向等间距排列设置于基体上，且所述刀头的弧面垂直于所述基体。
22.根据权利要求21所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述基体的上表面上设置多个与所述刀头相匹配的凹槽，用于固定所述刀头；所述刀头垂直固定于所述凹槽中。
23.根据权利要求22所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述凹槽的深度为0.5mm-1mm。
24.根据权利要求23所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述刀头与所述基体的结合方式为粘结结合。
25.根据权利要求24所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述刀头的数量为20-28个。
26.根据权利要求25所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述基体为环状结构，所述基体的外径为240-280mm，内孔的直径为90-100mm。
27.根据权利要求26所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述基体为铝合金基体。
28.根据权利要求24-27中任一项所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
粘接步骤，首先将调制好的胶涂抹于所述基体的凹槽内，其次将所述刀头垂直固定于所述凹槽中，然后进行加载固化处理，得到砂轮半成品；
修磨步骤，对所述砂轮半成品进行磨平开刃处理，最终得到所述金刚石砂轮。
29.根据权利要求28所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，所述胶为AB胶，所述加载固化处理具体为加2-4kg负载固化18-24h。
30.根据权利要求28或29所述金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，所述磨平开刃处理在平面磨床上进行，所述平面磨床的平面精度为2μm以内。
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