專利名稱：一種用于化學(xué)機(jī)械磨削Al₂O₃陶瓷的磨具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硬脆材料超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削的磨具及其制備方法。
背景技術(shù)：
Al2O3陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗氧化性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大等優(yōu)良特性。目前Al2O3陶瓷材料主要用于制備高精密加工設(shè)備中刀具的切削刃，高溫、高壓及強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中的密封部件等，陶瓷材料因其良好的物理化學(xué)性能，在石油、化工、機(jī)械、航天、核能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著陶瓷材料制備工藝的不斷完善，陶瓷材料的質(zhì)量獲得了極大的提高，為在航天、核能等高精尖領(lǐng)域應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。Al2O3陶瓷分為高純型與普通型兩種，其中高純Al2O3陶瓷是指以含量在99. 5% 以上的Q-Al2O3粉為主要原料，經(jīng)各種燒結(jié)工藝制成的晶粒尺寸小于6μπι且以Ci-Al2O3為主晶相的Al2O3陶瓷，該種陶瓷除了能在1000°C以上的高溫下保持高強(qiáng)度以及在高溫富氧的條件下能長(zhǎng)期工作，且其導(dǎo)熱性能也非常好，室溫下的導(dǎo)熱率達(dá)35W/m · K，是最好的高頻絕緣材料之一。普通型Al2O3陶瓷則按Al2O3含量的不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種。陶瓷材料的制備一般采用燒結(jié)或熱壓成型的工藝，其表面粗糙度一般在幾微米到幾十微米，因此必須采用精密加工方法將表面粗糙度降低到納米量級(jí)，并達(dá)到一定的面型精度， 才能投入使用，尤其在高新技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)材料的表面粗糙度、面型精度和表面及亞表面的完整性提出了更高的要求。目前Al2O3陶瓷超精密低損傷磨削加工技術(shù)的相對(duì)滯后，尤其是大尺寸Al2O3陶瓷的超精密低損傷磨削技術(shù)已成為Al2O3陶瓷在高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。由于Al2O3陶瓷具有很高的硬度(莫氏硬度為9)，屬于典型的硬脆難加工材料，使得現(xiàn)有的磨削加工技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)大尺寸Al2O3陶瓷的超精密低損傷表面加工。例如，采用傳統(tǒng)的金剛石砂輪磨削方法對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，磨削表面存在嚴(yán)重的表面和亞表面損傷，另外還必須采用后續(xù)的化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)去除損傷層，而 CMP工藝存在加工效率低、成本高、堿性或酸性拋光液后續(xù)處理困難以及對(duì)加工表面造成污染等問(wèn)題；采用在線電解修銳砂輪技術(shù)雖然可以獲得較好的表面質(zhì)量，但必須解決好超細(xì)粒度砂輪的金剛石脫落快、砂輪極易磨損，壽命短，磨削陶瓷面型比普通磨削差，磨削效率低等技術(shù)障礙，以及所采用的專用電解質(zhì)磨削液和砂輪的金屬結(jié)合劑對(duì)工件表面的污染問(wèn)題；采用延性域磨削技術(shù)雖然能夠使得磨削后材料表面及亞表面沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，有效降低了表面損傷，但實(shí)現(xiàn)真正意義上的延性域磨削以消除損傷還有很大的差距，且加工效率低。 化學(xué)機(jī)械磨削(CMG)技術(shù)作為一種基于化學(xué)與機(jī)械復(fù)合作用原理的超精密加工技術(shù)，是目前實(shí)現(xiàn)大尺寸硅片超光滑無(wú)損傷表面加工的最理想的加工方法，在IC制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削的磨具及其制備方法，解決目前Al2O3陶瓷在磨削過(guò)程中由于采用以金剛石砂輪而存在嚴(yán)重的表面和亞表面損傷以及后續(xù)CMP拋光工藝產(chǎn)生的加工效率低、成本高、堿性或酸性拋光液處理困難等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削的磨具，其特征在于它包括軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑、氣孔，各原料所占體積百分比為軟磨料35 50%;金剛石磨料5 20% ；結(jié)合劑20 35%;添加劑5 15%;氣孔0 5% ；各原料體積百分比之和為100% ；所述的軟磨料以及金剛石磨料純度為99% 100% ；粒度分布為2μπι 5μπι。所述的軟磨料為二氧化硅磨料；所述的金剛石磨料為粒度分布為2 μ m 5 μ m的磨料；所述的結(jié)合劑為939P酚醛樹(shù)脂，該結(jié)合劑制成的磨具具有良好的自銳性，易于修整且制備工藝簡(jiǎn)單。所述的添加劑為碳酸氫鈉、氧化鈣、高錳酸鉀中的任意一種或者兩種以上的混合， 任意兩種以上混合時(shí)，為任意配比。上述化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的制備方法，包括如下步驟1)選取軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料備用，各原料所占體積百分比為 軟磨料35 50% ；金剛石磨料5 20% ；結(jié)合劑20 35% ；添加劑5 15% ；氣孔 0 5% ；各原料體積百分比之和為100% ；2)按上述體積百分比將軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按照磨具理論投料量150%進(jìn)行稱重；3)將按照磨具理論投料量的150%進(jìn)行稱重后的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料同直徑為15mm鋼球混合放入球磨混料機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨轉(zhuǎn)速為160rpm/ min，持續(xù)時(shí)間12小時(shí)，以使各種軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料充分混合均勻；4)將混好的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論填料量的120%稱量并填入軟磨料磨具的成型模具中，補(bǔ)償填料過(guò)程中灑落或損失的部分。在填料過(guò)程中，讓粉末均勻的落入模腔中，需一邊攪拌一邊將填入的粉末壓實(shí)；5)將填好料的成型模具放置在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，熱壓燒結(jié)溫度為 190°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為45min。本發(fā)明的效果和 益處是本發(fā)明采用比Al2O3陶瓷的硬度低很多且能在100°C左右的條件下與之發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)的軟磨料作為磨具的主要磨料，在磨削過(guò)程中軟磨料與 Al2O3陶瓷通過(guò)摩擦在接觸表面產(chǎn)生一層固相化學(xué)反應(yīng)膜，隨后通過(guò)金剛石磨料的機(jī)械劃擦作用去除這層反應(yīng)膜，有效地解決金剛石砂輪磨削后存在嚴(yán)重的表面及亞表面損傷的問(wèn)題，提高了 Al2O3陶瓷的面型精度和表面質(zhì)量，磨削后Al2O3陶瓷的表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)。 磨具中加入適量的金剛石磨料，有效地解決了目前軟磨料磨具加工效率低、加工磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。此外，通過(guò)采用碳酸氫鈉、高錳酸鉀、氧化鈣等添加劑，提高了化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的磨削性能。


圖1是磨削前Al2O3陶瓷的3D表面輪廓照片。圖2是磨削后Al2O3陶瓷的3D表面輪廓照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。本發(fā)明的方法中所使用的結(jié)合劑、添加劑等藥品均為常見(jiàn)藥品。本發(fā)明的方法所用的設(shè)備均為常用的已知設(shè)備。實(shí)施例1 一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的制備方法，它包括如下步驟1)按各原料所占體積百分比為軟磨料35%、金剛石磨料20%、結(jié)合劑25% ； 添加劑15% ；氣孔5% ；選取軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料備用；所述的軟磨料為二氧化硅，純度為99%，粒度為2μπι ；所述的金剛石磨料的純度為99%，粒度為2μπι;所述的結(jié)合劑為939Ρ酚醛樹(shù)脂；所述的添加劑為碳酸氫鈉、高錳酸鉀、氧化鈣的均勻配比。2)按上述體積百分比將軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按照磨具理論投料量150%進(jìn)行稱重；3)將按照磨具理論投料量的150%進(jìn)行稱重后的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料同直徑為15mm鋼球混合放入球磨混料機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨轉(zhuǎn)速為160rpm/ min，持續(xù)時(shí)間12小時(shí)，以使各種軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料充分混合均勻；4)將混好的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論填料量的120%稱量并填入化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的成型模具中，補(bǔ)償填料過(guò)程中灑落或損失的部分。在填料過(guò)程中，讓粉末均勻的落入模腔中，需一邊攪拌一邊將填入的粉末壓實(shí)；5)將填好料的成型模具放置在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，熱壓燒結(jié)溫度為 190°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為45min。實(shí)施例2 —種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的制備方法，它包括如下步驟1)按各原料所占體積百分比為軟磨料45%、金剛石磨料10%、結(jié)合劑25% ； 添加劑15% ；氣孔5% ；選取軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料備用；所述的軟磨料為二氧化硅，純度為99%，粒度為2μπι ；所述的金剛石磨料的純度為99%，粒度為2μπι ；所述的結(jié)合劑為939Ρ酚醛樹(shù)脂；所述的添加劑為碳酸氫鈉、高錳酸鉀、氧化鈣的均勻配比。2)按上述體積百分比將軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按照磨具理論投料量150%進(jìn)行稱重；3)將按照磨具理論投料量的150%進(jìn)行稱重后的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料同直徑為15mm鋼球混合放入球磨混料機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨轉(zhuǎn)速為160rpm/
5min，持續(xù)時(shí)間12小時(shí)，以使各種軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料充分混合均勻；4)將混好的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論填料量的120%稱量并填入化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的成型模具中，補(bǔ)償填料過(guò)程中灑落或損失的部分。在填料過(guò)程中，讓粉末均勻的落入模腔中，需一邊攪拌一邊將填入的粉末壓實(shí)；5)將填好料 的成型模具放置在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，熱壓燒結(jié)溫度為 190°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為45min。實(shí)施例3 一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的制備方法，它包括如下步驟1)按各原料所占體積百分比為軟磨料50%、金剛石磨料5%、結(jié)合劑25%;添加劑15% ；氣孔5% ；選取軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料備用；所述的軟磨料為二氧化硅，純度為99 %，粒度為2 μ m ；所述的金剛石磨料的純度為99%，粒度為2μπι;所述的結(jié)合劑為939Ρ酚醛樹(shù)脂；所述的添加劑為碳酸氫鈉、高錳酸鉀、氧化鈣的均勻配比。2)按上述體積百分比將軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按照磨具理論投料量150%進(jìn)行稱重；3)將按照磨具理論投料量的150%進(jìn)行稱重后的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料同直徑為15mm鋼球混合放入球磨混料機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨轉(zhuǎn)速為160rpm/ min，持續(xù)時(shí)間12小時(shí)，以使各種軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料充分混合均勻；4)將混好的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論填料量的120%稱量并填入化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的成型模具中，補(bǔ)償填料過(guò)程中灑落或損失的部分。在填料過(guò)程中，讓粉末均勻的落入模腔中，需一邊攪拌一邊將填入的粉末壓實(shí)；5)將填好料的成型模具放置在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，熱壓燒結(jié)溫度為 190°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為45min。在CJK6145型數(shù)控車床上使用專門設(shè)計(jì)的恒壓進(jìn)給裝置，采用按實(shí)施例1制備的化學(xué)機(jī)械磨削用磨具進(jìn)行了磨削試驗(yàn)。圖2為磨削后得到的Al2O3陶瓷表面形貌。圖1是未磨削Al2O3陶瓷的表面形貌。
權(quán)利要求
1.一種用于化學(xué)機(jī)械磨削Al2O3陶瓷的磨具，其特征在于它包括軟磨料、金剛石磨料、 結(jié)合劑、添加劑、氣孔，各原料所占體積百分比為軟磨料35 50% ；金剛石磨料5 20% ；結(jié)合劑20-:35% ；添加劑:5 15% ；氣孔0 5% ；各原料體積百分比之和為100% ；所述的軟磨料以及金剛石磨料純度為99% 100% ；粒度分布為2μπι 5μπι;所述的軟磨料為二氧化硅磨料；所述的結(jié)合劑為939Ρ酚醛樹(shù)脂；所述的添加劑為碳酸氫鈉、氧化鈣、高錳酸鉀中的任意一種或者兩種以上的混合，任意兩種以上混合時(shí)，為任意配比。
2.權(quán)利要求1所述化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)選取軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料備用，各原料所占體積百分比為軟磨料35 50% ；金剛石磨料5 20% ；結(jié)合劑20 35% ；添加劑5 15% ；氣孔0 5% ；各原料體積百分比之和為100% ；2)按上述體積百分比將軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論投料量150% 進(jìn)行稱重；3)按理論投料量的150%進(jìn)行稱重后的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料同直徑為15mm鋼球混合放入球磨混料機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨轉(zhuǎn)速為160rpm/min，持續(xù)時(shí)間12 小時(shí)，使軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料充分混合均勻；4)將混好的軟磨料、金剛石磨料、結(jié)合劑、添加劑原料按理論填料量的120%稱量并填入化學(xué)機(jī)械磨削用磨具的成型模具中，補(bǔ)償填料過(guò)程中灑落或損失的部分；在填料過(guò)程中， 讓粉末均勻的落入模腔中，一邊攪拌一邊將填入的粉末壓實(shí)；5)將填好料的成型模具放置在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，熱壓燒結(jié)溫度為190°C， 熱壓燒結(jié)時(shí)間為45min。
全文摘要
本發(fā)明屬于硬脆材料超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種用于Al2O3陶瓷化學(xué)機(jī)械磨削的用磨具及其制備方法。其特征是采用能與Al2O3陶瓷發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)的二氧化硅軟磨料作為磨具的主要磨料，加入適量的金剛石磨料作為輔助磨料制成磨具，解決了目前軟磨料砂輪磨損嚴(yán)重和加工效率低的問(wèn)題。在100℃左右的溫度條件下，借助化學(xué)和機(jī)械復(fù)合作用即可實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷表面材料的化學(xué)機(jī)械去除。此外，還通過(guò)添加適量的碳酸氫鈉、氧化鈣、高錳酸鉀等添加劑以提高磨具的磨削性能。本發(fā)明的效果和益處是所制備的化學(xué)機(jī)械磨削用磨具具有磨削效率高、磨損小、磨削表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在正常的磨削條件下實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷超精密低損傷磨削。
文檔編號(hào)B24D3/28GK102152247SQ20111002273
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者康仁科, 金洙吉, 陶占春, 霍鳳偉 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)