CN110065011A - 金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金刚石砂轮，所述金刚石砂轮包括金刚石砂轮基体，以及设置在所述金刚石砂轮基体表面的纳米类金刚石涂层。以及，一种金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：提供待处理的金刚石轮砂基体，进行表面清洁后，干燥处理；将所述金刚石轮砂基体置于PVD磁控溅射室中，以石墨作为靶材，以氩气和碳氢气体作为工作气体，在所述金刚石轮砂基体表面磁控溅射纳米类金刚石涂层，其中，所述磁控溅射过程中，溅射功率为1000W‑4000W，溅射频率40kHZ‑200KHZ，基底负偏压20V‑100V，基体温度30℃‑100℃。

Description

金刚石砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于砂轮技术领域，尤其涉及一种金刚石砂轮及其制备方法。
背景技术
金刚石砂轮是以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂，制成的圆形固结磨具。与普通磨料砂轮相比，金刚石砂轮具有非常明显的特点和优势，如切削锋利、磨削功率高、容易控制精度、耐磨性好、磨损低、使用寿命长等。但金刚石砂轮在加工工件时，砂轮高速旋转，在切削过程中，由于金刚石颗粒、粘接剂以及切屑与工件接触摩擦时释放大量热量，使金刚石砂轮局部温度升高至1000℃以上，导致金刚石高温热损伤，加快金刚石的磨损速度，降低金刚石砂轮的使用寿命。目前，市场上的金刚石砂轮的制造企业都将精力集中在如何提高金刚石的把持力上，而忽视了提高金刚石本身高温热稳定性的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石砂轮及其制备方法，旨在解决现有的金刚石砂轮高温热稳定性不够，在1000℃以上的温度环境下会造成高温热损伤，加快金刚石的磨损速度，降低金刚石砂轮的使用寿命的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种金刚石砂轮，所述金刚石砂轮包括金刚石砂轮基体，以及设置在所述金刚石砂轮基体表面的纳米类金刚石涂层。
优选的，所述纳米类金刚石涂层的厚度为2-5μm。
优选的，还包括与所述金刚石砂轮基体相连的砂轮手柄。
以及，一种金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
提供待处理的金刚石轮砂基体，进行表面清洁后，干燥处理；
将所述金刚石轮砂基体置于PVD磁控溅射室中，以石墨作为靶材，以氩气和碳氢气体作为工作气体，在所述金刚石轮砂基体表面磁控溅射纳米类金刚石涂层，其中，所述磁控溅射过程中，溅射功率为1000W-4000W，溅射频率40kHZ-200KHZ，基底负偏压20V-100V，基体温度30℃-100℃。
优选的，所述碳氢气体与所述氩气的流量比为0.02-0.3。
优选的，所述氩气的纯度大于等于99.995％。
优选的，所述磁控溅射过程中，所述碳氢气体与所述氩气的流量比为0.125，溅射功率为2600W，溅射频率60kHz，基底负偏压100V，基体温度45℃。
优选的，所述表面清洁的方法为：将所述金刚石轮砂基体置于碱液中，进行超声清洗处理。
优选的，所述干燥处理的温度为70-100℃，时间为10-60min。
优选的，所述金刚石砂轮还包括与所述金刚石砂轮基体相连的砂轮手柄，所述磁控溅射过程中，将所述砂轮手柄进行保护处理，以避免所述砂轮手柄表面溅射类金刚石材料。
本发明提供的金刚石砂轮，在金刚石砂轮基体表面的纳米类金刚石涂层(纳米DLC涂层)。纳米DLC涂层兼具很高的耐磨性和出色的摩擦性能及抗粘附性，通过给金刚石砂轮增加纳米DLC涂层，可以减小金刚石颗粒和粘接剂与被加工工件之间的摩擦力，降低加工过程中的局部温度，减少金刚石颗粒在加工过程中受到的热损伤，提高金刚石工具的使用寿命。同时，所述纳米DLC涂层有很好的耐腐蚀性，能够降低切削油对金属粘接剂的腐蚀。
本发明提供的金刚石砂轮的制备方法，通过磁控溅射制备纳米DLC涂层，进一步采用特定的磁控溅射工艺条件，从而获得厚度合适、致密均匀的纳米DLC涂层。此外，该方法简单，可控性强，有利于保证产品质量的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的金刚石砂轮的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
结合图1，本发明实施例提供了一种金刚石砂轮，所述金刚石砂轮包括金刚石砂轮基体1，以及设置在所述金刚石砂轮基体1表面的纳米类金刚石涂层2。
本发明实施例提供的金刚石砂轮，在金刚石砂轮基体表面的纳米类金刚石涂层(纳米DLC涂层)。纳米DLC涂层兼具很高的耐磨性和出色的摩擦性能及抗粘附性，通过给金刚石砂轮增加纳米DLC涂层，可以减小金刚石颗粒和粘接剂与被加工工件之间的摩擦力，降低加工过程中的局部温度，减少金刚石颗粒在加工过程中受到的热损伤，提高金刚石工具的使用寿命。同时，所述纳米DLC涂层有很好的耐腐蚀性，能够降低切削油对金属粘接剂的腐蚀。
具体的，所述金刚石砂轮基体可以为常规的金刚石砂轮的金刚石砂轮基体，其形状、设置结构没有明确限定，附图1仅作为一个示意，并不用于限定本发明金刚石砂轮的结构或形状。
优选的，所述纳米类金刚石涂层的厚度为2-5μm。若所述纳米类金刚石涂层过薄，则不能有效减小金刚石颗粒在加工过程中受到的热损伤，对金刚石工具的使用寿命的改善没有明显作用。若所述纳米类金刚石涂层过厚，一方面，用于切削的金刚石砂轮部分的刃口锋利度降低，会降低金刚石砂轮的切削能力，增大切削阻力，也会导致加工过程中涂层易脱落；另一方面，金刚石砂轮部分的出刃高度减小，容屑空间更小，加工过程中，会导致局部温度升温更高，不仅不能减小金刚石颗粒在加工过程中受到的热损伤，反而对待处理工件、金刚石砂轮都造成不利影响。
进一步的，本发明实施例所述金刚石砂轮还包括与所述金刚石砂轮基体1相连的砂轮手柄2。所述砂轮手柄的设计可以采用常规的形式，附图1仅仅作为一个示意，并不用于限定其形状。值得注意的是，本发明实施例所述金刚石砂轮中，所述纳米类金刚石涂层沉积在所述金刚石砂轮基体表面，既能达到降低加工过程中的局部温度，减少金刚石颗粒在加工过程中受到的热损伤，提高金刚石工具的使用寿命的目的，因此，为了节约成本，提高生产效率，不在砂轮手柄上沉积纳米类金刚石涂层。
本发明实施例需要设置纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮样品，可以为电镀金刚石砂轮或金属结合剂金刚石烧结砂轮样品，但不限于此。
本发明实施例提供的金刚石砂轮，可以通过下述方法制备获得。
以及，本发明实施例提供了一种金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
S01.提供待处理的金刚石轮砂基体，进行表面清洁后，干燥处理；
S02.将所述金刚石轮砂基体置于PVD磁控溅射室中，以石墨作为靶材，以氩气和碳氢气体作为工作气体，在所述金刚石轮砂基体表面磁控溅射纳米类金刚石涂层，其中，所述磁控溅射过程中，溅射功率为1000W-4000W，溅射频率40kHZ-200KHZ，基底负偏压20V-100V，基体温度30℃-100℃。
本发明实施例提供的金刚石砂轮的制备方法，通过磁控溅射制备纳米DLC涂层，进一步采用特定的磁控溅射工艺条件，从而获得厚度合适、致密均匀的纳米DLC涂层。此外，该方法简单，可控性强，有利于保证产品质量的稳定性。
具体的，上述步骤S01中，基材表面清洁程度会影响涂层的结合力和均匀性，因此，在沉积涂层前，将待处理的金刚石轮砂基体进行表面清洁，优选的，所述表面清洁的方法为：将所述金刚石轮砂基体置于碱液中，进行超声清洗处理。通过该方法，可以去除待处理的金刚石轮砂基体表面的油污等杂质。所述碱液优选为添加有氢氧化钠、氢氧化钾的水溶液，但不限于此。进一步的，将进行表面清洁处理后的金刚石轮砂基体进行干燥，充分去除表面水分，以防止水分子的存在，在下述步骤的磁控溅射过程中，影响纳米类金刚石涂层的质量。优选的，所述干燥处理的温度为70-100℃，时间为10-60min。具体的，可以将工件置于干燥箱中进行干燥处理。
上述步骤S02中，将所述金刚石轮砂基体置于PVD磁控溅射室中，通过磁控溅射制备纳米类金刚石涂层。采用磁控溅射工艺，不仅操作简单易控，而且膜层厚度易于控制，镀膜面积大，镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀，能够适用于大批量镀膜生产。进一步的，以石墨作为靶材，以氩气和碳氢气体作为工作气体。其中，所述氩气优选为度大于等于99.995％的氩气，以保证所述纳米类金刚石涂层的薄层质量和薄层厚度均匀性。更进一步的，所述碳氢气体与所述氩气的流量比优选为0.02-0.3，从而厚度均一、致密的纳米类金刚石涂层。若所述碳氢气体与所述氩气的流量比过小，则所述纳米类金刚石涂层的生长速度过慢，制备效率降低；若所述碳氢气体与所述氩气的流量比过大，则不利于控制纳米类金刚石涂层的厚度，得到的纳米类金刚石涂层厚度不均，稳定性差。
具体的，所述磁控溅射过程中，溅射功率为1000W-4000W，溅射频率40kHZ-200KHZ，基底负偏压20V-100V，基体温度30℃-100℃。在此条件下，能够得到合适的沉积速率，纳米类金刚石颗粒能够深入到砂轮空隙中，全面覆盖在砂轮基体表面，从而有利于获得致密均匀、稳定性强的纳米类金刚石涂层。其中，溅射功率是影响沉积速率的一个最直接的因素，溅射功率的增加，沉积速率显著增大，但功率过大会造成靶材温升快，甚至导致靶材中毒。溅射频率与沉积速率成反比关系。当工作场强为定值时，频率越高，等离子体中正离子被加速的时间越短，正离子从外电场吸收的能量就越少，轰击靶的正离子能量也越低，靶的溅射速率也越低。但同样溅射频率过低，会导致离子能量过大，造成结合力不稳定。当衬底上加适当负偏压时，可以有效的提高沉积粒子与衬底结合、相互之间形成薄膜时的结合力以及薄膜致密性。偏压过高或过低都会影响镀膜的附着力，造成涂层平整性，致密性下降。
值得注意的是，本发明实施例中，所述溅射功率、碳氢气体与氩气流量比以及基底负偏压共同决定了DLC涂层沉积的速度，而所述基体温度会影响到纳米类金刚石涂层的硬度。
作为一个具体优选实施例，所述磁控溅射过程中，所述碳氢气体与所述氩气的流量比为0.125，溅射功率为2600W，溅射频率60kHz，基底负偏压100V，基体温度45℃。在此条件下，可以得到最佳沉积速率0.33μm/h，纳米类金刚石颗粒能够深入到砂轮空隙中，全面覆盖在砂轮基体表面，从而得到涂层致密均匀、稳定性最佳的纳米类金刚石涂层。
进一步的，由于所述金刚石砂轮还包括与所述金刚石砂轮基体相连的砂轮手柄，因此，所述磁控溅射过程中，将所述砂轮手柄进行保护处理，以避免所述砂轮手柄表面溅射类金刚石材料。所述保护处理可以采用套筒对砂轮手柄进行保护实现。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
S11.市购D6，粒度300#铜基烧结砂轮放入带有碱液的超声波清洗机中清洗10分钟；将砂轮放入干燥箱中干燥10分钟，干燥箱温度80度；
S12.将金刚石砂轮手柄部用锡箔纸包覆，将砂轮放入PVD炉中，设备参数如下：溅射功率2600W，碳氢气体与氩气流量比0.125，溅射频率60kHz，基底负偏压100V，基体温度45℃；涂层结束后取出砂轮。
对比例1
实施例1采用的市购D6，粒度300#铜基烧结砂轮。
实施例2
一种金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：
S21.市购D6，粒度300#电镀砂轮放入带有碱液的超声波清洗机中清洗10分钟；将砂轮放入干燥箱中干燥10分钟，干燥箱温度80度；
S22.将金刚石砂轮手柄部用锡箔纸包覆，将砂轮放入PVD炉中，设备参数如下：溅射功率2600W，碳氢气体与氩气流量比0.125，溅射频率60kHz，基底负偏压100V，基体温度45℃；涂层结束后取出砂轮。
对比例2
实施例2采用的市购D6，粒度300#电镀砂轮。
将实施例1制备的含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮与对比例1的市购D6，粒度300#铜基烧结砂轮的磨头寿命进行比较，测试参数和结果如下表1所示。
表1
由表1可见，在同等测试条件下，实施例1制备的含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮比不含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮的磨头寿命提高了10m，提高了33％。
将实施例2制备的含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮与对比例1的市购D6，粒度300#电镀砂轮的磨头寿命进行比较，测试参数和结果如下表2所示。
表1
由表2可见，在同等测试条件下，实施2制备的含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮比不含有纳米类金刚石涂层的金刚石砂轮的磨头寿命提高了3m，提高了20％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石砂轮，其特征在于，所述金刚石砂轮包括金刚石砂轮基体，以及设置在所述金刚石砂轮基体表面的纳米类金刚石涂层。
2.如权利要求1所述的金刚石砂轮，其特征在于，所述纳米类金刚石涂层的厚度为2-5μm。
3.如权利要求1或2所述的金刚石砂轮，其特征在于，还包括与所述金刚石砂轮基体相连的砂轮手柄。
4.一种金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供待处理的金刚石轮砂基体，进行表面清洁后，干燥处理；
将所述金刚石轮砂基体置于PVD磁控溅射室中，以石墨作为靶材，以氩气和碳氢气体作为工作气体，在所述金刚石轮砂基体表面磁控溅射纳米类金刚石涂层，其中，所述磁控溅射过程中，溅射功率为1000W-4000W，溅射频率40kHZ-200KHZ，基底负偏压20V-100V，基体温度30℃-100℃。
5.如权利要求4所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述碳氢气体与所述氩气的流量比为0.02-0.3。
6.如权利要求4所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述氩气的纯度大于等于99.995％。
7.如权利要求4-6任一项所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射过程中，所述碳氢气体为甲烷，所述甲烷与所述氩气的流量比为0.125，溅射功率为2600W，溅射频率60kHz，基底负偏压100V，基体温度45℃。
8.如权利要求4-6任一项所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述表面清洁的方法为：将所述金刚石轮砂基体置于碱液中，进行超声清洗处理。
9.如权利要求4-6任一项所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述干燥处理的温度为70-100℃，时间为10-60min。
10.如权利要求4-6任一项所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述金刚石砂轮还包括与所述金刚石砂轮基体相连的砂轮手柄，所述磁控溅射过程中，将所述砂轮手柄进行保护处理，以避免所述砂轮手柄表面溅射类金刚石材料。
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