一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺的制作方法

1.本发明属于超硬材料制备领域，涉及一种原位凝固法制备细粒度金刚石磨具的工艺，尤其涉及一种制备组织结构高度均匀，内部存在大量规则的球形气孔的细粒度金刚石磨具的工艺。


背景技术：

2.陶瓷结合剂金刚石磨具具有弹性模量高，磨削加工精度高，磨具自锐性好，易于修整，磨削锋利，磨削效率高等优点，同时磨具组织中存在大量的气孔，容易将磨削液带入到磨削区，磨削发热量小，因此广泛应用于陶瓷、玻璃和晶体材料的成型磨削和精密磨削。
3.近年来随着科学技术的进步，制造业对被加工工件的表面尺寸精度和粗糙度提出了越来越高的要求，为了适应这一技术发展趋势，对零件进行超精密加工的金刚石磨具所用金刚石磨料的直径越来越细。如以前进行sic晶片超精密减薄磨削的金刚石磨具的粒度约为2000#，而近年来随着对sic晶片表面光洁度的要求提高，金刚石磨具的粒度已经达到了5000#。
4.目前，细粒度陶瓷结合剂金刚石磨具大都是采用干压法成型：将细粒度金刚石磨料、陶瓷结合剂粉末和临时粘接剂混合均匀后，在钢模具中压制成型，再以一定的热处理制度烧结，获得成品。由于细粒度的金刚石磨具成型料的自由堆积密度小，干压成型时原料流动性差，再加上成型过程中成型料与成型模具的摩擦力会造成干压坯体中各部分的密度波动，很难成型出显微组织高度均匀的陶瓷结合剂金刚石磨具。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种原位凝固法制备细粒度金刚石磨具的工艺。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，具体包括如下步骤：
8.(1)微乳液造孔剂的制备
9.在去离子水、甘油和tween-80的混合溶液中加入异辛烷搅拌得到异辛烷基微乳液造孔剂；
10.(2)金刚石成型料浆的制备
11.将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水按配方比例进行称取，搅拌得到预混液；将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤(1)获得的异辛烷基微乳液造孔剂按配方比例称取后加入到所述预混液中，高速搅拌混合均匀，获得金刚石磨具原位凝固成型浆料；
12.(3)金刚石磨具的原位凝固成型
13.将步骤(2)获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料注入成型模具中，随后固化成型，经脱模后得到金刚石磨具生坯；
14.(4)金刚石磨具生坯的干燥
15.将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置后程序升温干燥，备用；
16.(5)金刚石磨具烧结
17.将干燥后的金刚石生坯放于可控气氛炉中程序升温煅烧，随炉冷却，最终得到多孔陶瓷结合剂金刚石磨具，即所述细粒度金刚石磨具。
18.可选地，步骤(1)中，所述混合溶液中去离子水、甘油和tween-80的质量比为40-45：22-25：32-35，异辛烷加入量为所述混合溶液质量的25-35wt％。
19.可选地，所述金刚石成型料浆的原料配方为：
[0020][0021]
其中，市售陶瓷结合剂的配方为：sio255-60wt％；b2o315-20wt％；al2o312-15wt％；zno 5-10wt％；na2o 5-8wt％；li2o 2-3wt％。
[0022]
可选地，所述步骤(3)中的固化成型温度为75-85℃，成型温度为45-60min。
[0023]
此时发生的反应与原理如下：
[0024]
在引发剂硝酸铈铵的作用下，丙烯酰胺作为单体，n,n-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，在水浴温度下n,n-亚甲基双丙烯酰胺在丙烯酰胺单体分子之间产生接枝反应，使单体n,n-亚甲基双丙烯酰胺线型分子之间相互形成三维网络结构。此时金刚石磨具成型料浆中大部分水分子被固定于三维的网络中，从而使浆料快速地发生原位凝固，坯体的固体微粒保留了液基分散体系下的高度分散性，同时坯体中存在较大尺寸的异辛烷乳液微球，经脱模后得到金刚石磨具生坯。
[0025]
可选地，所述步骤(4)中，将将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置12-16h，随后放置于45℃干燥箱中烘干12-16h，再将干燥箱温度升温至80℃烘干8-10h最终升温至120℃烘干4-6h。
[0026]
需要说明的是，采用分段保温干燥，并控制干燥速度，以防止坯体开裂。
[0027]
可选地，所述步骤(5)中的程序升温煅烧工艺如下：
[0028]
在空气气氛下以2℃
·
min-1
的速度升温至400℃并保温30-60min，随后以3℃
·
min-1
的速度升温至700-730℃并保温1-2h。
[0029]
需要说明的是，上述程序升温煅烧工艺中物相变化如下：
[0030]
在空气气氛下以2℃
·
min-1
的速度升温至400℃并保温30-60min，在该升温区间，坯体中有机物开始裂解碳化，其中坯体中异辛烷乳液微球分解后，在坯体中会留下均匀分布的球形气孔。因为该温度段有大量有机物裂解，所以升温速度较慢。随后以3℃
·
min-1
的
速度升温至700-730℃并保温1-2h。在700-730℃保温时，陶瓷结合剂软化变成粘流体，在毛细管力作用下填充到金刚石颗粒之间，润湿包裹金刚石磨料。随炉冷却过程中，结合剂形成有一定强度的固体，最终得到多孔陶瓷结合剂金刚石磨具。
[0031]
进一步地，在微乳液造孔剂制备过程中，将去离子水、甘油和tween-80三种试剂同时加入并通过磁力搅拌机进行30-60min的搅拌，搅拌速度为300-400r/min配成混合溶液，随后在搅拌条件下加入异辛烷并进行1-2h的搅拌处理，最终得到异辛烷基微乳液造孔剂。
[0032]
需要说明的是，tween-80为表面异辛烷表面活性剂，甘油为助表面活性剂，在搅拌条件下它们会吸附在异辛烷液珠表面，形成表面包覆结构，帮助异辛烷液珠稳定的悬浮分散于去离子水中，形成微乳液造孔剂。
[0033]
进一步地，将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水采用磁力搅拌30-60min混合均匀，得到预混液；随后将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤(1)获得的异辛烷基微乳液造孔剂按配方比例称取后，加入到预混液中，高速搅拌2-3h，搅拌速度为8000-10000r/min，待混合均匀后即获得金刚石磨具原位凝固成型浆料。
[0034]
需要说明的是，在搅拌过程中聚乙二醇会吸附在金刚石磨料和陶瓷结合剂微粉表面，产生空间位阻效应，帮助金刚石磨料和陶瓷结合剂在成型浆料中悬浮和分散。
[0035]
进一步地，待原位凝固成型金刚石磨具前，需将凡士林涂抹于塑料成型铝模具表面，随后用纱布擦除表面多余的凡士林试剂，并将步骤(2)获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料在室温下静置2-3h后，注入到成型模具中。
[0036]
需要说明的是，凡士林作为脱模剂，防止脱模时模具粘黏成型坯体；且将获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料在室温下静置是为排出高速搅拌工艺中引入的大气泡。
[0037]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，具有如下优异效果：
[0038]
采用本发明工艺在液基条件下将金刚石与陶瓷结合剂分散均匀，获得液体金刚石磨具成型料浆，同时在金刚石成型加入微乳液造孔剂，然后通过有机单体与交联剂的交联作用，使成型料浆迅速凝固成型，获得的金刚石磨具坯体，再将坯体烧结获得即具有组织结构高度均匀，同时组织结构中又弥散发布大量均匀球形气孔的金刚石磨具。用该方法制备的金刚石磨具在对sic陶瓷材料进行加工时，其加工表面磨削纹路更加均匀，表面粗糙度更低。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0040]
图1为目前市售的干压法制备的金刚石粒径为5-8μm陶瓷结合剂金刚石磨具显微结构。
[0041]
图2为本发明工艺制备的金刚石粒径为5-8μm陶瓷结合剂金刚石磨具显微结构。
[0042]
图3为市售的粒径为5-8μm金刚石的陶瓷结合剂金刚石磨具单面研磨减薄后的6英寸sic晶片白光干涉图片。
[0043]
图4为本发明工艺制备的的粒径为5-8μm金刚石的陶瓷结合剂金刚石磨具单面研磨减薄后的6英寸sic晶片白光干涉图片。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明实施例公开了一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，具体包括以下步骤：
[0046]
(1)微乳液造孔剂的制备
[0047]
将去离子水、甘油和tween-80进行精确称量，其中各成分的质量比为40-45：22-25：32-35；随后将三种试剂同时加入烧杯中配成混合溶液，通过磁力搅拌机进行30-60min的搅拌，搅拌速度为300-400r/min，待充分混合均匀后，在搅拌条件下加入混合溶液质量25-35wt％的异辛烷，随后利用磁力搅拌机进行1-2h的搅拌处理，最终得到异辛烷基微乳液造孔剂。
[0048]
(2)金刚石成型料浆的制备
[0049]
金刚石成型料浆的原料配方(质量百分比wt％)为：
[0050][0051]
市售陶瓷结合剂的配方为(质量百分比wt％)，sio255-60；b2o315-20；al2o312-15；zno 5-10；na2o 5-8；li2o 2-3。
[0052]
将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水按一定配方比例进行称取，并采用磁力搅拌30-60min将其混合均匀，得到预混液，随后将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤一获得的异辛烷基微乳液造孔剂按配方比例称取后，加入到预混液中，高速搅拌2-3h，搅拌速度为8000-10000r/min，将其混合均匀，获得金刚石磨具原位凝固成型浆料。
[0053]
(3)金刚石磨具的原位凝固成型
[0054]
将凡士林涂抹于塑料成型铝模具表面，随后用纱布擦除表面多余的凡士林试剂。将步骤2获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料在室温下静止2-3h后，注入到成型模具中，然
后将注有成型浆料的铝模具放入到75-85℃的水浴锅中加热45-60min后固化成型，经脱模后得到金刚石磨具生坯。
[0055]
(4)金刚石磨具生坯的干燥
[0056]
将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置12-16h，随后放置于45℃干燥箱中烘干12-16h，再将干燥箱温度升温至80℃烘干8-10h最终升温至120℃烘干4-6h。
[0057]
(5)金刚石磨具烧结
[0058]
将干燥后的金刚石生坯放于可控气氛炉中，在空气气氛下以2℃
·
min-1
的速度升温至400℃并保温30-60min，随后以3℃
·
min-1
的速度升温至700-730℃并保温1-2h，随炉冷却，最终得到多孔陶瓷结合剂金刚石磨具。
[0059]
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
[0060]
下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0061]
实施例1
[0062]
本实施例提供一种原位凝固法制备细粒度金刚石磨具的工艺，具体步骤：
[0063]
(1)微乳液造孔剂的制备
[0064]
将去离子水、甘油和tween-80进行精确称量，其中各成分的质量比为45：25：30。随后将三种试剂同时加入烧杯中配成混合溶液，通过磁力搅拌机进行60min的搅拌，搅拌速度为400r/min，待充分混合均匀后，在搅拌条件下加入混合溶液质量30wt％的异辛烷，随后利用磁力搅拌机进行1h的搅拌处理，最终得到异辛烷基微乳液造孔剂。
[0065]
(2)金刚石成型料浆的制备
[0066]
金刚石成型料浆的原料配方(质量百分比wt％)为：
[0067][0068]
将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水按一定配方比例进行称取，并采用磁力搅拌60min将其混合均匀，得到预混液，随后将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤一获得的异辛烷基微乳液造孔剂按配方比例称取后，加入到预混液中，高速搅拌3h，搅拌速度为8000r/min，将其混合均匀，获得金刚石磨具原位凝固成型浆料。
[0069]
(3)金刚石磨具的原位凝固成型
[0070]
将凡士林涂抹于塑料成型铝模具表面，随后用纱布擦除表面多余的凡士林试剂。
将步骤2获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料在室温下静置3h后，注入到成型模具中，然后将注有成型浆料的铝模具放入到80℃的水浴锅中加热60min后固化成型，经脱模后得到金刚石磨具生坯。
[0071]
(4)金刚石磨具生坯的干燥
[0072]
将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置16h，随后放置于45℃干燥箱中烘干12h，再将干燥箱温度升温至80℃烘干8h最终升温至120℃烘干6h。
[0073]
(5)金刚石磨具烧结
[0074]
将干燥后的金刚石生坯放于可控气氛炉中，在空气气氛下以2℃
·
min-1
的速度升温至400℃并保温60min，随后以3℃
·
min-1
的速度升温至730℃并保温1h，随炉冷却，最终得到多孔陶瓷结合剂金刚石磨具。
[0075]
下面将具体结合表征与测定进一步验证说明本发明相较现有技术存在的优异效果。
[0076]
细粒度的金刚石和陶瓷结合剂在液基中通过高速搅拌分散，比传统的粉体干混法混料混的更加均匀。高度分散后的浆料在75-85℃的水浴条件下迅速原位固化成型，保留了细粒度的金刚石和陶瓷结合剂的高分散性，原位固化成型的陶瓷结合剂磨具坯体烧结后，与传统干压法制备的陶瓷结合剂金刚石磨具相比，显微组织结构更加均匀，烧结体内存在均匀分布的球形气孔(参见图1，图2)。
[0077]
具体地，图1表明干压法制备的陶瓷结合剂金刚石磨具局部存在结合剂富集现象，组织结构不均匀；图2表明本发明实施例1制备的陶瓷结合剂金刚石磨具显微组织结构更加均匀，烧结体内存在均匀分布的球形气孔，这些气孔在磨削sic材料时能够更好的容屑和提高磨具的自锐性。
[0078]
在单面研磨机上采用市售的粒径为5-8μm金刚石的陶瓷结合剂金刚石磨具单面研磨减薄6英寸sic晶片，工作转速1200r/min，磨具工作压力120n，冷却液为去离子水，每分钟sic晶片减厚量为8.7μm，晶片表面粗糙度为ra0.105μm(参见图3)。在相同磨削条件下用本发明工艺制备的陶瓷结合剂金刚石磨具单面研磨减薄6英寸sic晶片，每分钟sic晶片减厚量为10.2μm，sic晶片表面粗糙度为ra0.054μm(参见图4)，其磨削效率提高17.1％，sic晶片表面粗糙度降低48.6％。
[0079]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，所述工艺具体包括如下步骤：(1)微乳液造孔剂的制备在去离子水、甘油和tween-80的混合溶液中加入异辛烷搅拌得到异辛烷基微乳液造孔剂；(2)金刚石成型料浆的制备将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水按配方比例进行称取，搅拌得到预混液；将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤(1)获得的异辛烷基微乳液造孔剂按配方比例称取后加入到所述预混液中，高速搅拌混合均匀，获得金刚石磨具原位凝固成型浆料；(3)金刚石磨具的原位凝固成型将步骤(2)获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料注入成型模具中，随后固化成型，经脱模后得到金刚石磨具生坯；(4)金刚石磨具生坯的干燥将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置后程序升温干燥，备用；(5)金刚石磨具烧结将干燥后的金刚石生坯放于可控气氛炉中程序升温煅烧，随炉冷却，最终得到多孔陶瓷结合剂金刚石磨具，即所述细粒度金刚石磨具。2.根据权利要求1所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述混合溶液中去离子水、甘油和tween-80的质量比为40-45：22-25：32-35，异辛烷加入量为所述混合溶液质量的25-35wt％。3.根据权利要求1所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，所述金刚石成型料浆的原料配方为：述金刚石成型料浆的原料配方为：其中，市售陶瓷结合剂的配方为：sio255-60wt％；b2o315-20wt％；al2o312-15wt％；zno 5-10wt％；na2o 5-8wt％；li2o 2-3wt％。4.根据权利要求1所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，所述步骤(3)中的固化成型温度为75-85℃，成型温度为45-60min。5.根据权利要求1所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，所
述步骤(4)中，将将脱模后的金刚石磨具生坯于室温下放置12-16h，随后放置于45℃干燥箱中烘干12-16h，再将干燥箱温度升温至80℃烘干8-10h最终升温至120℃烘干4-6h。6.根据权利要求1所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，所述步骤(5)中的程序升温煅烧工艺如下：在空气气氛下以2℃
·
min-1
的速度升温至400℃并保温30-60min，随后以3℃
·
min-1
的速度升温至700-730℃并保温1-2h。7.根据权利要求1或2所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，在微乳液造孔剂制备过程中，将去离子水、甘油和tween-80三种试剂同时加入并通过30-60min的机械搅拌，搅拌速度为300-400r/min配成混合溶液，随后在搅拌条件下加入异辛烷并进行1-2h的搅拌处理，最终得到异辛烷基微乳液造孔剂。8.根据权利要求1或3所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，将丙烯酰胺、n,n-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水采用磁力搅拌30-60min混合均匀，得到预混液；随后将金刚石磨料、陶瓷结合剂、聚乙二醇、硝酸铈铵和步骤(1)获得的异辛烷基微乳液造孔剂加入到预混液中，高速搅拌2-3h，搅拌速度为8000-10000r/min，待混合均匀后即获得金刚石磨具原位凝固成型浆料。9.根据权利要求1或4所述的一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，其特征在于，待原位凝固成型金刚石磨具前，需将凡士林涂抹于塑料成型铝模具表面，随后用纱布擦除表面多余的凡士林试剂，并将步骤(2)获得的金刚石磨具原位凝固成型浆料在室温下静置2-3h后，注入到成型模具中。

技术总结
本发明公开了一种原位凝固制备细粒度金刚石磨具的工艺，该工艺包括以下步骤：(1)微乳液造孔剂的制备；(2)金刚石成型料浆的制备；(3)金刚石磨具的原位凝固成型；(4)金刚石磨具生坯的干燥；(5)金刚石磨具烧结。通过本发明工艺制备的陶瓷结合剂金刚石磨具，与传统干压法制备的陶瓷结合剂金刚石磨具相比，显微组织结构更加均匀，烧结体内存在均匀分布的球形气孔能够更好的容屑及提高磨具的自锐性。利用本发明工艺制备的金刚石磨具不仅能提高磨削效率，还能降低SiC晶片表面粗糙度，具体推广与应用价值。价值。价值。


技术研发人员：潘晓毅 陈超 陈家荣 莫培程
受保护的技术使用者：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/25