CN117103123B - 一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，涉及金刚石刀具修平表面的加工领域，所述方法包括以下步骤：确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型；确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求，包括深宽比和深度；根据深宽比需求选取合适的环境温度；根据深度需求选取合适的热处理时间；对过渡金属触媒的金刚石修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度、热处理时间，空冷。本发明提供的一种金刚石磨粒修平表面微纳结构成型的控制方法，具有金刚石刀具表面功能化应用于过渡金属加工的前景。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石刀具修平表面的处理技术，具体为一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法。
背景技术
由于金刚石具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高导热性和低热膨胀系数等突出优点，金刚石工具被广泛应用于脆性材料的超精密加工。当金刚石工具应用于加工过渡金属及其大多数合金时，由于过渡元素催化的热量在加工表面聚集，导致金刚石石墨化，从而造成金刚石过度磨损。通过修平金刚石磨粒表面，增大金刚石磨粒和工件的接触面积，是通过实现加工表面的热分散来抑制金刚石的热化学反应。因此，随着金刚石修平结晶面出现微纳级蚀刻现象，修平后的金刚石磨粒与工件之间的耦合面积增加，为加工界面上提供了更多的传热通道和二次传热过程，降低了工件表面温度，抑制刀具磨损，同时增加容屑空间。综上所述，实现金刚石磨粒修平表面微纳结构成型可控是一种提高金刚石刀具性能的有效方法。
现有技术中，金刚石磨粒修平表面刻蚀结构成型技术，使用强酸混合液对金刚石衬底进行加热处理，然后在金刚石衬底表面沉积相应图案的金属薄膜并放入快速退火炉下加热至指定刻蚀温度。该方法仅针对热处理参数进行调整，未考虑金刚石不同晶向表面差异。
发明内容
本发明是为了提供一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
S1、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型；
S2、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求，包括深宽比和深度；
S3、根据深宽比需求选取环境温度；
S4、根据深度需求选取热处理时间；
S5、对过渡金属触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为选取的环境温度、热处理时间，空冷。
进一步地，步骤S1中所述金刚石颗粒粒径为>500 μm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有（111）晶面的外法线最小夹角θ。
进一步地，待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有（111）晶面的外法线最小夹角θ范围为0°-55°。
进一步地，步骤S3中所述环境温度T选取范围为900K至1200K。
进一步地，步骤S4中热处理时间t选取范围为30min至60min。
进一步地，根据以下表达式选取温度以满足步骤S2中所述金刚石磨粒修平表面的微纳结构深宽比的需求：
（1）
其中为待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角；和/>分别为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值。
进一步地，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2为变量，由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料目数为#300~#500，当所述触媒材料为过渡金属铁时，φ g2取值为70.2，当所述触媒材料为过渡金属铜时，φ g2取值为17.7。
进一步地，步骤S2中金刚石磨粒修平表面微纳结构的深度需求在微米和纳米尺度实现，满足：
（4）
式中为待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角；和/>分别为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值。
进一步地，和/>满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值。
进一步地，根据以下表达式选取热处理时间t，所述金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值和/>满足：
（7）
其中T为选取的环境温度，φ g2由触媒材料的化学元素影响。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
1.实现金刚石刀具非自然表面的微纳结构尺度可控制造，适用面广；
2.针对不同晶向的金刚石磨粒修平表面，其微纳结构成型的尺寸需求，对热处理工艺参数进行数字化计算；
3.相同尺度需求的金刚石磨粒，可在同一批次加工制造，节约生产成本，提高加工效率，加工工艺操作简单，实现节能减排的目标。
附图说明
图1为本发明一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法原理图；
图2为金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角确立示意图；
图3为本发明由温度控制铁触媒金刚石磨粒修平表面微纳结构成型目标尺度的热处理工艺理论曲线图，其中（a）为深宽比k与热处理温度T的关联模型图，（b）为深度D与热处理温度T的关联模型图；
图4为本发明具体实施例1的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构成型的扫描电镜图；
图5为本发明具体实施例1的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构的宽度和深度之间的散点图，其中两条实线分别是目标深宽比和目标深度线；
图6为本发明具体实施例2的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构成型的扫描电镜图；
图7为本发明具体实施例2的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构的宽度和深度之间的散点图，其中两条实线分别是目标深宽比和目标深度线；
图8为本发明具体实施例3的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构的宽度和深度之间的散点图，其中两条实线分别是目标深宽比和目标深度线；
图9为本发明具体实施例4的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构的宽度和深度之间的散点图，其中两条实线分别是目标深宽比和目标深度线；
图10为本发明具体实施例5的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构成型的扫描电镜图；
图11为本发明具体实施例5的金刚石磨粒修平表面微拓扑结构的宽度和深度之间的散点图，其中两条实线分别是目标深宽比和目标深度线。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
1-1 、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型。进一步地，所述金刚石磨粒径为2.2mm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面晶面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角θ=55°，所述θ值为金刚石磨粒修平表面和（111）晶面的外法线最小夹角；
1-2 、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求为微米尺度，深宽比≈0.093和深度/>≈2.3 μm；
1-3 、根据步骤1-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型的深宽比≈0.093的需求和以下表达式，计算选取温度T=1173K
（1）
表达式（1）所述为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料为过渡金属铁，其目数为#300~#500，所述φ g2为数值为70.2；
1-4 、根据步骤1-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型深度≈2.3 μm需求，满足
（4）
其中和/>为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值，满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值，满足以下表达式。
（7）
得到热处理时间t= 60 min；
1-5 、对过渡金属铁触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度T= 1173 K和热处理时间t= 60 min，控制金刚石微米尺度结构成型尺寸需求为深宽比k≈0.093和深度D≈2.3 μm。处理金刚石磨粒修平表面微米结构成型图如图4所示，其表面微米结构深度和宽度如图5散点所示及目标深宽比和目标深度如图5实线所示。
实施例2
本实施例的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
2-1 、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型。进一步地，所述金刚石磨粒径为2.2mm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面晶面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角θ=0°，所述θ值为金刚石磨粒修平表面和（111）晶面的外法线最小夹角；
2-2 、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求为微米尺度，深宽比≈0.166和深度/>≈10.0 μm；
2-3 、根据步骤2-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型的深宽比≈0.166的需求和以下表达式，计算选取温度T=1173K
（1）
表达式（1）所述为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料为过渡金属铁，其目数为#300~#500，所述φ g2为数值为70.2；
2-4 、根据步骤2-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型深度≈10.0 μm需求，满足
（4）
其中和/>为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值，满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值，满足以下表达式。
（7）
得到热处理时间t= 60 min；
2-5 、对过渡金属铁触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度T= 1173 K和热处理时间t= 60 min，控制金刚石微米尺度结构成型尺寸需求为深宽比k≈0.166和深度D≈10.0 μm。处理金刚石磨粒修平表面微米结构成型图如图6所示，其表面微米结构深度和宽度如图7散点所示及目标深宽比和目标深度如图7实线所示。
实施例3
本实施例的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
3-1 、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型。进一步地，所述金刚石磨粒径为2.2mm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面晶面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角θ=55°，所述θ值为金刚石磨粒修平表面和（111）晶面的外法线最小夹角；
3-2 、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求为纳米尺度，深宽比≈0.077和深度/>≈0.4 μm；
3-3 、根据步骤3-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型的深宽比≈0.077的需求和以下表达式，计算选取温度T=1073K
（1）
表达式（1）所述为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料为过渡金属铁，其目数为#300~#500，所述φ g2为数值为70.2；
3-4 、根据步骤3-2中所述金刚石磨粒修平表面的纳米尺度结构成型深度≈0.4 μm需求，满足
（4）其中/>和为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值，满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值，满足以下表达式。
（7）
得到热处理时间t= 60 min；
3-5 、对过渡金属铁触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度T= 1073 K和热处理时间t= 60 min，控制金刚石纳米尺度结构成型尺寸需求为深宽比k≈0.077和深度D≈0.4μm。其表面纳米结构深度和宽度如图8散点所示及目标深宽比和目标深度如图8实线所示。
实施例4
本实施例的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
4-1 、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型。进一步地，所述金刚石磨粒径为2.2mm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面晶面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角θ=55°，所述θ值为金刚石磨粒修平表面和（111）晶面的外法线最小夹角；
4-2 、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求为微米尺度，深宽比≈0.089和深度/>≈1.5 μm；
4-3 、根据步骤4-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型的深宽比≈0.089的需求和以下表达式，计算选取温度T=1123K
（1）
表达式（1）所述为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料目数为#300~#500，当所述触媒材料为过渡金属铁时，φ g2取值为70.2，当所述触媒材料为过渡金属铜时，φ g2取值为17.7；
4-4 、根据步骤4-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型深度≈1.5 μm需求，满足
（4）
其中和/>为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值，满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值，满足以下表达式。
（7）
得到热处理时间t= 60 min；
4-5 、对过渡金属铁触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度T= 1123 K和热处理时间t= 60 min，控制金刚石微米尺度结构成型尺寸需求为深宽比k≈0.089和深度D≈1.5 μm。其表面微米结构深度和宽度如图9散点所示及目标深宽比和目标深度如图9实线所示。
实施例5
本实施例的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，包括以下步骤：
5-1 、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型。进一步地，所述金刚石磨粒径为2.2mm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面晶面与金刚石磨粒所有（111）晶面的最小夹角θ=43°，所述θ值为金刚石磨粒修平表面和（111）晶面的外法线最小夹角；
5-2 、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求为微米尺度，深宽比≈0.100和深度/>≈1.5 μm；
5-3 、根据步骤5-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型的深宽比≈0.100的需求和以下表达式，计算选取温度T=1073K
（1）
表达式（1）所述为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值，满足以下表达式
（2）
（3）
其中φ g2由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料为过渡金属铁，其目数为#300~#500，所述φ g2为数值为70.2；
5-4 、根据步骤5-2中所述金刚石磨粒修平表面的微米尺度结构成型深度≈1.5 μm需求，满足
（4）
其中和/>为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值，满足以下表达式
（5）
（6）
其中，和/>为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值，满足以下表达式。
（7）
得到热处理时间t= 60 min；
5-5 、对过渡金属铁触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为上述环境温度T= 1073 K和热处理时间t= 60 min，控制金刚石微米尺度结构成型尺寸需求为深宽比k≈0.100和深度D≈1.5 μm。处理金刚石磨粒修平表面微米结构成型图如图10所示，其表面微米结构深度和宽度如图11散点所示及目标深宽比和目标深度如图11实线所示。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (5)
1.一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确立待加工的金刚石磨粒修平表面的晶面类型；
S2、确立待加工金刚石磨粒修平表面的微纳拓扑结构的尺度需求，包括深宽比和深度；根据以下表达式选取温度以满足金刚石磨粒修平表面的微纳结构深宽比k(T)的需求：
其中θ为待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有(111)晶面的最小夹角；k(100)(T)和k(111)(T)分别为金刚石磨粒修平表面理论深宽比的最小和最大极限值；
k(100)(T)和k(111)(T)满足以下表达式
其中为变量，/>由触媒材料的化学元素影响，所述触媒材料目数为#300～#500，当所述触媒材料为过渡金属铁时，/>取值为70.2，当所述触媒材料为过渡金属铜时，/>取值为17.7；
金刚石磨粒修平表面微纳结构的深度D(T，t)需求在微米和纳米尺度实现，满足：
式中θ为待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有(111)晶面的最小夹角；D(100)(T，t)和D(111)(T，t)分别为金刚石磨粒修平表面理论深度的最小和最大极限值；
D(100)(T，t)和D(111)(T，t)满足以下表达式
D(100)(T，t)＝3.57n(100) (5)
D(111)(T，t)＝4.11n(111) (6)
其中，π(100)和π(111)为金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最大和最小极限值；
根据以下表达式选取热处理时间t，所述金刚石磨粒修平表面微纳结构成型理论层数的最小和最大极限值π(100)和π(111)满足：
其中T为选取的环境温度，由触媒材料的化学元素影响，当所述触媒材料为过渡金属铁时，/>取值为70.2，当所述触媒材料为过渡金属铜时，/>取值为17.7；
S3、根据深宽比需求选取环境温度；
S4、根据深度需求选取热处理时间；
S5、对过渡金属触媒的金刚石磨粒修平表面进行热化学刻蚀加工，热处理加工条件为选取的环境温度、热处理时间，空冷。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，其特征在于：步骤S1中所述金刚石磨粒粒径为>500μm，计算待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有(111)晶面的外法线最小夹角θ。
3.根据权利要求2所述的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，其特征在于：待加工的金刚石磨粒修平表面与金刚石磨粒所有(111)晶面的外法线最小夹角θ范围为0°-55°。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，其特征在于：步骤S3中所述环境温度T选取范围为900K至1200K。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石磨粒修平表面的微纳结构成型控制方法，其特征在于：步骤S4中热处理时间t选取范围为30min至60min。
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