CN114406910A - 一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于蓝宝石减薄的金刚石砂轮盘及制备方法，所述金刚石砂轮盘由金刚石砂轮齿与铝基体组成，其中金刚石砂轮齿的原料，按质量百分比计，由如下组份组成：金刚石微粉：5‑10％，Ti粉末：65‑75％，Al粉：15‑20％，石墨：5‑10％；所述金刚石微粉选自三型料或四型料，所述金刚石微粉的粒径为35‑40μm。本发明所提供的砂轮力学性能和磨削性能优异，抗弯强度可达90.5MPa，硬度可达48.6HRC，可正常减薄100μm以上蓝宝石薄片，表面质量良好，破片率低于0.1％，寿命达7000‑8000片，该砂轮对推动蓝宝石薄片的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘及其制备方法，属于磨料磨具制造领域。
背景技术
蓝宝石是一种常用的光学材料和半导体材料。由于蓝宝石的透光率好、硬度高、不易受损伤等优点常用作高端光学镜头；此外，蓝宝石导热系数高，热膨胀系数小，可在其表面外延生长氮化镓用于LED发光。随着Mini和Micro技术的突破，蓝宝石薄片的用量大幅增加，而对应的蓝宝石减薄也成为了重要一环。目前市面上所用的砂轮主要为树脂砂轮和青铜砂轮，树脂砂轮锋利度高，但保型性较差。过早脱落的金刚石会对蓝宝石表面造成严重划伤，破片率升高，尤其是150μm以下的薄片，无法达到磨削要求。青铜砂轮的保型性过高，金刚石无法较快脱落，而造成磨削过程中出现负载报警，甚至压碎蓝宝石片。专利CN105437089A公开了一种蓝宝石减薄金刚石树脂砂轮及制备方法，将树脂粘结剂作为粘结剂并加入了填料，有效减少了产品的崩边率，提高锋利度。但树脂材料本身的性质决定了所制备的金刚石砂轮保型性不足，从而导致砂轮寿命偏低。
发明内容
针对现有的蓝宝石薄片减薄砂轮的不足，本发明目的在于提供一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘及其制备方法，所制备的金刚石砂轮盘具有较好的锋利度和使用寿命，蓝宝石薄片经减薄后表面光洁度好，破片率低于0.1％，损伤层浅，没有负载过高现象出现，寿命高达8000片。此外砂轮制作简单、成本低、可规模化生产。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘，所述金刚石砂轮盘由金刚石砂轮齿与铝基体组成，其中金刚石砂轮齿的原料，按质量百分比计，由如下组份组成：金刚石微粉：5-10％，Ti粉末：65-75％，Al粉：15-20％，石墨：5-10％；所述金刚石微粉选自三型料或四型料，所述金刚石微粉的粒径为35-40μm。
本发明的金刚石砂轮齿原料中，金刚石微粉选自三型料或四型料，三型料或四型料有较高的强度所制备的砂轮耐磨性能好，金刚石的粒径在35-40μm，可保证蓝宝石表面质量好且磨削效率高，若金刚石粒度过小则锋利度变差，粒度过大则蓝宝石表面质量变差。在本发明中原料配比中选择了Ti-Al作为粘结剂组分，Ti粉和Al粉经烧结后形成金属间化合物，其既具有金属键又具有共价键，因此所制备的砂轮既有金属砂轮的高保型性，又有陶瓷砂轮的锋利度。较好的锋利度可使蓝宝石表面光洁度更高，同时避免在磨削过程中出现负载报警和锋利度不足引起的碎裂。
当然Ti粉和Al粉的加入量需要控制在本发明之内才能够获得优异的效果，若Ti粉过多Al粉过少会使砂轮烧结过程中液相过少，难以致密，力学性能偏低；若Ti粉过少Al粉过多则材料韧性过高，砂轮的锋利度不足，影响砂轮的磨削效果。
另外配方中还加入了一定数量的石墨作为造孔剂，一方面石墨可以起到润滑作用，减少摩檫力使磨削过程更加顺畅，提高蓝宝石表面质量；另一方面，石墨在砂轮胎体中可视为气孔，磨削液储存在石墨中可起到降低磨削温度的作用。
优选的方案，所述金刚石砂轮齿的原料，按质量百分比计，由如下组份组成：金刚石微粉：8-9％，Ti粉：67-72％，Al粉：15-20％，石墨：5-6％。
优选的方案，所述石墨的粒径为100-150μm。
本发明中所用石墨的颗粒均匀，形状规则。
发明人发现，石墨的粒径会对金刚石砂轮盘的性能具有一定的影响，若石墨颗粒过大会造成金刚石砂轮齿的力学性能急剧下降，砂轮的保型性变差，颗粒尺寸不均匀或形状不规则会出现石墨偏聚的现象而导致砂轮齿的稳定性下降；若石墨的粒径过小，则无法起到冷却的效果。
本发明一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取金刚石、Ti粉、Al粉、石墨、混合获得混合料，然后在混合料中加入成型剂，造粒获得粒料，将粒料置于模具中，烧结即得砂轮齿，将金刚石砂轮齿胶镶嵌粘接在铝基体上，固化后即得金刚石砂轮盘。
优选的方案：将金刚石微粉、Ti粉、Al粉、石墨混合后过80目筛取筛下物，然后将筛下物置于在V型混料器中混料，球料比为1：3-5，转速为20-25rpm，时间为24-36h。
发明人发现，先将原料粉末初步混合后，过一次筛取筛下物再混合，可以混合的更加均匀，使最终材料的致密度更高。
优选的方案，所述成型剂为石蜡，所述石蜡的加入量为混合料质量的6-8w t.％。
进一步的优选，将石蜡加热至70-80℃获得石蜡液，然后在混合粉中加入石蜡液，并搅拌均匀，挤压过筛，干燥，获得粒料。
所述干燥的温度为40-50℃，干燥的时间为2h以上。
优选的方案，所述粒料的粒径为300-500μm。将粒料控制在该范围内，即可以很好的装料，又具有很好的流动性，可以保证均匀性。
优选的方案，所述烧结在保护气氛下进行，烧结过程为：先以15-25℃/min的升温速率升温至300-450℃，保温20-40min，再以15-25℃/min的升温速率升温至600-700℃，保温10-30min，最后以8-12℃/min的升温速率升温至800-900℃并保温60-90min。
本发明的烧结程序先于300-450℃下脱除石蜡，然后升温至600-700℃保温一段时间，使Ti与Al充分反应扩散，最终缓慢升温至800-900℃，烧结致密，获得均匀性好且致密的金刚石砂轮齿。
发明人发现，通过在600-700℃保温一段时间，使Ti与Al充分反应扩散，金刚石砂轮齿组织的均匀性。
优选的方案，所述烧结压力为10-15MPa。在本发明中，烧结压力需要有效控制，若过高的压力会使砂轮环密度过高，胎体对金刚石的把持力过大而不易脱落，压力过低则难以致密化。
在本发明的制备方法，通过将原料造粒后，于保护气氛下低压烧结，发明人发现，通过造粒后低密度的金刚石和石墨不易与高密度的金属粉发生分离，避免了成分偏析，同时造粒后颗粒的流动性更好，装模更加均匀，最终经压力烧结后获得致密的金刚石砂轮齿。
在本发明中将金刚石砂轮齿胶镶嵌粘接在铝基体上所用胶水为AB混合型环氧树脂胶，在实际操作过程中，采用3M公司生产的AB混合型环氧树脂胶。
有益效果：
1、本发明的金刚石砂轮齿原料中，金刚石微粉选自三型料或四型料，三型料或四型料有较高的强度所制备的砂轮耐磨性能好，金刚石的粒径在35-40μm，可保证蓝宝石表面质量好且磨削效率高，若金刚石粒度过小则锋利度变差，粒度过大则蓝宝石表面质量变差。在本发明中原料配比中选择了Ti-Al作为粘结剂组分，Ti粉和Al粉经烧结后形成金属间化合物，其既具有金属键又具有共价键，因此所制备的砂轮既有金属砂轮的高保型性，又有陶瓷砂轮的锋利度。较好的锋利度可使蓝宝石表面光洁度更高，同时避免在磨削过程中出现负载报警和锋利度不足引起的碎裂。另外配方中还加入了一定数量的石墨作为造孔剂，一方面石墨可以起到润滑作用，减少摩檫力使磨削过程更加顺畅，提高蓝宝石表面质量；另一方面，石墨在砂轮胎体中可视为气孔，磨削液储存在石墨中可起到降低磨削温度的作用。
2.本发明中金刚石砂轮齿的制备过程中，采用惰性气氛低压烧结条件，并在600-700℃，保温10-30min，此时Al发生熔化并浸润Ti粉，元素快速扩散，而使Ti-Al充分反应形成Ti-Al金属间化合物。Ti对金刚石浸润性良好，Al会与金刚石表面的不饱和碳原子形成化学键，从而提高砂轮胎体材料对金刚石的把持力。
3.本发明所提供的砂轮力学性能和磨削性能优异，抗弯强度可达90.5MPa，硬度可达48.6HRC，可正常减薄100μm以上蓝宝石薄片，表面质量良好，破片率低于0.1％，寿命达7000-8000片，该砂轮对推动蓝宝石薄片的发展具有重要意义。
附图说明
图1本发明实施例1中金刚石砂轮盘的显微组织形貌
实施例1
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过80目筛，取筛下物，然后将筛下物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 72ωt.％ | 15ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
实施例2
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过200目筛，取筛下物，然后将筛下物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 69ωt.％ | 18ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
实施例3
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过200目筛，取筛下物，然后将筛下物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 67ωt.％ | 20ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
实施例4
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过200目筛，取筛下物，然后将筛下物，，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 69ωt.％ | 18ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至850℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物金刚石砂轮盘。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
实施例5
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过200目筛，取筛下物，然后将筛下物，，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 69ωt.％ | 18ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至800℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
对比例1
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比配取原料，混合、过80目筛，取筛下物，然后将筛下物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 77ωt.％ | 10ωt.％ |
所用金刚石微粉为一型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
对比例2
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比制备粉末混合物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 69ωt.％ | 18ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为20-30μm，所用石墨粒径为100-150μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
对比例3
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比制备粉末混合物，在V型混料器中以球料比1:5、20rpm速度下混合24h，制备均匀粉末混合物。
| 组分 | 金刚石微粉 | 石墨 | Ti粉 | Al粉 |
| 质量百分比 | 8ωt.％ | 5ωt.％ | 69ωt.％ | 18ωt.％ |
所用金刚石微粉为三型料，平均粒径为35-40μm，所用石墨粒径为200-250μm。
2.在粉末混合物中加入6ωt.％的石蜡成型剂，搅拌均匀，过筛，造粒，装入石墨模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，再以20℃/min升温至650℃，保温20min，随后以10℃/min将温度升高至900℃并保温90min，，烧结压力为12MPa反应合成、烧结、冷却后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮齿。
4.将砂轮齿平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24h固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘。
表1实施例与对比例所制备的金刚石砂轮盘的性能
Claims (10)
1.一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘，其特征在于：所述金刚石砂轮盘由金刚石砂轮齿与铝基体组成，其中金刚石砂轮齿的原料，按质量百分比计，由如下组份组成：金刚石微粉：5-10％，Ti粉：65-75％，Al粉：15-20％，石墨：5-10％；所述金刚石微粉选自三型料或四型料，所述金刚石微粉的粒径为35-40μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘，其特征在于：所述金刚石砂轮齿的原料，按质量百分比计，由如下组份组成：金刚石微粉：8-9％，Ti粉：67-72％，Al粉：15-20％，石墨：5-6％。
3.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘，其特征在于：所述石墨的粒径为100-150μm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按设计比例配取金刚石微粉、Ti粉、Al粉、石墨、混合获得混合料，然后在混合料中加入成型剂，造粒获得粒料，将粒料置于模具中，烧结即得砂轮齿，将金刚石砂轮齿胶镶嵌粘接在铝基体上，固化后即得金刚石砂轮盘。
5.根据权利要求4任意一项所述的一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：将金刚石微粉、Ti粉、Al粉、石墨混合后过80目筛取筛下物，然后将筛下物置于V型混料器中混料，球料比为1：3-5，转速为20-25rpm，时间为24-36h。
6.根据权利要求4所述的一种用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：所述成型剂为石蜡，所述石蜡的加入量为混合料质量的6-8w t.％。
7.根据权利要求6所述的用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：将石蜡加热至70-80℃获得石蜡液，然后在混合粉中加入石蜡液，并搅拌均匀，挤压过筛，干燥，获得粒料。
8.根据权利要求4所述的用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：所述粒料的粒径为300-500μm。
9.根据权利要求4所述的用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：所述烧结在保护气氛下进行，烧结过程为：先以15-25℃/min的升温速率升温至300-450℃，保温20-40min，再以15-25℃/min的升温速率升温至600-700℃，保温10-30min，最后以8-12℃/min的升温速率升温至800-900℃并保温60-90min。
10.根据权利要求4所述的用于蓝宝石薄片减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：所述烧结压力为10-15MPa。
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