CN109382770B - 一种复合磨料砂轮及其制备方法 - Google Patents

一种复合磨料砂轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合磨料砂轮及其制备方法，属于磨料、磨具技术领域。本发明中的复合磨料砂轮，包括基体和复合磨料层，复合磨料层包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料包括：Al2O3、SiC、金刚石中的一种或组合；所述辅助磨料的粒径为1～10μm；主磨料包括：粒径为10～100μm的金刚石；辅助磨料与主磨料的质量比为1～4：20。本发明中的磨料层中通过不同磨料及不同粒径的磨料设置，使得磨料层整体结构稳定，机械强度高，磨料颗粒在磨料层中分布均匀，磨料层对磨料颗粒的把持度高，在加工工件时不会出现脱料的现象，并且加工粗糙度低，砂轮锋利度好，使用寿命长，在磨具领域中具有广阔的应用前景。

Description

一种复合磨料砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合磨料砂轮及其制备方法，属于磨料、磨具技术领域。
背景技术
随着工业的发展，对磨削工具的性能提出越来越严苛的要求，电镀磨具因其独特的优势，被广泛应用于器械加工，然而对于现有的电镀磨具，仍存在诸多不足，例如，复合镀层结合度不高加工的过程中容易脱料，镀层内的颗粒分布不均，含量低，表面缺陷大，对加工件容易造成损伤。
申请公布号为CN104120484A的发明专利公开了一种制备具有新型复合镀层的电镀金刚石工具的方法，通过该方法制备出的金刚石工具从基体由内往外依次镀有电镀镍钴层、上砂层(该层中含有金刚石磨料)、加厚镀层(该层中含有WC微粉、SiC微粉)，该金刚石工具层层之间依然存在加工时，应力不匹配的问题，会导致层与层之间加工受力时出现变形甚至脱落的现象，而且WC微粉、SiC微粉在加厚镀层中可能会出现把持力不足，从而造成脱落的现象。另外当加厚镀层消耗殆尽时，上砂层可能对加工工件造成损伤。
进一步，现有技术中，用对于电镀法超硬磨具制造工艺来说，受磨料悬浮和分散影响，复合磨料上砂工艺较为复杂，浓度及均匀性不易控制。申请公布号为CN104120484A的发明专利中的制备方法通过采用循环泵将镀液循环流动来保持WC微粉、SiC微粉不沉降，然而即使采用循环泵将镀液循环流动，但会导致镀层中的颗粒分布不均，制成的产品性能不能够满足加工要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合磨料砂轮，该复合磨料砂轮整体结构稳定，加工粗糙度低，使用寿命长。
本发明的另一个目的在于提供一种上述复合磨料砂轮的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种复合磨料砂轮，包括基体和复合磨料层，其特复合磨料层包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料包括：Al2O3、SiC、金刚石中的一种或组合；所述辅助磨料的粒径为1～10um；主磨料为粒径为10～100um的金刚石；辅助磨料与主磨料的质量比为1～4：20。
上述辅助磨料为Al2O3、SiC、金刚石中的任意一种或两种。
上述辅助磨料为Al2O3、SiC、金刚石中的两种时，两种辅助磨料的质量比为1：1。
上述砂轮基体为铝合金、不锈钢、铜中的一种。
上述复合磨料层的厚度为50-500μm。
上述复合磨料砂轮的制备方法，包括以下步骤：
1)将辅助磨料和主磨料与电镀液混合均匀，得混合液；
2)将砂轮基体置于电镀液中进行第一阶段电镀，电镀时间为10-15min；
3)然后向电镀液中加入步骤1)中的混合液进行第二阶段电镀。
上述辅助磨料包括：粒径为1～10um的Al2O3、SiC、金刚石中的一种或组合。
上述主磨料包括：粒径为10～100um的金刚石。
上述砂轮基体为铝合金、不锈钢、铜中的一种。
上述砂轮基体在第一阶段电镀之前进行常规电镀前处理，然后带电入槽。
上述辅助磨料与主磨料的质量比为1～4：20。
上述步骤1)和步骤2)中的电镀液相同。第一阶段电镀和第二阶段电镀的电镀工艺相同。
上述电镀液包括：氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠。上述氨基磺酸镍的浓度为300-650g/L，氯化镍的浓度为3-6g/L，硼酸的浓度为30-50g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.5-1ml/L。
步骤1)中每50mL电镀液对应的辅助磨料与主磨料的质量之和为1-21g。
上述步骤1)中将辅助磨料和主磨料与电镀液混合均匀，是通过超声的方式，将辅助磨料和主磨料在电镀液中混合均匀。电镀液的体积为50mL。超声处理的时间为5min。
上述步骤2)中向电镀液中加入步骤1)中的混合液进行第二阶段电镀，加入混合液是分n次加入，n为≥2的整数。
上述第1次至第n-1次每次加入原混合液体积的6～60％，第n次加入余量混合液。
上述第一阶段电镀和第二阶段电镀的电镀工艺是：电流密度1-3A/dm2，温度50-55℃，pH值4.0-4.5。
上述第一阶段电镀和第二阶段电镀的电镀过程中进行低速搅拌和高速搅拌交替处理；低速搅拌为搅拌转速为10～20rpm，时间为20～40s；高速搅拌转速为200～240rpm，时间为10～20s。
上述高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为50-100Hz。
上述搅拌，是在开始时先低速搅拌，然后进行高速搅拌。
上述搅拌为通过电镀槽底部扇叶搅拌完成。
上述步骤2)中电镀每间隔40～70min，向电镀槽中添加由步骤1)中的方法制得的混合液。
本发明的有益效果：
本发明中的复合磨料砂轮中包括基体和复合磨料层，复合磨料层包括辅助磨料和主磨料，辅助磨料包括：粒径为1～10um的Al2O3、SiC、金刚石中的一种或组合；主磨料包括：粒径为10～100um的金刚石；辅助磨料与主磨料的质量比为1～4：20。本发明通过对复合磨料层中不同磨料种类及不同粒径大小的交叉二维设置，结合特殊的复合电镀工艺，实现了多磨料、多粒径的均匀沉积。
与传统电镀砂轮相比，本发明独特的复合磨料层结构，使得砂轮具有机械强度高，使用寿命长，砂轮锋利度好的显著特征。砂轮在磨削过程中，较小粒径辅助磨料快速脱落，磨削区域形成多孔结构，能够增大容屑空间及快速冷却磨削热，使得砂轮的加工粗糙度更低。
本发明的电镀砂轮，可以实现对硬脆材料、复合材料等难加工材料的高品质加工，在磨具领域中具有广阔的应用前景。
进一步的，本发明采用特殊的低高速搅拌和超声波分散的复合电镀工艺，进一步促进了磨料的均匀沉积。
附图说明
图1为实施例1中复合磨料砂轮中复合磨料层的结构示意图；
图2为实施例4中复合磨料砂轮中复合磨料层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例中的复合磨料砂轮包括砂轮基体和复合磨料层以及设置在基体和复合磨料层之间的镍层，复合磨料层具有如图1所示的结构，磨料层中包括辅助磨料2和主磨料1；辅助磨料为1μm的SiC；主磨料为10μm的金刚石。
SiC与金刚石的质量比为1：10。
磨料层的厚度为：50μm。
砂轮基体为铝合金基体。
本实施例制备过程中所用电镀液的配制：将氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠，依次加入到镀槽中，用去离子水溶解，至总体积为10L；氨基磺酸镍的浓度为300g/L，氯化镍的浓度为3g/L，硼酸的浓度为30g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.5ml/L。
本实施例中复合磨料混合液的配制：将1g平均粒径为1μm的SiC与10g平均粒径为10μm的金刚石，置于50mL电镀液中，超声处理5min，得均匀的复合磨料混合液。
本实施例中的复合磨料砂轮的制备方法包括如下步骤：
本实施例中电镀工艺条件为：电流密度为1A/dm2，温度为50℃，pH值4.0。
1)对砂轮基体进行常规电镀前处理，本实施例中砂轮基体为铝合金基体；
2)将步骤1)中的铝合金基体置于电镀液中，带电入槽，进行第一阶段电镀；电镀时间为10min；
3)将原混合液体积60％的复合磨料混合液加入步骤2)中的电镀液中，同时开启镀槽底部扇叶搅拌和超声波，通过电镀实现镍和磨料在基体表面均匀共沉积，进行第二阶段电镀；镀槽底部的扇叶搅拌为：低速搅拌转速为10rpm，时间为20s；高速搅拌转速为200rpm，时间为10s；低高速交替进行；扇叶低速搅拌时，超声处理停止；高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为50Hz，超声时间10s；电镀40min时，向电镀槽中补加剩余的全部混合液，电镀时间50min即得。
实施例2
本实施例中的复合磨料砂轮包括砂轮基体和复合磨料层以及设置在基体和复合磨料层之间的镍层，磨料层中包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料为5μm的金刚石；主磨料为50μm的金刚石。
5μm的金刚石与50μm的金刚石的质量比为1：20。
磨料层的厚度为：200μm。
砂轮基体为不锈钢材质基体。
本实施例制备过程中所用电镀液的配制：将氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠，依次加入到镀槽中，用去离子水溶解，至总体积为10L；氨基磺酸镍的浓度为400g/L，氯化镍的浓度为5g/L，硼酸的浓度为40g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.8ml/L。
本实施例中复合磨料混合液的配制：将1g平均粒径为5μm的金刚石与20g平均粒径为50μm的金刚石，置于50mL电镀液中，超声处理5min，得均匀的复合磨料混合液。
本实施例中的复合磨料砂轮的制备方法包括如下步骤：
本实施例中电镀工艺条件为：电流密度为2A/dm2，温度为52℃，pH值4.2。
1)对砂轮基体进行常规电镀前处理，本实施例中砂轮基体为不锈钢材质基体；
2)将步骤1)中的不锈钢材质基体置于电镀液中，带电入槽，进行第一阶段电镀；电镀15min；
3)将原混合液体积15％的复合磨料混合液加入步骤2)中的电镀液中，同时开启镀槽底部扇叶搅拌和超声波，通过电镀实现镍和磨料在基体表面均匀共沉积，进行第二阶段电镀；其中，镀槽底部的扇叶搅拌为：低速搅拌转速为20rpm，时间为40s；高速搅拌转速为240rpm，时间为20s；低、高速交替进行；扇叶低速搅拌时，超声处理停止；高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为100Hz，超声时间20s；每间隔70min时，向电镀槽中补加原混合液体积15％的混合液，最后一次加入剩余的混合液，累计加入7次，即得。
实施例3
本实施例中的复合磨料砂轮包括砂轮基体和复合磨料层以及设置在基体和复合磨料层之间的镍层，磨料层中包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料为10μm的Al2O3；主磨料为100μm的金刚石。
Al2O3与金刚石的质量比为1：10。
磨料层的厚度为：400μm。
砂轮基体为不锈钢材质基体。
本实施例制备过程中所用电镀液的配制：将氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠，依次加入到镀槽中，用去离子水溶解，至总体积为10L；氨基磺酸镍的浓度为650g/L，氯化镍的浓度为6g/L，硼酸的浓度为50g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为1.0ml/L。
本实施例中复合磨料混合液的配制：将1g平均粒径为10μm的金刚石与10g平均粒径为100μm的金刚石，置于50mL电镀液中，超声处理5min，得均匀的复合磨料混合液。
本实施例中的复合磨料砂轮的制备方法包括如下步骤：
本实施例中电镀工艺条件为：电流密度为3A/dm2，温度为55℃，pH值4.5。
1)对砂轮基体进行常规电镀前处理，本实施例中砂轮基体为不锈钢材质基体；
2)将步骤1)中的不锈钢材质基体置于电镀液中，带电入槽，进行第一阶段电镀；电镀时间10min；
3)将原混合液体积7.5％的混合液加入步骤2)中的电镀液，同时开启镀槽底部扇叶搅拌和超声波，通过电镀实现镍和磨料在基体表面均匀共沉积，进行第二阶段电镀；其中，镀槽底部的扇叶搅拌为：低速搅拌转速为15rpm，时间为30s；高速搅拌转速为220rpm，时间为15s；低、高速交替进行；扇叶低速搅拌时，超声处理停止；高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为80Hz，超声时间15s；每间隔60min时，向电镀槽中补加原混合液体积7.5％的混合液，最后一次加入剩余的混合液，累计加入14次，即得。
实施例4
本实施例中的复合磨料砂轮包括砂轮基体和复合磨料层以及设置在基体和复合磨料层之间的镍层，复合磨料层具有如图2所示的结构，包括砂轮基体和磨料层，磨料层中包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料为氧化铝2和碳化硅3；氧化铝为1μm的Al2O3，碳化硅为5μm的SiC；主磨料为40μm的金刚石1。
Al2O3与SiC、金刚石的质量比为1：1：15。
磨料层的厚度为：500μm。
砂轮基体为铜材质基体。
本实施例制备过程中所用电镀液的配制：将氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠，依次加入到镀槽中，用去离子水溶解，至总体积为10L；氨基磺酸镍的浓度为600g/L，氯化镍的浓度为4g/L，硼酸的浓度为45g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.8ml/L。
本实施例中复合磨料混合液的配制：将1g平均粒径为1μm的Al2O3，1g平均粒径为5μm的SiC，15g平均粒径为40μm的金刚石置于50mL电镀液中，超声处理5min，得均匀的复合磨料混合液。
本实施例中的复合磨料砂轮的制备方法包括如下步骤：
本实施例中电镀工艺条件为：电流密度为2A/dm2，温度为52℃，pH值4.2。
1)对砂轮基体进行除油、酸洗、活化，本实施例中砂轮基体为铜材质基体；
2)将步骤1)中的铜材质基体置于电镀液中，带电入槽，进行第一阶段电镀；电镀时间为12min；
3)将原混合液体积6％的复合磨料混合液加入步骤2)中的电镀液中，同时开启镀槽底部扇叶搅拌和超声波，通过电镀实现镍和磨料在基体表面均匀共沉积，进行第二阶段电镀；其中，镀槽底部的扇叶搅拌为：低速搅拌转速为20rpm，时间为30s；高速搅拌转速为240rpm，时间为20s；低、高速交替进行；扇叶低速搅拌时，超声处理停止；高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为60Hz，超声时间20s。每间隔50min时，向电镀槽中补加原混合液体积比6％的混合液，最后一次加入剩余的混合液，累计加入17次，即得。
实施例5
本实施例中的复合磨料砂轮包括砂轮基体和复合磨料层以及设置在基体和复合磨料层之间的镍层，磨料层中包括辅助磨料和主磨料；辅助磨料为3μm的Al2O3和8μm的金刚石；主磨料为70μm的金刚石。
Al2O3与8μm的金刚石、70μm的金刚石的质量比为1：1：10。
磨料层的厚度为：300μm。
砂轮基体为铜材质基体。
本实施例制备过程中所用电镀液的配制：将氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠，依次加入到镀槽中，用去离子水溶解，至总体积为10L；氨基磺酸镍的浓度为350g/L，氯化镍的浓度为5g/L，硼酸的浓度为40g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.6ml/L。
本实施例中复合磨料混合液的配制：将1g平均粒径为1μm的Al2O3、1g平均粒径为8μm的金刚石，10g平均粒径为70μm的金刚石置于50mL电镀液中，超声处理5min，得均匀的混合液。
本实施例中的复合磨料砂轮的制备方法包括如下步骤：
本实施例中电镀工艺条件为：电流密度为2A/dm2，温度为52℃，pH值4.2。
1)对砂轮基体进行除油、酸洗、活化，本实施例中砂轮基体为铜材质基体；
2)将步骤1)中的铜材质基体置于电镀液中，带电入槽，进行第一阶段电镀；电镀时间为15min；
3)将原混合液体积10％的复合磨料混合液加入步骤2)中的电镀液中，同时开启镀槽底部扇叶搅拌和超声波，通过电镀实现镍和磨料在基体表面均匀共沉积，进行第二阶段电镀；其中，镀槽底部的扇叶搅拌为：低速搅拌转速为15rpm，时间为20s；高速搅拌转速为200rpm，时间为10s；低、高速交替进行；扇叶低速搅拌时，超声处理停止；高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为60Hz，超声时间10s。每间隔40min时，向电镀槽中补加原混合液体积10％的混合液，累计加入10次，即得。
试验例
使用实施例5中所制得的复合磨料砂轮以及传统砂轮，对厚度为500μm，表面镀银的半导体硅晶圆进行切割试验对比，对比结果列于表1。经实施例5中的复合磨料砂轮所得芯片的表面崩边5-10μm，切割槽型保持性好，使用寿命1500-1800米。与传统砂轮相比，加工性能优势显著。
表1实施例5中的砂轮与传统砂轮对比
对比项目 实施例5中制得的复合磨料砂轮 传统砂轮
磨料 3μmAl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+8μm金刚石+70μm金刚石 70μm金刚石
加工材料 表面镀银半导体硅材料 表面镀银半导体硅材料
表面崩边 5-10μm 20-30μm
芯片掉角 无掉角 掉角率20％
切割槽型 槽型保持性好 使用中后期容易出现台阶缺陷
使用寿命 1500-1800米 800-1000米

Claims (9)

1.一种复合磨料砂轮，包括基体和复合磨料层，其特征在于，所述复合磨料层包括辅助磨料和主磨料；所述辅助磨料包括：Al2O3、SiC、金刚石中的一种或组合；所述辅助磨料的粒径为1~10μm；所述主磨料为粒径为10~100μm的金刚石；所述辅助磨料与主磨料的质量比为1~4：20；具体采用以下步骤制备而成：
1）将辅助磨料和主磨料与电镀液混合均匀，得混合液；
2）将砂轮基体置于电镀液中进行第一阶段电镀，电镀时间为10-15min；
3）然后向电镀液中加入步骤1）中的混合液进行第二阶段电镀；
所述第一阶段电镀和第二阶段电镀的电镀过程中进行低速搅拌和高速搅拌交替处理；所述低速搅拌的转速为10~20rpm，时间为20~40s；所述高速搅拌转速为200~240rpm，时间为10~20s。
2.如权利要求1所述的复合磨料砂轮，其特征在于，所述辅助磨料为Al2O3、SiC、金刚石中的任意一种或两种。
3.如权利要求1所述的复合磨料砂轮，其特征在于，所述复合磨料层的厚度为50-500μm。
4.一种如权利要求1所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将辅助磨料和主磨料与电镀液混合均匀，得混合液；
2）将砂轮基体置于电镀液中进行第一阶段电镀，电镀时间为10-15min；
3）然后向电镀液中加入步骤1）中的混合液进行第二阶段电镀。
5.如权利要求4所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，所述电镀液包括：氨基磺酸镍，氯化镍，硼酸，磺基琥珀酸二己酯钠；所述氨基磺酸镍的浓度为300-650g/L，氯化镍的浓度为3-6g/L，硼酸的浓度为30-50g/L，磺基琥珀酸二己酯钠的浓度为0.5-1ml/L。
6.如权利要求4所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，步骤1）中每50mL电镀液对应的辅助磨料与主磨料的质量之和为1-21g。
7.如权利要求4所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，所述第一阶段电镀和第二阶段电镀的工艺是：电流密度为1-3A/dm2，温度为50-55℃，pH值4.0-4.5。
8.如权利要求4所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，所述第一阶段电镀和第二阶段电镀的电镀过程中进行低速搅拌和高速搅拌交替处理；所述低速搅拌的转速为10~20rpm，时间为20~40s；所述高速搅拌转速为200~240rpm，时间为10~20s。
9.如权利要求8所述的复合磨料砂轮的制备方法，其特征在于，所述高速搅拌时同步进行超声处理，超声频率为50-100Hz。
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