CN1318185C - 金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法 - Google Patents
金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法，首先将预合金钎料粉末、金属单质粉末和金刚石混合，再制作切割片毛坯，经变形的矫正、内孔、外圆和厚度减薄加工至所需尺寸，最后经去应力、矫正变形热处理得到所需规格尺寸的金刚石切割片。该方法藉助钎焊制造方法的工艺优势，制得的金刚石切割片的磨粒在切割加工期间不易过早脱落，切割片坯体成分均匀性好，热损伤小，切割片的使用寿命长，并且刚性强、强度高。
Description
技术领域
本发明属于磨料磨具制造技术领域，涉及金刚石切割工具的制造方法，特别涉及一种金属基超薄金刚石切割片的真空钎焊制造方法。
背景技术
金刚石切割片广泛应用于半导体材料、玻璃、陶瓷、宝石、水晶、铁氧体、微电子封装材料等硬脆材料的精密加工(划片、开槽、切断等)。由于这些材料昂贵，且对切割精度的要求越来越高，这就要求使用更薄的切割片以达到微加工的高准精度和降低生产成本的要求。为能实现上述发展，降低制造成本，迫切需要开发微细加工和超精密加工技术及与之配套的切割工具。
目前，传统的金刚石切割片制造方法主要有热压法和电镀法。用传统热压方法制造的超薄切割片，由于采用的是多组元单质金属粉末和金刚石混合后热压烧结而成，烧结温度高，对金刚石热损伤大，胎体易氧化，并且在很短的烧结时间内胎体不能达到完全合金化，胎体成分不均匀，切割片质量难以控制，因此市场上尚无用此类方法制造的切割片。现有的超薄金刚石切割片多以电镀法制造为主，从制造技术角度看，电镀法制作的切割片只是电镀金属膜对金刚石磨料起包裹作用，两者之间仅限于机械结合，相对于冷压热压法、熔渗浸渍法及钎焊法等，其间的把持力较差，金刚石磨料与胎体结合弱，磨料容易过早脱落，使用寿命短，刚性和强度低。国外也有采用CVD(化学气相沉积)法制造金刚石多晶薄膜环，然后再焊接于基体上，此方法一定程度上改善了切割片的性能，但化学气相沉积法所需设备价格昂贵，制造工艺复杂，而且金刚石脱落问题及高精度连接问题仍有其不足。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法，使用该方法制得的切割片刚性和强度高，使用寿命长，成本低且切割精度高。
本发明的基本构思是，利用真空钎焊原理，采用低熔点、易流动、抗氧化、并与金刚石有高亲和力的活性预合金超细粉末为钎料，与金属胎体(由多组元的单质金属粉末构成)和金刚石均匀混合后，在一定的真空钎焊工艺条件下实现钎料、胎体、金刚石三者之间的冶金结合，同时模压制成切割片毛坯环，再经精密与微细加工达到厚度、内孔和外圆等尺寸和精度要求，最后在适当的温度下进行去除加工应力及矫正变形热处理得到金属结合剂超薄金刚石切割片。
实现本发明基本构思所采用的技术方案是，金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法，按以下步骤进行：
(1)首先进行材料粉末的混合
将粒度为-300目～-600目的预合金钎料粉末和粒度为-300目～-600目的金属单质粉末混合，按重量百分比，预合金钎料粉末取20％～40％，金属单质粉末取60％～80％，再与粒度为5μm～50μm的金刚石混合，使金刚石浓度为30％～80％；
(2)制作切割片毛坯
将上述混合后的粉末材料均匀置于石墨模具中，进行真空钎焊后，制成切割片毛坯，
或将上述混合后的粉末材料均匀置于钢模具中，冷压成型后取出再置于石墨模具中进行真空钎焊，制成切割片毛坯；
(3)变形的矫正
将切割片毛坯去除毛刺后放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行变形矫正处理；
(4)内孔、外圆和厚度减薄加工
对处理后的毛坯进行内孔、外圆和厚度减薄的机加工，使之达到所需的规格尺寸；
(5)去应力、矫正变形热处理
将达到所需尺寸的切割片放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行去除加工应力及变形矫正处理，最终得到所需规格尺寸的金刚石切割片。
本发明的特点还在于，预合金钎料选自CuMnTi、CuMnCr、CuSnNiCr或CuSnNiTi中的一种。
金属单质选自以下材料的一种或一种以上的组合：Cu、Ni、Co、Fe或Cr。
在将混合后的粉末材料直接置于石墨模具中进行真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3Pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷。
在将混合后的粉末材料先置于钢模具中冷压的工艺条件为：压力为5MPa～10MPa，保压时间为2秒～5秒。
在将混合后的粉末材料先置于钢模具中再置于石墨模具中进行真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3Pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷。
本发明的制造方法籍助钎焊制造方法的工艺优势，利用预合金钎料含强碳化物形成元素所具有良好的浸润和铺展性能，经化学反应后在金属与金刚石之间产生牢固的界面冶金结合，形成金属基体对金刚石的强力把持作用，使磨粒在切割加工期间不易过早脱落，切割片胎体成分均匀性好，热损伤小，有效的提高了切割片的使用寿命，并且刚性强、强度高，切割片厚度在20μm～200μm范围内可随意控制。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明的金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法，按以下步骤进行：
(1)首先进行材料粉末的混合
将粒度为-300目～-600目的预合金钎料粉末和粒度为-300目～-600目的金属单质粉末混合，预合金钎料粉末具有熔点低、抗氧化性好、流动性好、与金刚石浸润性好等特点，能够有效的提高结合剂对金刚石的把持力，可以选自CuMnTi、CuMnCr、CuSnNiCr或CuSnNiTi中的一种；单质金属粉末主要起调整胎体硬度和刚性及强度的作用，可以选自以下材料的一种或一种以上的组合：Cu、Ni、Co、Fe或Cr，一种以上组合时，各材料之间没有配比要求。按重量百分比，预合金钎料粉末取20％～40％，金属单质粉末取60％～80％，再与粒度为5μm～50μm的金刚石混合，使金刚石浓度为30％～80％。
(2)制作切割片毛坯
将上述混合后的粉末材料均匀置于石墨模具中，进行真空钎焊后，制成切割片毛坯，真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3Pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷；
也可先将上述混合后的粉末材料均匀置于钢模具中，在压力为5MPa～10MPa，保压时间为2秒～5秒的条件下冷压成型后取出再置于石墨模具中进行真空钎焊，真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3Pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷，制成切割片毛坯；
(3)变形的矫正
将切割片毛坯在砂轮机上及砂纸上进行去毛刺处理后，将其置于两铸铁平板间，用螺栓夹紧后放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行变形矫正处理；
(4)内孔、外圆和厚度减薄加工
用慢走丝加工将矫正后的切割片毛坯的内孔、外圆加工到所需尺寸，以满足装配要求，其中内孔精度为H5，外圆公差为±0.02mm，
厚度减薄加工：用精密双面磨床将上述切割片毛坯环进行研磨减薄加工，所用磨料为SiC磨料，厚度公差为±0.003mm；
(5)去应力、矫正变形热处理
将上述尺寸加工到所需尺寸的切割片置于两铸铁平板间，用螺栓上紧后放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行去除加工应力及变形矫正处理，最终得到所需规格尺寸的金刚石切割片。
实施例1
配制重量百分比为25％CuMnTi(-300目)、40％Cu(-600目)、24％Ni(-400目)、10％Co(-400目)，1％Cr(-300目)，粒度为40μm、浓度为75％的金刚石，均匀混合后装入石墨模具中，在真空钎焊炉中进行真空钎焊，具体的钎焊工艺为：真空度为1×10-1Pa，钎焊温度为850℃，升温速度200℃/分钟，保温时间3分钟，压力为35MPa，保压时间为5分钟，冷却方式为空冷；将真空钎焊后的切割片毛坯进行去毛刺及在400℃温度下保温30分钟进行变形矫正处理后，利用慢走丝切割内孔和外圆，利用精密磨床进行减薄至200μm，最后在200℃温度下保温30分钟进行去除加工应力和变形矫正处理，即得到超薄金刚石切割片。
实施例2
配制重量百分比为30％CuMnCr(-300目)、34％Cu(-600目)、20％Ni(-400目)、15％Co(-400目)，1％Cr(-300目)，粒度为5μm、浓度为80％的金刚石，均匀混合后装入石墨模具中，在真空钎焊炉中进行真空钎焊，具体的钎焊工艺为：真空度为1×10-3Pa，钎焊温度为700℃，升温速度在120℃/分钟，保温时间为5分钟，压力为35MPa，保压时间为5分钟，冷却方式为空冷；将真空钎焊后的切割片毛坯进行去毛刺及在200℃温度下保温45分钟进行变形矫正处理后，利用慢走丝切割内孔和外圆，利用精密磨床进行减薄至20μm，最后在400℃温度下保温45分钟进行去除加工应力和变形矫正处理，即得到20μm的超薄金刚石切割片。
实施例3
配制重量百分比为20％CuSnNiCr(-300目)、40％Cu(-600目)、20％Ni(-400目)、10％Co(-400目)，10％Fe(-300目)，粒度为50μm、浓度为35％的金刚石，均匀混合后装入石墨模具中，在真空钎焊炉中进行真空钎焊，具体的钎焊工艺为：真空度为1×10-3Pa，钎焊温度为780℃，升温速度在150℃/分钟，保温时间为3分钟，压力为30MPa，保压时间为8分钟，冷却方式为空冷；将真空钎焊后的切割片毛坯进行去毛刺及在300℃温度下保温60分钟进行变形矫正处理后，利用慢走丝切割内孔和外圆，利用精密磨床进行减薄至100μm，最后在400℃温度下保温60分钟进行去除加工应力和变形矫正处理，即得到厚度为100μm的超薄金刚石切割片。
实施例4
配制重量百分比为40％CuSnNiCr(-300目)、30％Cu(-600目)、10％Ni(-400目)、10％Co(-400目)，10％Fe(-300目)，粒度为20μm、浓度为30％的金刚石，均匀混合后装入钢模具中，在压力为10MPa，保压时间为2秒的冷压工艺条件下进行成型后取出，然后置于石墨模具中，在真空钎焊炉中进行真空钎焊，具体的钎焊工艺为：真空度为1×10-3Pa，钎焊温度为850℃，升温速度在200℃/分钟，保温时间为3分钟，压力为30MPa，保压时间为5分钟，冷却方式为空冷；将真空钎焊后的切割片毛坯进行去毛刺及在200℃温度下保温30分钟进行变形矫正处理后，利用慢走丝切割内孔和外圆，利用精密磨床进行减薄至50μm，最后在300℃温度下保温30分钟进行去除加工应力和变形矫正处理，即得到厚度为50μm的超薄金刚石切割片。
实施例5
配制重量百分比为33％CuSnNiTi(-300目)、32％Cu(-600目)、15％Ni(-400目)、10％Co(-400目)，10％Fe(-300目)，粒度为10μm、浓度为50％的金刚石，均匀混合后装入钢模具中，在压力为5MPa，保压时间为5秒的冷压工艺条件下进行成型后取出，然后置于石墨模具中，在真空钎焊炉中进行真空钎焊，具体的钎焊工艺为：真空度为1×10-1Pa，钎焊温度为700℃，升温速度在120℃/分钟，保温时间为5分钟，压力为35MPa，保压时间为8分钟，冷却方式为空冷；将真空钎焊后的切割片毛坯进行去毛刺及在200℃温度下保温30分钟进行变形矫正处理后，利用慢走丝切割内孔和外圆，利用精密磨床进行减薄至150μm，最后在200℃温度下保温30分钟进行去除加工应力和变形矫正处理，即得到厚度为150μm的超薄金刚石切割片。
Claims (6)
1.一种金属基超薄金刚石切割片真空钎焊制造方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
(1)首先进行材料粉末的混合
将粒度为-300目～-600目的预合金钎料粉末和粒度为-300目～-600目的金属单质粉末混合，按重量百分比，预合金钎料粉末取20％～40％，金属单质粉末取60％～80％，再与粒度为5μm～50μm的金刚石混合，使金刚石浓度为30％～80％；
(2)制作切割片毛坯
将上述混合后的粉末材料均匀置于石墨模具中，进行真空钎焊后，制成切割片毛坯，
或将上述混合后的粉末材料均匀置于钢模具中，冷压成型后取出再置于石墨模具中进行真空钎焊，制成切割片毛坯；
(3)变形的矫正
将切割片毛坯去除毛刺后放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行变形矫正处理；
(4)内孔、外圆和厚度减薄加工
对处理后的毛坯进行内孔、外圆和厚度减薄的机加工，使之达到所需的规格尺寸；
(5)去应力、矫正变形热处理
将达到所需尺寸的切割片放入热处理炉中，在200℃～400℃温度下保温30～60分钟进行去除加工应力及变形矫正处理，最终得到所需规格尺寸的金刚石切割片。
2.按照权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述预合金钎料选自CuMnTi、CuMnCr、CuSnNiCr或CuSnNiTi中的一种。
3.按照权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属单质选自以下材料的一种或一种以上的组合：Cu、Ni、Co、Fe或Cr。
4.按照权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在将混合后的粉末材料直接置于石墨模具中进行真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3Pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷。
5.按照权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在将混合后的粉末材料先置于钢模具中冷压的工艺条件为：压力为5MPa～10MPa，保压时间为2秒～5秒。
6.按照权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在将混合后的粉末材料先置于钢模具中再置于石墨模具中进行真空钎焊的工艺条件为：真空度为1×10-1Pa～1×10-3pa，钎焊温度为700℃～850℃，升温速度为120℃/分钟～200℃/分钟，保温时间为3分钟～5分钟，压力为30MPa～35MPa，保压时间为5分钟～8分钟，冷却方式为空冷。
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