CN114516001A - 一种用于碳化硅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碳化硅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：泡沫金刚石：15‑25％，Ni粉：45‑65％，Al粉：10‑30％，氧化铝空心球：5‑15％，所述泡沫金刚石的粒径为8‑10μm。本发明制备的金刚石砂轮齿孔隙率高，容屑排屑能力强，且具有较好的锋利度，加工效率高，使用寿命长，碳化硅经减薄后表面光洁度好，破片率低，损伤层浅。从而解决了碳化硅晶体采用游离磨效率低，表面易划伤，对环境污染较大等问题。
Description
技术领域
本发明一种用于碳化硅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
碳化硅材料在半导体照明方面有非常广泛的应用，蓝宝石的导热系数为46W/(m.K)，单晶硅的导热系数为150W/(m.K)，而碳化硅的导热系数仅为490W/(m.K)，导热系数高，散热性能好，且热膨胀系数低，稳定性良好。因此，采用碳化硅作为衬底的LED照明亮度更高，能耗更低寿命更长，单位芯片面积更小，在大功率LED方面具有非常大的优势。碳化硅作为照明材料的衬底，需要进行切割、减薄。碳化硅的莫氏硬度高达9.2，在磨削过程中会产生大量热量，从而烧伤碳化硅磨削面，另一方面所产生的磨屑细小，会堵塞砂轮从而影响砂轮的锋利度。目前采用树脂砂轮以获得高表面质量的碳化硅，但磨削效率过低，砂轮消耗过快。专利CN111347354B所述的一种碳化硅晶体减薄用砂轮、制备方法及其应用，采用树脂作粘结剂，并加入较多造孔剂来改善砂轮的容屑排屑效果、同时硬脆金属相来改善树脂粘结剂的脆性，从而提高砂轮的锋利度。因此制备合适的固结金刚石砂轮来减薄碳化硅显得尤为重要。Ni-Al金属间化合物作为粘结剂所制备的金刚石砂轮自锐性好，锋利度高。砂轮中较高的气孔率保证了磨屑及时排出，冷却液可容纳在气孔中减少磨削产生的热量避免磨削烧伤碳化硅表面。
发明内容
针对现有的碳化硅减薄技术的不足，本发明目的在于提供一种用于碳化硅减薄的金刚石砂轮盘及其制备方法，所制备的金刚石砂轮齿孔隙率高，容屑排屑能力强，且具有较好的锋利度，加工效率高，使用寿命长，碳化硅经减薄后表面光洁度好，破片率低，损伤层浅。从而解决了碳化硅晶体采用游离磨效率低，表面易划伤，对环境污染较大等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明一种用于碳化硅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：泡沫金刚石：15-25％，Ni粉：45-65％，Al粉：10-30％，氧化铝空心球：5-15％，所述泡沫金刚石的粒径为8-10μm。
本发明的金刚石砂轮齿的原料中，所用泡沫金刚石为通过金属氧化物腐蚀所形成的泡沫结构的金刚石。所用的泡沫金刚石自锐性好，在磨削过程中自破碎，从而不断产生新的切削刃，从而使金刚石砂轮有高的锋利度，提高砂轮的磨削质量。另外，发明人发现，控制泡沫金刚石的粒径为8-10μm，对碳化硅的磨削质量最好，碳化硅表面质量好且磨削效率高，若泡沫金刚石粒度过小则砂轮锋利度不足，若泡沫金刚石粒度过大则碳化硅表面粗糙度过大，若采用单晶金刚石则碳化硅表面易划伤。
在本发明原料配比中选择了Ni-Al作为粘结剂组分，Ni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。较好的锋利度可使碳化硅表面光洁度更高，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，Ni与Al的加入量需要有效控制，若Ni过多Al过少则压制过程难以致密，所需的致密化温度过高，导致金刚石损伤较大；若Ni过少Al过多则所制备的金刚石砂轮齿强度过低，难以满足磨削要求。
在本发明原料配比中还加入了一定数量的氧化铝空心球作为造孔剂，通过造孔剂于金刚石砂轮盘中形成气孔，一方面气孔可以容纳磨削过程中产生的磨屑，砂轮不易产生堵塞；另一方面，气孔可以储存冷却液，及时带走磨削过程中产生的热量；此外，磨削脱落的金刚石可以容纳在气孔中，避免在磨削面表面滚动产生划伤；
而本发明中所选用的氧化铝空心球制备的气孔均匀性好，形状规则，气孔联通有助于冷却液带走磨削产生的热量并及时将磨屑排出。
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：泡沫金刚石：18-22％，Ni粉：50-60％，Al粉：10-20％，氧化铝空心球：8-12％，所述泡沫金刚石的粒径为8-10μm。
优选的方案，所述氧化铝空心球的粒径为100-150μm。
本发明所用氧化铝空心球的颗粒均匀，形状规则。
发明人发现，氧化铝空心球的粒径对最终材料的性能在一定的影响，氧化铝空心球颗粒过大或含量过高会造成金刚石砂轮盘齿的力学性能急剧下降，砂轮的保型性变差，甚至在磨削过程中出现塌边等问题；若氧化铝空心球的粒径过小或含量过少，则无法起到有效的冷却效果。
本发明一种用于碳化硅减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，包括如下步骤：
按设计比例配取泡沫金刚石、Ni粉、Al粉、氧化铝空心球混合均匀获得混合粉，然后在混合粉中加入成型剂，造粒获得粒料，将粒料置于模具中，烧结获得金刚石砂轮齿，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，将泡沫金刚石、Ni粉、Al粉、氧化铝空心球混合后过200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粉质量的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：先升温至300-350℃，保温20-40min，再升温至700-800℃，保温60-90min。
在实际操作过程中，将粒料装入钢模具中，开炉前1h通入保护气氛，并三次洗炉，再装好的模具放入炉内。
优选的方案，所述烧结压力为100-150MPa。
本发明在烧结过程中，采用了较高的压力，这是由于碳化硅在磨削过程中易产生极细的磨屑，这些磨屑会堵塞砂轮，因此本发明通过加入一定量的氧化铝空心球获得了较高的气孔率，以解决磨屑堵塞问题，但是碳化硅的莫氏硬度高达9.5，还需要砂轮具有较高的强度。所以当金刚石中有大量气孔时必须要通过大的压制压力来满足较高的强度要求。当然强度也不能过高，过高的压力会使模具发生变形，最终影响材料的成型性。
在本发明的制备方法，通过将原料造粒后，于保护气氛下高压烧结，发明人发现，通过造粒后低密度的金刚石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，最终经高压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镶嵌粘结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.本发明中采用泡沫金刚石作为磨料，泡沫金刚石表面有较多的孔洞，使金刚石表面形成了大量切削刃，在磨削过程中，小的切削刃不断发生脆性断裂而实现金刚石的自锐，新的切削刃不断露出，从而使砂轮有很好的自锐性和锋利度。被加工的碳化硅表面粗糙度更小，损伤层更浅。同时金刚石的比表面积增大，表面变得更为粗糙，粘结剂对金刚石的把持力更高，从而使砂轮既有很好的锋利度，又有较好的保型性。
2.本发明中Ni-Al金属间化合物粘结剂金刚石砂轮盘制备过程中，选用一定数量的氧化铝空心球作为填料可以提高砂轮的脆性从而保证了砂轮的高锋利度。气孔中容纳的冷却液可以及时带走磨削过程中产生的热量，避免烧伤碳化硅。
3.本发明中新型金刚石砂轮盘制备过程中，采用惰性气氛保护，减少了烧结过程中粉料的氧化，Ni-Al经充分烧结扩散后产生Ni2Al和Ni2Al3，高的脆性保证了砂轮有较好的锋利度。
4、本发明制备的金刚石砂轮齿孔隙率高，容屑排屑能力强，且具有较好的锋利度，加工效率高，使用寿命长，碳化硅经减薄后表面光洁度好，破片率低，损伤层浅。从而解决了碳化硅晶体采用游离磨效率低，表面易划伤，对环境污染较大等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的所得碳化硅减薄用砂轮断面显微形貌。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但发明的保护范围并不局限于此。
以下实施例中所用泡沫金刚石构买于河南惠丰金刚石有限公司。
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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 50ωt.％ | 20ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 55ωt.％ | 15ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 60ωt.％ | 10ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 50ωt.％ | 20ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为125MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，测试结果如表1所示。
实施例5
实施工艺步骤为：
1.按下表组分配比制备粉末混合物，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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 50ωt.％ | 20ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为100MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 65ωt.％ | 5ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，测试结果如表1所示。
对比例2
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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 15ωt.％ | 40ωt.％ | 30ωt.％ | 15ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，测试结果如表1所示。
对比例3
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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 50ωt.％ | 20ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至600℃并保温90min，压制压力为150MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，测试结果如表1所示。
对比例4
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 | 泡沫金刚石 | Ni粉 | Al粉 | 氧化铝空心球 |
| 质量百分比 | 20ωt.％ | 50ωt.％ | 20ωt.％ | 10ωt.％ |
所用泡沫金刚石为三型料，平均粒径为8-10μm，所用氧化铝空心球粒径为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，装入钢模具。
3.将装料后的模具置入氩气气氛下300℃保温40min脱气、脱脂，随后将温度升高至750℃并保温90min，压制压力为200MPa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.将砂轮环平磨至一定尺寸后，用AB型环氧树脂胶镶嵌粘至铝基体上，24小时固化完成后即得到金属间化合物粘结剂金刚石砂轮。
将按照上述方法制得的超硬材料金刚石砂轮进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1实施例与对比例所制备的金刚石砂轮盘的性能
Claims (10)
1.一种用于碳化硅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：泡沫金刚石：15-25％，Ni粉：45-65％，Al粉：10-30％，氧化铝空心球：5-15％，所述泡沫金刚石的粒径为8-10μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅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：泡沫金刚石：18-22％，Ni粉：50-60％，Al粉：10-20％，氧化铝空心球：8-12％，所述泡沫金刚石的粒径为8-10μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅减薄的金刚石砂轮盘，其特征在于：所述氧化铝空心球的粒径为100-150μm。
4.权利要求1-3任意一项所述的一种用于碳化硅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：
按设计比例配取泡沫金刚石、Ni粉、Al粉、氧化铝空心球混合均匀获得混合粉，然后在混合粉中加入成型剂，造粒获得粒料，将粒料置于模具中，烧结获得金刚石砂轮齿，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所述的一种用于碳化硅减薄的金刚石砂轮盘的制备方法，其特征在于：将泡沫金刚石、Ni粉、Al粉、氧化铝空心球混合后过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所述的一种用于碳化硅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粉质量的6-8w t.％。
7.根据权利要求6所述的一种用于碳化硅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所述的一种用于碳化硅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所述的一种用于碳化硅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：先升温至300-350℃，保温20-40min，再升温至700-800℃，保温60-90min。
10.根据权利要求4所述的一种用于碳化硅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100-150MPa。
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