CN115846651A - 一种金属抛光盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于抛光盘技术领域，具体涉及一种金属抛光盘及其制备方法。本发明公开了一种面向CVD金刚石抛光的新型合金抛光盘及其制备方法，在确保与金刚石具有高化学活性的基础上，设计具有高强度、硬度、耐磨性，高温稳定性和抗高温蠕变性的新型合金，并使用纳米和微米金刚石来对此类新型合金抛光盘的力学性能进行进一步增强，以保证抛光工具良好的加工性能。相对于传统的铸铁和不锈钢抛光盘而言，所设计的新型合金抛光盘具有更优异的强度硬度、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，可以更好的胜任化学机械抛光过程中的环境与条件；加入适当粒径与含量的纳米金刚石、微米金刚石后，抛光盘的力学性能及耐磨性得到提高，能极大提高加工效率。
Description
技术领域
本发明属于抛光盘技术领域，具体涉及一种金属抛光盘及其制备方法。
背景技术
CVD法(化学气相沉积)制备的单晶或多晶金刚石膜的平坦化加工过程在粗加工之后需要进行化学机械抛光以进一步提高其表面质量。而面向CVD金刚石膜的化学机械抛光盘需要兼具以下几个方面的性能才能获得足够高的抛光效率和抛光质量：(1)具有较高的化学活性，这样在摩擦过程中抛光盘能与金刚石产生反应(碳化，或催化金刚石石墨化)，以提高材料的去除效率；(2)具有较高的耐腐蚀性，化学机械抛光过程中往往需要在抛光液中添加促进金刚石反应的化学试剂(H2O2试剂，芬顿试剂等),因此需要保证抛光盘材料的耐腐蚀性；(3)具有较高的力学性能，抛光盘需要具备足够高的硬度、弹性模量、抗压和抗弯强度等力学性能，以确保抛光过程中施加法向载荷和摩擦力作用下，抛光盘的变形被限定在最小范围内，从而确保抛光加工的面形精度；(4)具有较高的高温力学性能和抗氧化性，在化学机械抛光过程中，由于瞬时抛光速度较高，抛光盘与金刚石膜的摩擦瞬时温度较高，有可能达到几百度，在该温度下，如果抛光盘没有足够的高温力学性能和抗氧化性，则有可能形成瞬时的变形和氧化行为。因此，需要抛光盘具有较高的高温力学性能和抗氧化性能。
然而，以往面向金刚石抛光的金属抛光盘更多地还是关注抛光盘对金刚石的化学活性，比如，不锈钢盘、铸铁盘、镍盘等,而同时具备上述四个方面性能的抛光盘材料还很缺乏。因此，有必要提出一种同时兼具较高的化学活性、耐腐蚀性、力学性能、高温力学性能和抗氧化性的新型抛光盘。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种金属抛光盘及其制备方法，在确保与金刚石具有高化学活性的基础上，设计具有高强度、硬度、耐磨性，高温稳定性和抗高温蠕变性的新型合金，并使用纳米和微米金刚石来对此类新型合金抛光盘的力学性能进行进一步增强，以保证抛光工具良好的加工性能。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明第一方面提供了一种金属抛光盘，按重量份计，所述金属抛光盘包括30-100份新型合金粉末、0-70份Fe粉、0-20份纳米金刚石或微米金刚石，所述纳米金刚石的粒径为2-40nm，所述微米金刚石的粒径为1-200μm；所述新型合金粉末包含W、Nb、Mo、Ta、Cr、Fe、Mn、Ni中的4-5种元素，各元素均按0.5-1.5:0.5-1.5的摩尔比进行配比，各元素的粒径均为5-100μm。
优选地，按重量份计，所述金属抛光盘包括80份新型合金粉末、15份Fe粉、5份纳米金刚石或微米金刚石，所述纳米金刚石的粒径为2nm，所述微米金刚石的粒径为20μm；所述新型合金粉末由W、Nb、Mo、Ta、Cr组成，W、Nb、Mo、Ta、Cr之间的摩尔比为1:1:1:1:1，W、Nb、Mo、Ta、Cr的粒径均为20μm。
本发明第二方面提供了第一方面所述的金属抛光盘的制备方法，具体为：将所述新型合金粉末、Fe粉、纳米金刚石或微米金刚石混合均匀后冷压成压坯，再采用热压烧结工艺对冷压压坯进行热压烧结，最后通过电火花加工方法在烧结所得块体表面加工出冷却排屑沟槽，从而制备得到金属抛光盘。
优选地，所述新型合金粉末的制备方法为：将各元素在惰性气体氛围下通过球磨进行合金化，球磨的时间为5-50h，球料比10-30:1，转速为200-500rpm。
本发明提出了一种面向CVD金刚石抛光的新型合金抛光盘及其制备方法，率先提出一种经过设计的新型合金用来作为面向CVD金刚石抛光的抛光盘材料，通过特殊的成分设计，使其对金刚石具有极高的化学活性，同时还具备较高的强度硬度、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性等，可以极大地提高加工效率以及保证抛光后金刚石的面形精度。率先提出使用纳米金刚石、微米金刚石来对该新型合金抛光盘进行增强，制备的抛光盘力学性能更加优异，加工性能得到增强。
优选地，将所述新型合金粉末、Fe粉、纳米金刚石或微米金刚石在惰性气体氛围下通过球磨机混合均匀，球磨的转速为100-250r/min，球磨时间为0-5h，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
优选地，所述坯体的压坯致密度为40～60％，冷压压力为100-250MPa。
优选地，所述热压烧结在惰性气体氛围下进行，先以40-100℃/min的升温速率加热到800-1700℃，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保温5-50min后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种面向CVD金刚石抛光的新型合金抛光盘及其制备方法，在确保与金刚石具有高化学活性的基础上，设计具有高强度、硬度、耐磨性，高温稳定性和抗高温蠕变性的新型合金，并使用纳米和微米金刚石来对此类新型合金抛光盘的力学性能进行进一步增强，以保证抛光工具良好的加工性能。相对于传统的铸铁和不锈钢抛光盘而言，所设计的新型合金抛光盘具有更优异的强度硬度、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，可以更好的胜任化学机械抛光过程中的环境与条件，同时通过特殊设计使其包含更多催化金属元素，对金刚石的化学活性更佳，可以更高效地实现对金刚石的材料去除；加入适当粒径与含量的纳米金刚石、微米金刚石后，抛光盘的力学性能及耐磨性得到提高，同时加入的纳米金刚石、微米金刚石还可以对CVD金刚石膜表面进行加工，极大地提高加工效率，也可以起到抛光的作用。
附图说明
图1为新型合金抛光盘的制备流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1一种金属抛光盘的制备方法
该方法包括如下步骤：
(1)将W、Nb、Mo、Ta、Cr粉末(粒径均为20μm)按1:1:1:1:1的摩尔比进行称重，放入球磨机中在氩气/氮气气氛下通过球磨进行合金化，球料比为20:1，转速为350rpm，时长50h，制得新型合金。
(2)取100重量份新型合金粉末置入冷压磨具中进行冷压成型，得到压坯致密度为55％的坯体，冷压压力为220MPa，保压5min。
(3)将上述所得坯体进行保护气氛(氩气/氮气)热压烧结，以80℃/min的升温速度将坯体加热到1700℃，保温20min，烧结过程中同时施加60MPa的压力，随炉冷却后得到新型合金块体材料。
(4)通过检测得出，该新型合金块体材料的硬度大于800Hv，耐磨性、耐腐蚀性能良好。
(5)通过电火花加工方法在上述制得的块体材料表面加工出冷却排屑沟槽，修整后得到一种新型合金金属抛光盘，然后将其装备到抛光机上，用于CVD多晶金刚石膜(3.0×3.0×1.0mm)的化学机械抛光。结果表明，金刚石膜的材料去除率达65nm/h，而抛光盘的磨损率仅为0.5mm3/h，相比SUS304不锈钢盘(金刚石膜的材料去除仅为2nm/h)，抛光效率得到了大幅提升。抛光后金刚石膜的表面粗糙度(Ra)为0.8nm。综上所述，本实施例所得的金属抛光盘对金刚石膜的抛光具有较高的加工效率。
实施例2一种金属抛光盘的制备方法
该方法包括如下步骤：
(1)将W、Nb、Mo、Ta、Cr粉末(粒径均为20μm)按1:1:1:1:1的摩尔比进行称重，放入球磨机中在氩气/氮气气氛下通过球磨进行合金化，球料比为20:1，转速为350rpm，时长50h，制得新型合金。
(2)取80重量份新型合金粉末与15份的Fe粉、5份的纳米金刚石粉末(2nm)一起放入尼龙罐中(三种粉末的重量份为相同单位的重量份，比如g)，在行星球磨机中在氩气/氮气气氛下混合2h，其中球磨转速为150rpm，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
(3)将所得混合粉末放入冷压磨具中进行冷压成型，得到压坯致密度为55％的坯体，冷压压力为220MPa，保压5min；
(4)将上述所得坯体进行保护气氛(氩气/氮气)热压烧结，以60℃/min的升温速度将坯体加热到1100℃，保温10min，烧结过程中同时施加60MPa的压力，随炉冷却后得到新型合金块体材料。
(5)通过检测得出，该材料的硬度大于700Hv，耐磨性、耐腐蚀性能良好。
(6)通过电火花加工方法在上述制得的块体材料表面加工出冷却排屑沟槽，修整后得到一种新型合金金属抛光盘，然后将其装备到抛光机上，用于CVD多晶金刚石膜(3.0×3.0×1.0mm)的化学机械抛光。结果表明，金刚石膜的材料去除率达80nm/h，而抛光盘的磨损率仅为0.3mm3/h，相比SUS304不锈钢盘(金刚石膜的材料去除为2nm/h)，抛光效率得到了大幅提升。抛光后金刚石膜的表面粗糙度(Ra)为0.6nm。综上所述，本实施例所得的金属抛光盘对金刚石膜的抛光具有较高的加工效率。
抛光盘的制备流程如图1所示，本发明提出了一种面向CVD金刚石抛光的新型合金抛光盘及其制备方法，在确保与金刚石具有高化学活性的基础上，设计具有高强度、硬度、耐磨性，高温稳定性和抗高温蠕变性的新型合金，此外还可以在合金中均匀分散一定比例的微米金刚石或纳米金刚石颗粒来进一步增强其性能。烧结合金中的微米级金刚石具有固着磨粒的作用，可以提高CVD金刚石膜的材料去除效率，而在烧结过程中纳米金刚石表面与合金形成了弥散分布的碳化物，具有弥散强化的效应，进一步提升抛光盘的力学性能，同时未形成碳化物的纳米金刚石则脱落下来，形成游离磨粒的抛光效果，因此可以提高抛光盘对CVD金刚石膜的抛光表面质量。
实施例3一种金属抛光盘的制备方法
该方法包括如下步骤：
(1)将W、Nb、Mo、Ta、Cr粉末(粒径均为20μm)按1:1:1:1:1的摩尔比进行称重，放入球磨机中在氩气/氮气气氛下通过球磨进行合金化，球料比为20:1，转速为350rpm，时长50h，制得新型合金。
(2)取80重量份的新型合金粉末与15份的Fe粉，5份的微米金刚石粉末(20μm)一起放入尼龙罐中(三种粉末的重量份为相同单位的重量份，比如g)，在行星球磨机中在氩气/氮气气氛下混合2h，其中球磨转速为150rpm，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
(3)将所得混合粉末放入冷压磨具中进行冷压成型，得到压坯致密度为50％的坯体，冷压压力为220Mpa，保压5min。
(4)将上述所得坯体进行保护气氛(氩气/氮气)热压烧结，以60℃/min的升温速度将坯体加热到1100℃，保温10min，烧结过程中同时施加60MPa的压力，随炉冷却后得到新型合金块体材料(制备流程同样如图1所示)。
(5)通过检测得出，该材料的硬度大于750Hv，耐磨性、耐腐蚀性能良好。
(6)通过电火花加工方法在上述制得的块体材料表面加工出冷却排屑沟槽，修整后得到一种新型合金金属抛光盘，然后将其装备到抛光机上，用于CVD多晶金刚石膜(3.0×3.0×1.0mm)的化学机械抛光。结果表明，金刚石膜的材料去除率达100nm/h，而抛光盘的磨损率仅为0.2mm3/h，相比SUS304不锈钢盘(金刚石膜的材料去除为2nm/h)，抛光效率得到了大幅提升。抛光后金刚石膜的表面粗糙度(Ra)为1.2nm。综上所述，本实施例所得的金属抛光盘对金刚石膜的抛光具有较高的加工效率。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种金属抛光盘，其特征在于，按重量份计，所述金属抛光盘包括30-100份新型合金粉末、0-70份Fe粉、0-20份纳米金刚石或微米金刚石，所述纳米金刚石的粒径为2-40nm，所述微米金刚石的粒径为1-200μm；所述新型合金粉末包含W、Nb、Mo、Ta、Cr、Fe、Mn、Ni中的4-5种元素，各元素均按0.5-1.5:0.5-1.5的摩尔比进行配比，各元素的粒径均为5-100μm。
2.根据权利要求1所述的一种金属抛光盘，其特征在于，按重量份计，所述金属抛光盘包括80份新型合金粉末、15份Fe粉、5份纳米金刚石或微米金刚石，所述纳米金刚石的粒径为2nm，所述微米金刚石的粒径为20μm；所述新型合金粉末由W、Nb、Mo、Ta、Cr组成，W、Nb、Mo、Ta、Cr之间的摩尔比为1:1:1:1:1，W、Nb、Mo、Ta、Cr的粒径均为20μm。
3.权利要求1或2所述的金属抛光盘的制备方法，其特征在于，将所述新型合金粉末、Fe粉、纳米金刚石或微米金刚石混合均匀后冷压成压坯，再采用热压烧结工艺对冷压压坯进行热压烧结，最后通过电火花加工方法在烧结所得块体表面加工出冷却排屑沟槽，从而制备得到金属抛光盘。
4.根据权利要求3所述的金属抛光盘的制备方法，其特征在于，所述新型合金粉末的制备方法为：将各元素在惰性气体氛围下通过球磨进行合金化，球磨的时间为5-50h，球料比10-30:1，转速为200-500rpm。
5.根据权利要求3所述的金属抛光盘的制备方法，其特征在于，将所述新型合金粉末、Fe粉、纳米金刚石或微米金刚石在惰性气体氛围下通过球磨机混合均匀，球磨的转速为100-250r/min，球磨时间为0-5h，原料总体积不超过球磨罐体积的2/3。
6.根据权利要求3所述的金属抛光盘的制备方法，其特征在于，所述坯体的压坯致密度为40～60％，冷压压力为100-250MPa。
7.根据权利要求3所述的金属抛光盘的制备方法，其特征在于，所述热压烧结在惰性气体氛围下进行，先以40-100℃/min的升温速率加热到800-1700℃，升温阶段的烧结压力为20-100MPa，保温5-50min后随炉冷却至室温。
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