CN109676541A - 一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮及其制备方法和应用 - Google Patents

一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮及其制备方法和应用。该免修整复合结合剂超硬砂轮由以下重量百分比的原料制成：单晶金刚石8‑14％，Sn含量不小于15％的青铜粉35‑68％，银粉6‑10％，耐高温树脂1.5‑8％，填料2‑10％，含表面金属镀层的空心微球3‑8％，六方氮化硼0.5‑2％，润湿剂0.25‑1.5％。本发明提供的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，在磨削过程中砂轮具有极佳的自锐性，在满足硅锭表面要求的情况下，实现单次切深大于0.5mm，抛光走刀速度≥500mm/min，砂轮寿命(以加工长度表征)≥2000m，且砂轮使用过程中无需修整。

Description

一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于超硬磨料工具领域，具体涉及一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮及其制备方法和应用。
背景技术
随着新能源的大力发展，光伏因其清洁、可再生、不受地域限制等优点成为未来新能源发展的主要方向之一。硅锭的磨削加工是硅电池片生产环节的关键节口，其对磨削用砂轮的高效和高表面质量加工有着较高的要求。
公开号为CN101412207A的中国专利申请公开了一种金刚石砂轮，其磨料层由酚醛树脂、金刚石、Fe2O3、CeO2、Al2O3、铜粉、造孔剂按一定的配比制成，利用该砂轮可实现硅材料表面的精密抛光。
现有的磨削砂轮在单次切深增大、走刀速度增加时，会产生机床负荷超载、磨削噪音较大、砂轮层表面烧伤和硅粉扬尘的情况，需要频繁对砂轮进行修整以保证砂轮的锋利性，对生产效率形成制约的同时影响工作环境。
综合来看，现有的超硬磨料砂轮在进行硅材料磨削时，尚不能满足目前设备和工艺要求的大切深和快速进给的工艺要求，导致在磨削过程中需要经常对砂轮进行修整，砂轮的持续锋利性较差，不能实现硅材料加工的高效率和高质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，以解决现有砂轮在硅材料磨削加工时，不能满足大切深和快速进给的工艺要求的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法，以解决现有砂轮在硅材料磨削加工时，不能满足大切深和快速进给的工艺要求的问题。
本发明的第三个目的在于提供上述硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮在硅材料磨削加工中的应用，以解决现有砂轮不能实现硅材料磨削加工的大切深和快速进给的问题。
为实现上述目的，本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的技术方案是：
一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，由以下重量百分比的原料制成：单晶金刚石8-14％，Sn含量不小于15％的青铜粉35-68％，银粉6-10％，耐高温树脂1.5-8％，填料2-10％，含表面金属镀层的空心微球3-8％，六方氮化硼0.5-2％，润湿剂0.25-1.5％。
本发明提供的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，由单晶金刚石、青铜粉、银粉、耐高温树脂、填料、空心微球、六方氮化硼、润湿剂等原料制成，磨料与其他物料的结合力强，砂轮工作层的韧性和抗冲击性能良好，在磨削过程中砂轮具有极佳的自锐性，切割持续稳定性好，在满足硅锭表面要求的情况下，实现单次切深大于0.5mm，抛光走刀速度≥500mm/min，砂轮寿命(以加工长度表征)≥2000m，且砂轮使用过程中无需修整。
为进一步方便砂轮的混料烧结，制备结构均匀的砂轮制品，优选的，所述青铜粉中Sn的含量为15-33％，青铜粉的粒度为5-30μm。
金属结合剂中青铜粉(Cu-Sn合金)的熔点较高，添加少量的银粉可以降低结合剂的烧结温度，在不影响结合剂的结合力的前提下，优选的，所述银粉的粒度为1-10μm。
为使砂轮在高温工况下的工作性能良好，能更好的适应大切深和快速进给的工艺要求，优选所述耐高温树脂为聚酰亚胺树脂和/或聚芳醚酮树脂，粒度为5-20μm。上述耐高温树脂具有微流动性质，在500℃条件下短时间内不会分解；其与金属相可形成互穿网络结构，从而赋予砂轮层优良的韧性和抗冲击性能，并且在磨削过程中砂轮具有极佳的自锐性，切割持续稳定性好。
为使砂轮更适宜硅材料的大切深和快速进给加工，优选的，所述单晶金刚石为人造单晶金刚石，粒度为60-120μm。人造单晶金刚石的冲击韧性和静压强度较高，大切深和快速进给不会造成磨粒粉碎。
为进一步提高砂轮的自锐性，改善砂轮工作层的切除性能，优选的，所述填料为白刚玉、棕刚玉、碳化硅中的至少一种，粒度为60-120μm。
为进一步改善砂轮的孔结构和容屑能力，增强砂轮磨削的持续锋利性，优选的，所述空心微球为陶瓷空心微球或玻璃空心微球，粒度为50-120μm。无镀层的空心微球的质量与体积比很小，空心微球在体系中的体积占比一般比较大(达到15-30％)，成型过程中，微球的导电性差，与其他组分的接触电阻较大，容易引起局部受热不均匀而导致组织差异性较大。本发明采用含有表面金属镀层的空心微球，其导电性良好，在较小的添加量下能兼顾容屑能力以及砂轮烧结过程中组织的均匀性，从而为提高砂轮的加工效率(实现单次切深大于0.5mm，抛光走刀速度≥500mm/min)、延长使用寿命(寿命可达2000m以上)创造良好条件。
从表面施镀的成本和施镀效果方面综合考虑，优选的，所述含表面金属镀层的空心微球中，表面金属镀层中的金属为钛、镍、铜中的任意一种。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法所采用的技术方案是：
一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法，包括以下步骤：
1)按配比取各原料混匀，得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入型腔中，均匀摊料后压制成型，于280-380℃下烧结，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯固定到砂轮基体上，加工后得到砂轮成品。
本发明提供的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法，制备工艺简单，可方便制得免修整的复合结合剂砂轮，满足硅材料的高效率和高质量加工要求。
一种上述硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮在硅材料磨削加工中的应用。
该复合结合剂超硬砂轮可实现硅材料的高效率和高质量加工，而且在产品使用过程中无需修整，可实现硅材料的高效精密磨削；该复合结合剂超硬砂轮在硅锭磨削中的应用对于促进硅电池片的进一步降本增效有直接的作用。
附图说明
图1为本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮实施例的砂轮结构示意图；
图2为本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮对硅锭磨削加工的示意图；
图中，1-免修整复合结合剂超硬砂轮，2-铝合金基体，3-超硬磨料层，4-硅锭。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，聚酰亚胺树脂、聚芳醚酮树脂可选择树脂结合剂砂轮领域的常规品种，青铜粉、人造单晶金刚石、白刚玉等原料均可通过市售常规渠道获得。“％”如无特殊说明，均表示质量百分数。
原料中，含表面金属镀层的空心微球的镀层厚度可控制为1-5μm。含表面金属镀层的空心微球可通过常规商业渠道或利用现有技术进行制备，如可参考公开号为CN101294055A的中国专利申请记载的方法进行制备。其制备过程是首先对微球表面进行处理，使表面处于活化状态，用一定温度的去离子水冲洗干净，随后放入镀液进行化学镀覆。镀覆过程中要有适度的轻搅拌，使温度及镀液分布均匀，从而保证化学镀的稳定进行。
润湿剂的作用在于增强磨料的润湿能力，增加结合剂对人造单晶金刚石的把持力，本领域的相关润湿剂品种均可使用，优选为液体石蜡。
为获得性能良好的砂轮毛坯，优选的，步骤2)中，所述压制成型的压力为25-500kN。
为获得更优良的烧结效果，优选的，步骤2)中，所述烧结是在280-380℃下保温40-60min。为降低内应力，使烧结过程均匀进行，优选的，步骤2)中，由室温升温至280-380℃的速率为50-150℃/min。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的实施例1，由以下重量百分比的原料制成：青铜粉(Cu80Sn20)60％，人造单晶金刚石12％，白刚玉8％，聚酰亚胺树脂粉4％，镀钛氧化铝陶瓷空心微球6.5％，银粉8％，液体石蜡0.3％，六方氮化硼1.2％。
原料中，青铜粉的粒度为15μm，人造单晶金刚石的粒度为60μm，白刚玉的粒度为20μm，聚酰亚胺树脂粉的粒度为10μm，镀钛氧化铝陶瓷空心微球的粒度为80μm，银粉的粒度为5μm，六方氮化硼的粒度为8μm。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的实施例2，由以下重量百分比的原料制成：青铜粉(Cu85Sn15)62％，人造单晶金刚石10％，棕刚玉10％，聚芳醚酮树脂粉5％，镀镍氧化铝陶瓷空心微球5％，银粉6.7％，液体石蜡0.3％，六方氮化硼1％。
原料中，青铜粉的粒度为20μm，人造单晶金刚石的粒度为80μm，棕刚玉的粒度为30μm，聚芳醚酮树脂粉的粒度为10μm，镀镍氧化铝陶瓷空心微球的粒度为100μm，银粉的粒度为5μm，六方氮化硼的粒度为6μm。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的实施例3，由以下重量百分比的原料制成：青铜粉(Cu67Sn33)65％，人造单晶金刚石8％，碳化硅7.7％，聚酰亚胺树脂粉6％，镀钛氧化铝陶瓷空心微球6％，银粉6％，液体石蜡0.3％，六方氮化硼1％。
原料中，青铜粉的粒度为15μm，人造单晶金刚石的粒度为90μm，碳化硅的粒度为40μm，聚酰亚胺树脂粉的粒度为10μm，镀钛氧化铝陶瓷空心微球的粒度为120μm，银粉的粒度为5μm，六方氮化硼的粒度为10μm。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的实施例4，由以下重量百分比的原料制成：青铜粉(Cu80Sn20)63％，人造单晶金刚石10％，白刚玉8.6％，聚酰亚胺树脂粉5％，镀铜氧化铝陶瓷空心微球7％，银粉5％，液体石蜡0.3％，六方氮化硼1.1％。
原料中，青铜粉的粒度为25μm，人造单晶金刚石的粒度为100μm，白刚玉的粒度为30μm，聚酰亚胺树脂粉的粒度为10μm，镀铜氧化铝陶瓷空心微球的粒度为120μm，银粉的粒度为5μm，六方氮化硼的粒度为6μm。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法实施例1，对应制备复合结合剂超硬砂轮实施例1，具体采用以下步骤：
1)按配方称取原料并放入不锈钢罐中，然后置于行星式混料机上，在300rpm下混料45min，混合均匀后得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入石墨模具的型腔中，均匀摊料后，在烧结压机上压制成型，压力为80kN，然后按照100℃/min的升温速率升温至380℃，保温45min，随炉冷却到室温，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯粘接到铝合金基体上，进行基体加工、砂轮层研磨加工后，得到砂轮成品。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法实施例2，对应制备复合结合剂超硬砂轮实施例2，具体采用以下步骤：
1)按配方称取原料并放入不锈钢罐中，然后置于行星式混料机上，在500rpm下混料30min，混合均匀后得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入石墨模具的型腔中，均匀摊料后，在烧结压机上压制成型，压力为120kN，然后按照80℃/min的升温速率升温至350℃，保温50min，随炉冷却到室温，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯粘接到铝合金基体上，进行基体加工、砂轮层研磨加工后，得到砂轮成品。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法实施例3，对应制备复合结合剂超硬砂轮实施例3，具体采用以下步骤：
1)按配方称取原料并放入不锈钢罐中，然后置于行星式混料机上，在350rpm下混料60min，混合均匀后得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入石墨模具的型腔中，均匀摊料后，在烧结压机上压制成型，压力为150kN，然后按照120℃/min的升温速率升温至360℃，保温55min，随炉冷却到室温，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯粘接到铝合金基体上，进行基体加工、砂轮层研磨加工后，得到砂轮成品。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法实施例4，对应制备复合结合剂超硬砂轮实施例4，具体采用以下步骤：
1)按配方称取原料并放入不锈钢罐中，然后置于行星式混料机上，在600rpm下混料100min，混合均匀后得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入石墨模具的型腔中，均匀摊料后，在烧结压机上压制成型，压力为200kN，然后按照80℃/min的升温速率升温至290℃，保温50min，随炉冷却到室温，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯粘接到铝合金基体上，进行基体加工、砂轮层研磨加工后，得到砂轮成品。
本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮在硅材料磨削加工中的应用实施例，请参见以下试验例的相关内容。
试验例
以上硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮实施例1-4的砂轮结构示意图如图1所示，该免修整复合结合剂超硬砂轮1包括铝合金基体2和超硬磨料层3。硅锭的磨削加工示意图如图2所示，在硅锭4的左、右侧面的相对位置分别设置免修整复合结合剂超硬砂轮1，在确定切深后，控制砂轮沿相应的硅锭侧面的前端向后端磨削，实现相应硅锭的磨削加工(如切割、抛光等)。
以上免修整复合结合剂超硬砂轮实施例1可实现单次切深0.6mm，抛光走刀速度为600mm/min，砂轮寿命可达2100m(以加工长度表征)，砂轮使用过程中无需修整。在硅锭加工中，该砂轮表现出良好的持续锋利性，去除能力强，加工后的硅锭表面质量达到Ra0.7，且无震纹、划痕等缺陷。
以上免修整复合结合剂超硬砂轮实施例2可实现单次切深0.8mm，抛光走刀速度为650mm/min，砂轮寿命可达2300m(以加工长度表征)，砂轮使用过程中无需修整。在硅锭加工中，该砂轮表现出良好的持续锋利性，去除能力强，加工后的硅锭表面质量达到Ra0.8，且无震纹、划痕等缺陷。
以上免修整复合结合剂超硬砂轮实施例3可实现单次切深0.8mm，抛光走刀速度为600mm/min，砂轮寿命可达2200m(以加工长度表征)，砂轮使用过程中无需修整。在硅锭加工中，该砂轮表现出良好的持续锋利性，去除能力强，加工后的硅锭表面质量达到Ra0.7，且无震纹、划痕等缺陷。
以上免修整复合结合剂超硬砂轮实施例4可实现单次切深0.9mm，抛光走刀速度为680mm/min，砂轮寿命可达2400m(以加工长度表征)，砂轮使用过程中无需修整。在硅锭加工中，该砂轮表现出良好的持续锋利性，去除能力强，加工后的硅锭表面质量达到Ra0.8，且无震纹、划痕等缺陷。
在本发明的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的其他实施例中，耐高温树脂可使用聚芳醚酮树脂对各实施情形中的聚酰亚胺树脂进行等量替换；陶瓷空心微球也可以使用玻璃空心微球进行替换，其均可得到与以上实施情形相当的复合结合剂超硬砂轮，其持续锋利性、单次切深能力优良，使用过程中无需修整，完全满足硅材料磨削加工的相关要求。

Claims (10)

1.一种硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：单晶金刚石8-14％，Sn含量不小于15％的青铜粉35-68％，银粉6-10％，耐高温树脂1.5-8％，填料2-10％，含表面金属镀层的空心微球3-8％，六方氮化硼0.5-2％，润湿剂0.25-1.5％。
2.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述青铜粉中Sn的含量为15-33％，青铜粉的粒度为5-30μm。
3.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述银粉的粒度为1-10μm。
4.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述耐高温树脂为聚酰亚胺树脂和/或聚芳醚酮树脂，粒度为5-20μm。
5.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述单晶金刚石为人造单晶金刚石，粒度为60-120μm。
6.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述填料为白刚玉、棕刚玉、碳化硅中的至少一种，粒度为60-120μm。
7.如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述空心微球为陶瓷空心微球或玻璃空心微球，粒度为50-120μm。
8.如权利要求1或7所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮，其特征在于，所述含表面金属镀层的空心微球中，表面金属镀层中的金属为钛、镍、铜中的任意一种。
9.一种如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比取各原料混匀，得到预成型粉料；
2)将预成型粉料投入型腔中，均匀摊料后压制成型，于280-380℃下烧结，得到砂轮毛坯；
3)将砂轮毛坯固定到砂轮基体上，加工后得到砂轮成品。
10.一种如权利要求1所述的硅锭磨削用免修整复合结合剂超硬砂轮在硅材料磨削加工中的应用。
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