一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法

摘要

一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法，属于金刚石刀具制造技术领域。本发明从金刚石晶体与过渡族金属元素在摩擦高温催化作用下发生化学反应入手，结合前期积累的金刚石晶体机械刃磨抛光加工经验，采用涂覆纳米镍粉的抛光垫加工金刚石晶体平面。通过金刚石晶体平面的抛光工艺实验，详细分析了抛光垫往复运动频率和往复运动行程、机床主轴转速、抛光压力、金刚石晶体对抛光垫挤压深度、抛光时间、重复涂粉时间间隔等工艺参数对金刚石晶体平面抛光效果的影响规律，包括表面粗糙度Ra和表面粗糙度Rz，并建立优化的金刚石晶体表面抛光工艺，实现表面粗糙度Ra 0.6nm或Rz 3.6nm，为高精度金刚石刀具的机械化学抛光加工工艺技术迈出了探究性的一步。

权利要求

1.一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：

步骤一：选择天然金刚石晶体平面作为抛光试样，选择热膨胀系数较小的殷钢制作夹具，根据所述的金刚石晶体颗粒大小准备好殷钢夹具；

步骤二：使用氧化铜粉末与磷酸混合后热烧结方法实现金刚石晶体与殷钢夹具的稳固连接，然后把殷钢夹具安装到金刚石刀具研磨机的分度夹具上，使殷钢夹具垂直于青铜金刚石砂轮盘；

步骤三：选定金刚石晶体的易磨晶向，设置金刚石晶体易磨方向与青铜金刚石砂轮盘线速度方向平行，并在殷钢夹具和分度夹具上同时作定位标记，然后用青铜金刚石砂轮盘对金刚石晶体表面进行粗磨加工，粗加工的金刚石晶体表面粗糙度达到Ra 3nm；

步骤四：将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机的主轴上拆下，用酒精把青铜金刚石砂轮盘表面擦拭干净，然后在青铜金刚石砂轮盘表面贴上聚氨酯抛光垫，并在聚氨酯抛光垫表面涂上50nm镍粉，之后将殷钢夹具按定位标记重新安装到分度夹具上，同时将粘有聚氨酯抛光垫的青铜金刚石砂轮盘重新装到金刚石刀具研磨机的主轴上；

步骤五：恒温控制金刚石刀具研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；

步骤六：用涂有50nm镍粉的聚氨酯抛光垫对金刚石晶体表面进行抛光，设置抛光工艺参数为：聚氨酯抛光垫附加往复运动，往复运动频率为0.17Hz，往复运动行程为10mm，金刚石刀具研磨机的主轴转速为3600r/min，抛光压力为14.7N，金刚石晶体对聚氨酯抛光垫挤压深度为30μm，抛光时间为60min，重新涂覆50nm镍粉的时间间隔为20min；

步骤七：从分度夹具拆下殷钢夹具，采用光学显微镜离线检测金刚石晶体表面，若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面无肉眼可见缺陷，则采用原子力显微镜继续检测金刚石晶体表面形貌以得到金刚石晶体表面粗糙度，测得粗糙度应优于Ra 0.6nm或Rz 3.6nm，则进入步骤八；若不符合要求视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面有肉眼可见缺陷，亦视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；

步骤八：金刚石晶体表面完成化学抛光后，将其从殷钢夹具上取下，然后进行表面清洁处理，并装盒保护；

所述的氧化铜粉末与磷酸混合后热烧结方法的具体步骤是：将5-10克氧化铜粉末平铺在玻璃皿上，取与氧化铜粉末等体积的磷酸滴加在氧化铜粉末上，将二者混合搅拌成膏状，然后取10-15克磷酸-氧化铜膏涂在殷钢夹具表面，再将金刚石晶体大平面朝下放到涂有磷酸-氧化铜膏的殷钢夹具上，用热风枪对粘结部位加温，温度为100～250℃，加热时间持续

2-3min至磷酸-氧化铜膏凝固变硬后完毕，金刚石晶体即固定在殷钢夹具上。

说明书

一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适合于抛光金刚石晶体表面的工艺方法，属于金刚石刀具制造技术领域。

背景技术

[0002] 精密与超精密加工技术是为了适应大规模集成电路、航天和国防等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一类加工技术，其在机械加工领域具有重要的地位，是先进制造技术的重要支柱。精密与超精密加工技术除了在国防航天中有重要应用外，在民用领域也有重要的需求，比如计算机的芯片、磁盘的磁头、录像机的磁鼓、光盘和激光头、光学系统元件等，都需要精密与超精密加工才能达到要求。如上所述，现代社会生活已经离不开精密与超精密加工技术的支撑。

[0003] 工欲善其事，必先利其器。要使得精密与超精密技术发挥最大效能，除了要有精密的设备、精密的检测仪器之外，超精密加工刀具在精密与超精密加工领域也是十分重要的。金刚石集力学、热学、声学和光学等众多方面的优异性能于一身，具有极高的硬度、极小的摩擦因数、高热导率、低热膨胀系数和良好化学惰性，是制造超精密切削刀具的理想材料。
金刚石刀具在精密与超精密加工中具有重要的地位，其中天然金刚石刀具是最适于超精密切削加工的刀具。

[0004] 天然金刚石刀具根据刀头修光刃几何形状的差异，可分为直线修光刃金刚石刀具和圆弧修光刃金刚石刀具，其中圆弧修光刃金刚石刀具的应用更加广泛。目前，大部分高精度圆弧修光刃金刚石刀具仍需进口，对于高精度金刚石刀具制造技术，国外公司一直视为商业机密不对外开放，与此相关的技术文献相当鲜见。因此，我国基于自身的科研条件探索研究高精度金刚石刀具的制造工艺技术十分必要。

[0005] 国外对金刚石刀具制造技术的研究相对比国内早，目前已知的加工方法有多种，包括机械刃磨法、热化学抛光法、机械化学抛光法、离子束抛光法、激光加工法、等离子刻蚀法等。但从行业应用情况分析，目前天然金刚石刀具的制造仍主要采用机械刃磨方法。机械刃磨法突出的优势在于高研磨效率，但由于金刚石刀具与刃磨工具，如铸铁盘、金刚石砂轮盘等，有持续的接触，接触会产生一定的压力，使刃口不断地受到磨粒冲击，导致金刚石刀具刃口会产生崩刃，刀具表面亦会形成微细的磨削沟槽，从而影响金刚石刀具的切削性能，使金刚石刀具的寿命降低。因此，消除这些缺陷十分必要。如能用化学方法加工金刚石刀具，通过化学反应使金刚石刀具表面达到原子级光滑水平，这将极具使用价值。因为单纯的化学加工方法可以避免磨粒对金刚石刀具表面的冲击，防止崩刃或磨粒刻划金刚石刀具表面，从而获得超光滑的金刚石刀具表面。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法，从金刚石晶体与过渡族金属元素在摩擦高温下能发生化学反应作用入手，结合前期积累的金刚石晶体机械刃磨抛光加工经验，采用涂覆纳米镍粉的抛光垫加工金刚石晶体平面。通过金刚石晶体平面的抛光工艺实验，详细分析了抛光垫往复运动频率和往复运动行程、机床主轴转速、抛光压力、金刚石晶体对抛光垫挤压深度、抛光时间、重复涂粉时间间隔等工艺参数对金刚石晶体平面抛光效果的影响规律，包括表面粗糙度Ra和表面粗糙度Rz，并建立优化的金刚石晶体表面抛光工艺，实现表面粗糙度Ra 0.6nm或Rz 3.6nm，为高精度金刚石刀具的化学抛光加工工艺技术迈出了探究性的一步。

[0007] 本发明探索了纳米镍粉对金刚石刀具表面的可加工性，探究了纳米镍粉与金刚石晶体表面在摩擦高温下的化学反应作用，建立了化学方法的加工试验工艺系统，进行了加工效果试验，得出了使用纳米镍粉抛光金刚石晶体表面的优选工艺参数。

[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0009] 一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法，所述的方法步骤如下：

[0010] 步骤一：选择天然金刚石晶体平面作为抛光试样，选择热膨胀系数较小的殷钢制作夹具，根据所述的金刚石晶体颗粒大小准备好殷钢夹具；

[0011] 步骤二：使用氧化铜粉末与磷酸混合后热烧结方法实现金刚石晶体与殷钢夹具的稳固连接，然后把殷钢夹具安装到金刚石刀具研磨机的分度夹具上，使殷钢夹具垂直于青铜金刚石砂轮盘；

[0012] 步骤三：选定金刚石晶体的易磨晶向，设置金刚石晶体易磨方向与青铜金刚石砂轮盘线速度方向平行，并在殷钢夹具和分度夹具上同时作定位标记，然后用青铜金刚石砂轮盘对金刚石晶体表面进行粗磨加工，粗加工的金刚石晶体表面粗糙度达到Ra 3nm；

[0013] 步骤四：将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机的主轴上拆下，用酒精把青铜金刚石砂轮盘表面擦拭干净，然后在青铜金刚石砂轮盘表面贴上聚氨酯抛光垫，并在聚氨酯抛光垫表面涂上50nm镍粉，之后将殷钢夹具按定位标记重新安装到分度夹具上，同时将粘有聚氨酯抛光垫的青铜金刚石砂轮盘重新装到金刚石刀具研磨机的主轴上；

[0014] 步骤五：恒温控制金刚石刀具研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；

[0015] 步骤六：用涂有50nm镍粉的聚氨酯抛光垫对金刚石晶体表面进行抛光，设置抛光工艺参数为：聚氨酯抛光垫附加往复运动，往复运动频率为0.17Hz，往复运动行程为10mm，金刚石刀具研磨机的主轴转速为3600r/min，抛光压力为14.7N，金刚石晶体对聚氨酯抛光垫挤压深度为30μm，抛光时间为60min，重新涂覆50nm镍粉的时间间隔为20min；

[0016] 步骤七：从分度夹具拆下殷钢夹具，采用光学显微镜离线检测金刚石晶体表面，若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面无肉眼可见缺陷，则采用原子力显微镜继续检测金刚石晶体表面形貌以得到金刚石晶体表面粗糙度，测得粗糙度应优于Ra 0.6nm或Rz 
3.6nm，则进入步骤八；若不符合要求视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面有肉眼可见缺陷，亦视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；

[0017] 步骤八：金刚石晶体表面完成化学抛光后，将其从殷钢夹具上取下，然后进行表面清洁处理，并装盒保护。

[0018] 本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

[0019] 1、本发明提供了一种适合于金刚石晶体表面进行机械化学抛光加工的工艺方法，基于金刚石晶体与聚氨酯抛光垫摩擦接触产生高温催化作用，使金刚石晶体与金属镍发生化学反应。通过对聚氨酯抛光垫往复运动频率、往复运动行程、机床主轴转速、抛光压力、金刚石晶体对聚氨酯抛光垫挤压深度、抛光时间、重复涂粉时间间隔等进行综合分析，优选得到抛光工艺参数组合，即青铜金刚石砂轮盘附加往复运动，往复运动频率为0.17Hz，往复运动行程为10mm，金刚石刀具研磨机的主轴转速为3600r/min，抛光压力为14.7N，金刚石晶体对聚氨酯抛光垫挤压深度为30μm，抛光时间为60min，重新涂覆为50nm镍粉的时间间隔为20min。

[0020] 2、本发明可以高效地对天然金刚石晶体表面进行平整化抛光加工，获得表面粗糙度达到Ra 0.6nm或Rz 3.6nm的超光滑金刚石晶体表面。

附图说明

[0021] 图1-a是用于金刚石晶体表面机械化学抛光的金刚石刀具研磨机床整体外观图片；

[0022] 图1-b是金刚石刀具研磨机关键部件的运动简意图；

[0023] 图2-a是殷钢夹具图片；

[0024] 图2-b是天然金刚石晶体颗粒粘接在殷钢夹具上的图片；

[0025] 图3是粘贴聚氨酯抛光垫前后的青铜基金刚石砂轮盘图片；

[0026] 图4是金刚石晶体表面正在进行机械化学抛光的过程图片；

[0027] 图5是用于检测金刚石晶体表面微观形貌的便携式原子力显微镜图片。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

[0029] 具体实施方式一：一种基于纳米镍粉的金刚石晶体表面机械化学抛光方法，基于金刚石晶体与过渡族金属元素在摩擦高温催化下能发生化学反应作用，对抛光过程中的抛光垫种类、机床主轴转速、抛光时间等进行综合分析，建立参数优选后的金刚石晶体表面化学抛光工艺，以此获得金刚石晶体表面粗糙度优于Ra 0.6nm或Rz 3.6nm；所述的方法步骤如下：

[0030] 步骤一：选择天然金刚石晶体平面作为抛光试样，选择热膨胀系数较小的殷钢制作夹具(殷钢也叫不胀钢，其平均热膨胀系数仅为1.5×10-6/℃，且在－80℃-200℃时热膨胀系数均不发生变化)，根据所述的金刚石晶体颗粒大小准备好殷钢夹具，如图2-a所示；

[0031] 步骤二：使用氧化铜粉末与磷酸混合后热烧结方法实现金刚石晶体与殷钢夹具的稳固连接，如图2-b所示，然后把殷钢夹具安装到金刚石刀具研磨机的分度夹具上，使殷钢夹具垂直于青铜金刚石砂轮盘，如图1-b所示；

[0032] 步骤三：选定金刚石晶体的易磨晶向，设置金刚石晶体易磨方向与青铜金刚石砂轮盘线速度方向平行，并在殷钢夹具和分度夹具上同时作定位标记，然后用青铜金刚石砂轮盘对金刚石晶体表面进行粗磨加工，粗加工的金刚石晶体表面粗糙度达到Ra 3nm；

[0033] 步骤四：将青铜金刚石砂轮盘从金刚石刀具研磨机的主轴上拆下，用酒精把青铜金刚石砂轮盘表面擦拭干净，然后在青铜金刚石砂轮盘表面贴上聚氨酯抛光垫，并在聚氨酯抛光垫表面涂上50nm镍粉，如图3所示，之后将殷钢夹具按定位标记重新安装到分度夹具上，同时将粘有聚氨酯抛光垫的青铜金刚石砂轮盘重新装到金刚石刀具研磨机的主轴上；

[0034] 步骤五：恒温控制金刚石刀具研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃，在金刚石刀具研磨机的主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置如图1-a金刚石刀具研磨机，使其性能达到稳定状态；

[0035] 步骤六：用涂有50nm镍粉的聚氨酯抛光垫对金刚石晶体表面进行抛光，如图4所示，设置抛光工艺参数为：聚氨酯抛光垫附加往复运动，往复运动频率为0.17Hz，往复运动行程为10mm，金刚石刀具研磨机的主轴转速为3600r/min，抛光压力为14.7N，金刚石晶体对聚氨酯抛光垫挤压深度为30μm，抛光时间为60min，重新涂覆50nm镍粉的时间间隔为20min；

[0036] 步骤七：从分度夹具拆下殷钢夹具，采用光学显微镜离线检测金刚石晶体表面，若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面无肉眼可见缺陷，则采用如图5所示的原子力显微镜继续检测金刚石晶体表面形貌以得到金刚石晶体表面粗糙度，测得粗糙度应优于Ra 
0.6nm或Rz3.6nm，则进入步骤八；若不符合要求视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；若1400×光学放大倍率下金刚石晶体表面有肉眼可见缺陷，亦视为不合格，应重新按步骤六进行抛光加工；

[0037] 步骤八：金刚石晶体表面完成化学抛光后，将其从殷钢夹具上取下，然后进行表面清洁处理，并装盒保护。

[0038] 按照上述步骤机械化学抛光加工的金刚石晶体，表面粗糙度可以优于Ra 0.6nm，Rz3.6nm，能满足高精度金刚石刀具对前后刀面的粗糙度要求。

[0039] 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，具体实施方式一的步骤二中，所述的氧化铜粉末与磷酸混合后热烧结方法的具体步骤是：将5-10克氧化铜粉末平铺在玻璃皿上，取与氧化铜粉末等体积的磷酸滴加在氧化铜粉末上，将二者混合搅拌成膏状，然后取10-15克磷酸-氧化铜膏涂在殷钢夹具表面，再将金刚石晶体大平面朝下放到涂有磷酸-氧化铜膏的殷钢夹具上，用热风枪对粘结部位加温，温度为100～250℃，加热时间持续2-3min至磷酸-氧化铜膏凝固变硬后完毕，金刚石晶体即固定在殷钢夹具上。