CN109175378A - 一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀及其制造方法，该特种金属划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、致密微弧氧化膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，致密微弧氧化层固定生长在铝合金复合材料表面。本发明表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长。

Description

一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种材料领域，尤其涉及一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀及其制造方法。
背景技术
硅圆片切片工艺过程中多应用内圆切割技术，该技术于二十世纪七十年代末发展成熟。随着硅圆片直径的增大，内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大，刀片张紧力也相应增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗加大。这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率，降低生产成本受到制约。加之当时内圆刀具制作上的困难，基于这种情况，国际上又发展了一种多线切割(后简称线切割)技术工艺方法。众所周知，随着硅圆片直径的增大，内圆切割技术的缺点使硅片表面的损伤层加大(约为30～40微米)。线切割技术优点是效率高(大约为内圆切割技术的6-8倍。在8小时左右切割过程中一次可切出400圆片左右)。切口小，硅棒切口损耗小(约为内圆切割技术的60％，这相当于内圆切片机切割6片圆片而节约出1块圆片)，切割的硅片表面损伤层较浅(约为10～15微米)，片子质量人为因素少。
但线切割技术同内圆切割技术相比有其明显的弱点，一是片厚平均误差较大(约为内圆切割技术2倍)。二是切割过程中智能检测控制不易实现。三是切割过程的成功率要求较高，风险大，一但断丝而不可挽救时，直接浪费一根单晶棒。四是不能实现单片质量控制，一次切割完成后，才能检测一批圆片的切割质量，并且圆片之间切割质量也不相同。在这些方面，内圆切割技术却显示出其优越性来。具体表现在：(1)切片精度高。(2)切片成本低，同规格级的内圆切片机价格为线切割机价格1/3-1/4，线切割机还需配置专用粘料机。(3)每片都可调整。(4)小批量多规格加工时灵活的加工可调性(5)自动、单片方式切换操作方便性。(6)低成本的辅料(线切割机磨料及磨料液要定时更换)。(7)不同片厚所需较小的调整时间。(8)不同棒径所需较小的调整时间。(9)修刀、装刀方便。因此作为成熟工艺技术的内圆切割技术在大直径化发展方向上并没有失掉其有利的地位，并随着IC器件大片径化发展同时其技术不断创新。
根据实践经验，我们认为：生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。
现有技术中的切片刀由于其尺寸和结合力、强度和呈现矛盾状态，目前市场上仍没有一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的切割半导体的切片刀。
因此市场上急需一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的消防用特种金属划片刀。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的消防用特种金属划片刀。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀，该特种金属划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、致密微弧氧化膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，致密微弧氧化层固定生长在铝合金复合材料表面；
该特种金属划片刀的制造方法包括以下步骤：
1)韧性陶瓷骨架的制造
①按重量份数准备碳化硅晶须8份-10份、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉50份-60份、氟化钾粉末1份-1.5份、硅化钼3-5份、正硅酸乙脂6份-8份、无水乙醇3份-5份、纯净水3份-5份、热塑性酚醛树脂1.5份-2.5份；
②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与特种金属划片刀外形尺寸相适应、具有30mm-50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃-850℃、真空度1×10- 3Pa-1×10-5Pa的环境下，保温5h-8h，获得网格状预制毛坯；
③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2-3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升温速率升温至1600℃-1700℃，保温时间4h-7h；
④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；
2)铝合金复合材料的制造
①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉10份-12份、聚乙烯醇20份-25份；
②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-1Pa-1×10-3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm-0.15mm，获得预制心部骨架；
③将步骤②获得的预制心部骨架置于与特种金属划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A75铝合金微粉、碳粉和聚乙烯醇的均匀混合物，获得待二次烧结模具；
④将步骤③获得的待二次烧结模具置于700℃-705℃、真空度1×10-2Pa-1×10- 3Pa的环境下，保温2h-3h，获得二次预制毛坯；
⑤将步骤④获得的二次预制毛坯在炉温T不低于500℃时随炉冷却；炉温T处于500℃≤T＜200℃半开炉门冷却；炉温T＜200℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料；
3)特种金属划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V-500V输出电压、25A-30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7∶2∶1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8％-10％的溶液；
②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃-45℃的处理温度、70min-75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需特种金属划片刀。
与现有技术相比较，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)不同于现有技术通过刀片框架与刀刃对应的位置固定设置混合在一起的金刚石粉末和陶瓷粉末以缓和不同大小金刚石颗粒间的刀刃的露出度，使得金刚石颗粒的刃口在刀片同一水平线在露出度一致，同时起到研磨作用，消除晶体本身的在被切割时产生的应力，从而达到更好的切割品质的技术方法，本发明直接抛弃采用金刚石的技术方案，根据半导体的硬度(单晶硅莫氏硬度6.5，约合980HV-1000HV；砷化镓努普硬度750，约合700HV-720HV；锗莫氏硬度6.5，约合800HV-820HV)，选用高结合力韧化材料进行表面硬化处理，由于没有用到金刚石等高成本材料，因此经济性好。(2)根据切削硬度匹配性，表面硬度不低于2600HV的本发明用于切割整体硬度700HV-1000HV的半导体材料时切削效率高、生热低，不容易导致昂贵的半导体材料烧伤和由于晶格转变而损毁。(3)骨架采用韧化后网格化的疏孔陶瓷(疏孔是由于原材料中含有较大量的正硅酸乙脂、无水乙醇、纯净水和热塑性酚醛树脂，在高真空环境下烧结时自然产生)，自结合力好、抗拉伸抗挤压能力差，具有一定的抗冲击能力，再结合在真空环境下通过超音速火焰喷涂附于表面的7A75铝合金，大大增加了骨架的受力缓冲纵深，同时为力作用时的滑移提供了余地，因此心部韧性好、抗裂。(4)所有心部材料均是高温烧结而成，因此本发明本质耐高温。(5)创造性地在铝合金复合材料中添加碳粉和聚乙烯醇，一方面大大增加了粉末冶金的本发明的自结合力、提升了冲击韧性和自缓冲性能，另一方面也大大增加了本发明的散热性能，因此本发明的散热性能不仅比本技术领域中金刚石与陶瓷粉末复合材料的散热性高，甚至比大多数金属的热导率都高(基体是铝合金，又加入了较高比例的碳粉)，因此散热性能好。(6)本发明突破了陶瓷材料与金属材料结合力差的现有技术限制，通过真空下超音速火焰喷涂(真空下金属活性本身就高，又是高温半液化状态地喷涂在疏孔网格状陶瓷网上，结合力优良)，又添加聚乙烯醇(与陶瓷结合力好的有机材料)，利用几何结构和物理特性大大增强了陶瓷和金属的结合力，又通过在铝合金表面自生长的微弧氧化使本发明获得极高的硬度和切削性能，因此使用性能优异。(7)具有高的支撑强度(陶瓷骨架)、高的心部韧性、高的表面硬度和切削力、高的自结合力，综合作用下，使本发明的使用寿命更长、可靠性更高。
具体实施方式
实施例1：
一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀，该特种金属划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、致密微弧氧化膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，致密微弧氧化层固定生长在铝合金复合材料表面；
该特种金属划片刀的制造方法包括以下步骤：
1)韧性陶瓷骨架的制造
①按重量份数准备碳化硅晶须80g、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉500g、氟化钾粉末10g、硅化钼30g、正硅酸乙脂60g、无水乙醇30g、纯净水30g、热塑性酚醛树脂15g；
②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与特种金属划片刀外形尺寸相适应、具有50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃、真空度1×10-3Pa的环境下，保温5h，获得网格状预制毛坯；
③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h的升温速率升温至1600℃，保温时间4h；
④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；
2)铝合金复合材料的制造
①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉100g、聚乙烯醇200g；
②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-1Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm，获得预制心部骨架；
③将步骤②获得的预制心部骨架置于与特种金属划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A75铝合金微粉、碳粉和聚乙烯醇的均匀混合物，获得待二次烧结模具；
④将步骤③获得的待二次烧结模具置于700℃、真空度1×10-2Pa的环境下，保温2h，获得二次预制毛坯；
⑤将步骤④获得的二次预制毛坯在炉温T不低于500℃时随炉冷却；炉温T处于500℃≤T＜200℃半开炉门冷却；炉温T＜200℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料；
3)特种金属划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V输出电压、25A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7∶2∶1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8％的溶液；
②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃的处理温度、70min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需特种金属划片刀。
根据本实施例生产的特种金属划片刀，表面硬度2620HV，热导率520W/(m·K)，0.2％屈服强度420MPa。
实施例2
整体与实施例1一致，差异之处在于：
该特种金属划片刀的制造方法包括以下步骤：
1)韧性陶瓷骨架的制造
①按重量份数准备碳化硅晶须100g、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉600g、氟化钾粉末15g、硅化钼50g、正硅酸乙脂80g、无水乙醇50g、纯净水50g、热塑性酚醛树脂25g；
②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与特种金属划片刀外形尺寸相适应、具有30mm间距网格的模具中，然后将该模具置于850℃、真空度1×10-5Pa的环境下，保温8h，获得网格状预制毛坯；
③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持250℃/h的升温速率升温至1700℃，保温时间7h；
2)铝合金复合材料的制造
①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉120g、聚乙烯醇250g；
②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度O.15mm，获得预制心部骨架；
④将步骤③获得的待二次烧结模具置于705℃、真空度1×10-3Pa的环境下，保温3h，获得二次预制毛坯；
3)特种金属划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备500V输出电压、30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7∶2∶1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数10％的溶液；
②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以45℃的处理温度、75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需特种金属划片刀。
根据本实施例生产的特种金属划片刀，表面硬度2900HV，热导率506W/(m·K)，0.2％屈服强度440MPa。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种采用微弧氧化工艺的特种金属划片刀的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)韧性陶瓷骨架的制造
①按重量份数准备碳化硅晶须8份-10份、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉50份-60份、氟化钾粉末1份-1.5份、硅化钼3-5份、正硅酸乙脂6份-8份、无水乙醇3份-5份、纯净水3份-5份、热塑性酚醛树脂1.5份-2.5份；
②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与特种金属划片刀外形尺寸相适应、具有30mm-50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃-850℃、真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa的环境下，保温5h-8h，获得网格状预制毛坯；
③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2-3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升温速率升温至1600℃-1700℃，保温时间4h-7h；
④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；
2)铝合金复合材料的制造
①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉10份-12份、聚乙烯醇20份-25份；
②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-1Pa-1×10-3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm-0.15mm，获得预制心部骨架；
③将步骤②获得的预制心部骨架置于与特种金属划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A75铝合金微粉、碳粉和聚乙烯醇的均匀混合物，获得待二次烧结模具；
④将步骤③获得的待二次烧结模具置于700℃-705℃、真空度1×10-2Pa-1×10-3Pa的环境下，保温2h-3h，获得二次预制毛坯；
⑤将步骤④获得的二次预制毛坯在炉温T不低于500℃时随炉冷却；炉温T处于500℃≤T＜200℃半开炉门冷却；炉温T＜200℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料；
3)特种金属划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V-500V输出电压、25A-30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7∶2∶1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8％-10％的溶液；
②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃-45℃的处理温度、70min-75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需特种金属划片刀。
2.采用权利要求1所述方法制造的微弧氧化工艺的特种金属划片刀，其特征在于：该特种金属划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、致密微弧氧化膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，致密微弧氧化层固定生长在铝合金复合材料表面。
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