CN112372522A - 一种蓝宝石衬底减薄砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其由基体及沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上的刀头组成，所述刀头包括4～10份金刚石粉、80～95份金属结合剂、5～15份低熔点玻璃粉、5～10份填充剂、0.1～0.2份脱膜剂及0.2～0.5份湿润剂，并经混料、压制、烧结、整形而成。本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮自锐性好，使用寿命长，韧性好、耐冲击。

Description

一种蓝宝石衬底减薄砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及晶体材料加工技术领域，尤其涉及一种蓝宝石衬底减薄砂轮及其制备方法。
背景技术
蓝宝石晶体作为一种集优良光学性能、物理性能、机械性能和化学性能于一体的晶体材料，广泛应用于LED照明衬底材料、导弹导引头球罩、高能探测和高功率强激光窗口。
在蓝宝石LED衬底制作过程中需要对蓝宝石需进行切片、倒角和减薄(从0.8~1.7mm减至0.3~0.65 mm)、研磨等工序，越到工序后期，加工精度和难度逐渐增加。减薄的工序对蓝宝石衬底的质量起到关键作用，由于蓝宝石晶体莫氏硬度达9，仅次于金刚石，减薄与表面平坦化加工非常困难，如采用普通的金属结合剂金刚石磨具对蓝宝石晶体进行加工时，因为结合剂自锐性差，加工效率低，并且加工时表面易被阻塞，从而拉伤蓝宝石表面，甚至产生较深的划痕和碎裂，现阶段蓝宝石衬底减薄主要采用自锐性好的树脂蓝宝石衬底减薄砂轮或陶瓷结合剂蓝宝石衬底减薄砂轮进行加工。
中国发明专利ZL201510892167.8公开了一种蓝宝石衬底减薄砂轮，该砂轮磨料层含金刚石磨料16%～22%、碳化硼磨料，并以含量为28～32%的聚酰亚胺树脂为结合剂，并添加19～22%的石墨以调节自锐性。
中国专利公开CN 110125822 A公开了一种用于蓝宝石衬底晶片磨削的固着磨具，包括三氧化二铬磨粒99～99.875%，聚乙烯醇树脂结合剂0.125～1%。
中国专利公开CN 105437089 A公开了一种蓝宝石减薄金刚石树脂砂轮，由以下重量百分比的物质组成，金刚石粉末19～33%、酚醛树脂粉45～49%、铜粉16～20%、铝粉2～5%、绿碳化硅粉2～4%、氧化锌/氧化镁粉末2～3%。
树脂结合剂或陶瓷结合剂金刚石砂轮对蓝宝石衬底材料进行减薄加工时，虽自锐性好，不存在阻塞问题，但树脂结合剂对金刚石的把持力较差，金刚石没有能够充分利用就脱落，造成砂轮使用寿命短、面形稳定性差，所加工衬底材料面形不好。自锐性好，而寿命又长的，配方较为独特的金属结合剂减薄砂轮，是蓝宝石衬底减薄砂轮的发展方向。
中国专利公开CN 106863152 A公开了一种金属结合剂、采用该结合剂制备的金刚石砂轮及其制造方法，金属结合剂为铜锡预合金粉95～99% ,石墨粉0.5～3%，纳米A12O30.5～2%。铜锡预合金粉中锡40～55%，余量为铜。按照一定配比取铜锡预合金粉末、石墨粉、纳米。A1z203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，制得蓝宝石衬底减薄砂轮。但预合金粉中过高的锡含量，易造成结合剂硬度过剩而韧性不足，导致减薄砂轮耐冲击性能不好，在使用过程中，刀头易损坏。
发明内容
本发明针对现有树脂结合剂蓝宝石衬底减薄砂轮使用寿命短、金属结合剂蓝宝石衬底减薄砂轮耐冲击性能不好的问题，提供一种自锐性好，使用寿命长，韧性好、耐冲击的蓝宝石衬底减薄砂轮。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮由基体及沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上的刀头组成，所述刀头包括金刚石粉、金属结合剂、低熔点玻璃粉、填充剂、脱膜剂及湿润剂，并经混料、热压、粘接、整形而成，上述各组分重量份数比为：金刚石粉4～10份、金属结合剂80～95份、低熔点玻璃粉5～15份、填充剂5～10份、湿润剂0.2～0.5份及脱膜剂0.1～0.2份。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，其刀头制备方法如下：（1）将金刚石粉、金属结合剂、低熔点玻璃粉、填充剂、脱膜剂及湿润剂按重量份数比投料，并混合均匀得到成型料；（2）将成型料装入模具内，在还原或真空气氛下，10～20分钟升温至500～650℃，在25～35MPa压力下，保温烧结3～10分钟；经15～35分钟降温至300～400℃，脱模即得到半成品刀头；（3）将半成品刀头除去飞边及毛剌得到刀头成品。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，所述刀头制备方法中将成型料装入模具内，在还原或真空气氛下，10～20分钟升温至500～650℃，在25～35MPa压力下，保温烧结3～10分钟后，还可继续升温至660～800℃，在25～35MPa压力下，保温烧结2～8分钟；经20～40分钟降温至300～400℃，脱模即得到半成品刀头。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，所述金刚石粉可选用常规金刚石粉，也可选用经过急速降温处理的金刚石粉，优选经过急速降温处理的金刚石粉。金刚石粉急速降温处理步骤如下: (1)加热金刚石粉至550～800℃，保温1～3小时；(2)以水冷或油冷方式，将金刚石粉快速冷却，降温冷却速度快于500℃/30秒。(3)清洗、烘干、备用。优选水冷方式急速降温。
通过急速降温处理可以提高金刚石粉的自锐性，进而防止减薄砂轮加工蓝宝石衬底过程中出现钝化现象。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，所述金刚石粉颗径为50～500目。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，所述金属结合剂包括粒径400～1000目的铜锡20合金粉、铜粉、锌粉，并经混合均匀而成，上述各组份质量份数为：铜锡20合金粉75～84份、铜粉4～10份、锌粉4～8份；所述低熔点玻璃粉粒径为5～50µm，工艺温度为500～850℃。
本发明所公开的蓝宝石衬底减薄砂轮，所述填充剂为粒径500～1000目的氧化铝、氧化钙、碳酸钙、碳化硅、氧化硅，石墨、金属氧化物空心球中的一种或几种的组合物；所述脱膜剂为硬脂酸锌、硬脂酸钠、聚乙烯蜡、氢化聚乙烯蜡中的一种或几种的组合物；所述湿润剂为甘油、液体石蜡、聚乙烯醇缩醛无水乙醇溶液中的一种或几种的组合物。
本发明所公开方法制备的蓝宝石衬底减薄砂轮，自锐性好、加工效率高、使用寿命长，韧性好、耐冲击。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做出的各种改动或修改，这些等价形式仍属于本发明申请所附权利要求书限定的范围。
实施例1
本实施例步骤如下：(1) 325/400金刚石粉加热至560℃，保温2小时，通过水冷方式，以快于500℃/30秒的降温冷却速度，将金刚石粉快速冷却，清洗，烘干，得到急速降温处理的金刚石粉；(2)按重量份数比将500目铜锡20合金粉76份、400目铜粉6份、800目锌粉7份，混合均匀，得到金属结合剂；(3)按重量份数比将经过急速降温处理325/400金刚石粉5份、金属结合剂85份、GT40低熔点玻璃粉8份、500～1000目碳化硅4份、500～1000目二氧化硅空心球3份、甘油0.5份及硬脂酸锌0.2份，混合均匀，得到成型料；(4) 将成型料装入模具内，在氢气保护下15分钟升温至600℃，在30MPa压力下，保温烧结5分钟；经15分钟降温至350℃，脱模即得到半成品刀头；(5) 将半成品刀头除去飞边及毛剌得到刀头成品；(6)将刀头成品沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上，形成蓝宝石衬底减薄砂轮。
实施例2
本实施例步骤如下： (1)按重量份数比将200/230金刚石粉5份、600目铜锡20合金粉75份、600目铜粉6份、800目锌粉5份、FD61低熔点玻璃粉10份、600目三氧化二铝8份、液体石蜡0.4份及聚乙烯蜡0.2份，混合均匀，得到成型料；(2) 将成型料装入模具内，抽真空，12分钟升温至650℃，在28MPa压力下，保温烧结8分钟；经20分钟降温至320℃，脱模即得到半成品刀头；(3) 将半成品刀头除去飞边及毛剌得到刀头成品；(4)将刀头成品沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上，形成蓝宝石衬底减薄砂轮。
实施例3
本实施例步骤如下： (2)按重量份数比将400目铜锡20合金粉80份、600目铜粉8份、800目锌粉5份，混合均匀，得到金属结合剂；(3)按重量份数比将70/80金刚石粉9份、金属结合剂90份、GT55低熔点玻璃粉8份、600目碳化硅6份、甘油0.2份、液体石蜡0.2份、硬脂酸锌0.1份、聚乙烯蜡0.1份，混合均匀，得到成型料；(4) 将成型料装入模具内，抽真空，15分钟升温至580℃，在30MPa压力下，保温烧结4分钟，继续升温至750℃，在25MPa压力下，保温烧结3分钟，经25分钟降温至350℃，脱模即得到半成品刀头；(5) 将半成品刀头除去飞边及毛剌得到刀头成品；(5)将刀头成品沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上，形成蓝宝石衬底减薄砂轮。
将实施例1至3所制备的蓝宝石衬底减薄砂轮，在砂轮转速1100rpm、进给速度1.7µm/s 、工作台转速160 rpm工况下，对蓝宝石衬底减薄进行减薄加工，加工过程中均无钝化现象发生，磨消耗比分别为5.3、5.2、5.3，可满足蓝宝石衬底减薄要求。

Claims (9)

1.一种蓝宝石衬底减薄砂轮，由基体及沿基体圆周方向等间距粘接于基体之上的刀头组成，其特征在于：所述刀头包括金刚石粉、金属结合剂、低熔点玻璃粉、填充剂、脱膜剂及湿润剂，并经混料、热压、粘接、整形而成，上述各组分重量份数比为：金刚石粉4～10份、金属结合剂80～95份、低熔点玻璃粉5～15份、填充剂5～10份、湿润剂0.2～0.5份及脱膜剂0.1～0.2份；其特征在于所述刀头制备方法如下：（1）将金刚石粉、金属结合剂、低熔点玻璃粉、填充剂、脱膜剂及湿润剂按重量份数比投料，并混合均匀得到成型料；（2）将成型料装入模具内，在还原或真空气氛下，10～20分钟升温至500～650℃，在25～35MPa压力下，保温烧结3～10分钟；经15～35分钟降温至300～400℃，脱模即得到半成品刀头；（3）将半成品刀头除去飞边及毛剌得到刀头成品。
2.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述刀头制备方法中将成型料装入模具内，在还原或真空气氛下，10～20分钟升温至500～650℃，在25～35MPa压力下，保温烧结3～10分钟后，还可继续升温至660～800℃，在25～35MPa压力下，保温烧结2～8分钟；经20～40分钟降温至300～400℃，脱模即得到半成品刀头。
3.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述金刚石粉还包括经过急速降温处理。
4.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述金刚石粉颗径为50～500目。
5.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述金属结合剂包括粒径400～1000目的铜锡20合金粉、铜粉、锌粉，并经混合均匀而成，上述各组份质量份数为：铜锡20合金粉75～84份、铜粉4～10份、锌粉4～8份。
6.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述低熔点玻璃粉粒径为5～50µm，工艺温度为500～850℃。
7.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述填充剂为粒径500～1000目的氧化铝、氧化钙、碳酸钙、碳化硅、氧化硅，石墨、金属氧化物空心球中的一种或几种的组合物。
8.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄砂轮，其特征在于：所述脱膜剂为硬脂酸锌、硬脂酸钠、聚乙烯蜡、氢化聚乙烯蜡中的一种或几种的组合物；所述湿润剂为甘油、液体石蜡、聚乙烯醇缩醛无水乙醇溶液中的一种或几种的组合物。
9.如权利要求3所述的金刚石粉，其特征在于所述急速降温处理步骤如下: (1)加热金刚石粉至550～800℃，保温1～3小时；(2)以水冷或油冷方式，将金刚石粉快速冷却，降温冷却速度快于500℃/30秒; (3)清洗、烘干、备用。
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