利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法与流程

本发明涉及金刚石磨料工具制备技术领域，尤其涉及一种利用学气相沉积(chemicalvapordeposition，简称cvd)制备单层金刚石磨削工具的方法。

背景技术：

目前，单层金刚石磨料工具包括单层电镀金刚石工具和单层钎焊金刚石工具两大类，单层电镀金刚石磨料工具由于磨料实际上是机械包埋在镀层金属中，缺少牢固的冶金化学结合，因而把持力不大，容易脱落，为了增加磨粒把持力，镀层厚度增加，磨粒出露高度低，磨具锋利性差，容屑空间小，容易发生堵塞。上世纪八十年代出现的单层钎焊金刚石磨料工具，克服了单层电镀金刚石工具缺点，采用高温钎焊技术代替电镀，实现了金刚石磨粒与钎料之间化学冶金结合，钎料对金刚石磨粒有很强的把持力，而且磨粒出露高度高，容屑空间大，磨具锋利性显著提高，成为具有更新换代意义新型单层超硬磨料工具。

虽然高温钎焊金刚石工具一般都在真空或惰性气氛保护下进行，但是由于钎焊温度高，不可避免会造成金刚石热损伤而影响磨粒的硬度、强度和耐磨性等机械性能，而且钎料中ni、fe等元素还会导致金刚石的石墨化，金刚石与钎料之间的膨胀系数差异很大，焊后冷却也会引起较大的残余应力，另一方面，由于钎料流动的随机性，引起结合剂层厚度不均匀，合金钎料易在磨粒间集聚堆积，导致砂轮表面局部区域磨粒的有效出露高度和容屑空间减小。因此，作为单层金刚石工具，钎焊虽然能显著提高对金刚石磨粒的把持力，但如何减小钎焊工艺对金刚石造成的热损伤，有效控制钎料层结合剂层厚度均匀性一直是单层钎焊金刚石磨料工具制备需要解决的难题，尤其对于超细磨粒精密单层金刚石磨料工具，高温、石墨化和残余应力等热损伤因素对钎焊后金刚石性能影响更严重，而且受钎料金属本身厚度限制，目前还无法用高温钎焊方法制备。因此在现有的电镀和钎焊单层金刚石磨料工具基础上，如何另辟蹊径，探索新型单层金刚石磨料工具的制备方法和技术已非常关键，尤其对于超细精密单层金刚石磨料工具开发和应用意义重大。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利申请“一种面向细粒度金刚石磨料单层钎焊工具的制备方法”(cn102513632a)提出了一种面向细粒度金刚石磨具的制备方法，制备出磨粒高度均匀、把持力强的金刚石磨具，但该方法使用的磨粒粒度约为20-100μm，无法制备更低粒度的金刚石磨具，并且制备过程包括两次钎焊，步骤复杂成本高，并且高温钎焊会导致金刚石石墨化。中国发明专利申请“一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法”(cn103786100a)提出了一种制备硼掺杂金刚石砂轮的方法，该方法制备的硼掺杂金刚石砂轮提高了金刚石的热稳定性，但仍然无法避免结合剂与金刚石磨粒热膨胀系数差异大、钎焊残余应力大以及钎料层结合剂层厚度不均匀性等缺点。

化学气相沉积法制备的金刚石具有以下显著的优势：①cvd法制备的金刚石纯度高，杂质和缺陷极少。在cvd法中，只要使用高纯度气体，原则上就能生长高纯度金刚石。②cvd制备的金刚石晶形优良。由于cvd生长的金刚石颗粒具有金刚石的自形面，晶形良好，可合成晶面清晰、晶形突出的立方单晶结构。③cvd设备相对简单、耗能低、工艺简单并易于控制、运行成本低，本发明提出的创新技术是采用热丝化学气相法，将cvd金刚石涂层作为粘结结合剂，将金刚石磨粒固结在碳化硅表面，制备出新型碳化硅基体单层cvd金刚石磨料工具，将完全颠覆传统金刚石磨料工具的制造方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对电镀和钎焊单层金刚石磨料工具存在的不足之处，提供一种利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法；该方法制得的工具不仅可以获得晶形完整、晶体形态优良的高品级单晶磨粒，而且磨料颗粒尺寸和分布均匀，同时金刚石涂层结合剂厚度与均匀性得到有效控制。本发明利用cvd技术将磨料金刚石和基体材料通过化学键紧密结合，经过生长后的金刚石涂层结合剂与基体结合力强，制备成新型单层cvd金刚石磨料工具具有超强磨料把持力，cvd金刚石磨粒纯度高，强度要远高于传统方法合成的金刚石磨料，磨粒突出基体金刚石涂层表面可以提高达70％-80％，增大了磨料工具的容屑空间和散热能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法，所述方法包括如下步骤：

s1、利用甩胶技术将分散有金刚石磨粒的光刻胶溶液分散在磨料工具基体上；

s2、在分布有光刻胶和金刚石磨粒的基体表面cvd沉积金刚石涂层作为结合剂固结磨粒和基体；所述磨粒突出基体表面金刚石涂层的部分高度约为磨粒高度的55～80％。更优选为60～70％。

优选的，所述磨料工具以碳化硅为基体，所述金刚石磨粒采用5～100μm的金刚石微粉。

优选的，步骤s1中，将金刚石磨粒加入光刻胶溶液中，振荡处理使分散均匀，即得分散有金刚石磨粒的光刻胶溶液。

优选的，所述超声振荡时间为30～90min。

优选的，将金刚石磨粒加入光刻胶溶液后，快速搅拌，然后再进行超声振荡处理，离散金刚石磨粒的团聚，使得磨粒均匀分布在光刻胶溶液中。

优选的，步骤s1中，金刚石磨料在光刻胶溶液中的浓度为20～130mg/ml。

优选的，所述金刚石磨料在光刻胶溶液中的浓度为：对粒度为m4/8的金刚石微粉为20mg/ml，对粒度为m8/16的金刚石微粉为60mg/ml，对粒度为m12/22的金刚石微粉为100mg/ml，对粒度为170目的金刚石微粉为130mg/ml。

优选的，步骤s1中，所述甩胶技术为：利用甩胶台将分散有金刚石磨粒的光刻胶溶液在高速离心力的作用下均匀的散布在基体表面。

优选的，所述甩胶台转速设定在4000rpm，时长为30～60s；甩胶后对基体进行烘干处理。

优选的，步骤s2中，所述cvd沉积的沉积过程分为形核和生长两个阶段。

优选的，形核阶段氢气流量80～100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100～2200℃，基体温度为800～950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h。

优选的，生长阶段氢气流量80～100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100～2200℃，基体温度为800～950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为5～20h。

优选的，所述cvd沉积为掺杂硼元素的cvd沉积。

与现有方法相比，本发明具有如下有益效果：

1、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，金刚石磨料在cvd设备中进行了金刚石的同质外延生长，该方法生长出的金刚石纯度高，杂质少。

2、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，在金刚石磨料同质外延生长后，原籽晶磨料被修补，成为晶形优良，具有清晰地金刚石自行面，且晶粒饱满度值高高品级单晶颗粒。这种单晶颗粒提高了金刚石磨料的强度和耐磨性，不易受热发生石墨化，并且在精密磨削中减少被加工材料表面的划伤。

3、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，在金刚石磨料同质外延的生长过程中可以掺杂硼元素，提高金刚石磨粒的抗氧化能力。

4、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，碳化硅基体、金刚石涂层和金刚石磨料之间都可以形成化学共价键连结，磨粒把持力高，因此磨粒只需20％-30％埋在涂层结合剂中，容屑空间大，排屑效果好。

5、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，磨粒与结合剂涂层都是同质金刚石，避免了传统金刚石磨料工具中因为金刚石磨粒与结合剂不同而对制备过程产生的影响。由于金刚石涂层结合剂导热率高，提高到磨料工具的散热效果。

6、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，由于采用金刚石涂层连结磨料与基体，磨料工具各部分的耐油性、耐水性、耐酸碱腐蚀性均很强。

7、采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，金刚石涂层生长速度适中，厚度均匀性易于精确控制，可以制备钎焊法不能制备的、超细粒度的(20μm以下)单层金刚石磨料工具。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为将金刚石磨料混入光刻胶溶液后甩胶到基体表面的示意图；其中，1为金刚石磨粒，2为光刻胶，3为碳化硅基体；

图2为cvd金刚石涂层沉积和金刚石磨料修补过程示意图；其中，1为金刚石磨粒，3为碳化硅基体，4为金刚石磨粒同质外延生长的金刚石，5为碳化硅基体上异质外延生长的金刚石涂层，6为含碳原子基团，7为氢原子；

图3为采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具的表面形貌图；

图4为采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具的截面形貌图；

图5为采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具的金刚石磨粒的拉曼光图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

采用本发明将含有金刚石磨料的光刻胶溶液甩胶到碳化硅基体表面后的示意图如图1所示，其中1为金刚石磨粒，2为光刻胶，3为碳化硅基体。实现金刚石涂层沉积和金刚石磨料修补单晶生长的过程示意图如图2所示，其中：6为参与金刚石化学气相沉积的含碳原子基团，7为参与金刚石化学气相沉积的氢原子，1为金刚石磨粒，4为金刚石磨粒同质外延生长的金刚石，5为碳化硅基体上异质外延生长的金刚石涂层，该涂层将金刚石磨料与碳化硅基体固化连结，3为碳化硅基体。

本发明的利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法针对碳化硅基体，以高温高压合成金刚石磨料作为晶种，将金刚石磨料混入光刻胶溶液中，快速搅拌光刻胶溶液并将其超声振荡，使金刚石磨料均匀分散在光刻胶溶液中；然后利用旋转甩胶均匀分散金刚石晶种工艺，使晶种实现在基体衬底均匀分布，采用cvd方法在金刚石磨粒和碳化硅基体之间沉积金刚石涂层结合剂，将磨料与基体牢固的连结起来，同时基体晶种均匀优质生长成为高品级立方-八面体聚形单晶颗粒。

具体而言，本发明涉及的单层cvd金刚石磨削工具的制备方法包括如下步骤：

第一步，以机械破碎大颗粒高温高压金刚石磨料获得的金刚石微粉作为磨料(也称磨粒)，金刚石微粉的粒度为5-100μm，将该金刚石磨料混入光刻胶中，并进行快速搅拌和超声振荡令其充分混合，然后利用甩胶技术将混有金刚石微粉的光刻胶溶液均匀散布在基体表面。

第二步，采用热丝化学气相沉积法在第一步处理完成的碳化硅基体表面沉积金刚石涂层，该涂层将作为结合剂金刚石磨料与基体连结起来，并且在涂层的沉积过程中，金刚石磨料也会同质外延生长，使磨料得到了修补，成为晶形优良单晶金刚石颗粒。

实施例1

基体为碳化硅，外形尺寸为13mm×17mm×9mm。

采用磨料粒度为m4/8的单层cvd金刚石磨料工具的制备方法是：将机械破碎法制备的粒度为m4/8的金刚石磨料混入光刻胶溶液中，磨料的浓度为20mg/ml。然后快速搅拌该混合溶液，并将其进行30min的超声振荡处理以消除金刚石磨料的团簇，使磨料均匀分散在光刻胶中，然后利用甩胶技术将光刻胶磨粒混合溶液均匀散布在基体表面。其中，甩胶速度为4000rpm，时长为30s。

最后，采用热丝化学气相沉积法在分布有光刻胶和金刚石微粉的基体表面沉积一层金刚石涂层。热丝采用直径为φ0.8mm的双绞线钽丝，将热丝平行排布于基体之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持水平状态。待反应室抽真空后通入反应气源进行cvd金刚石的沉积，反应气源为氢气和丙酮的混合气体。沉积过程分为金刚石晶粒形核和生长两个阶段。其中，形核阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h；生长阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为5h。

图3和图4分别为采用本发明方法制备的单层cvd金刚石磨料工具的表面形貌图和截面形貌图。可以观察到在金刚石磨料、碳化硅基体间沉积了一层致密的金刚石涂层。金刚石晶粒明显生长，表面不规则形状和针刺状、片状形貌得到了显著修复，晶粒更接近理想的立方-八面体聚形的高品级单晶金刚石磨料。经过cvd技术生长的磨粒晶形完整，缺陷减少，因而具有优良的抗磨损能力。经过5.5h的金刚石涂层沉积，磨粒与基体之间沉积了一层厚度为2.8-4.0μm的金刚石涂层，金刚石磨粒的高度约为10.5μm，因此该金刚石磨料工具的磨粒突出结合剂高度为67％以上，具有较大的容屑空间，并且有利于在加工中使用润滑液和散热。

图5为采用本发明方法制备的单层cvd金刚石磨料工具的金刚石磨粒的拉曼图谱。在1333cm^-1处可以观察到尖锐的金刚石峰，而1520cm^-1处仅有微弱的石墨峰，表明生长后的金刚石磨料为高纯度的金刚石磨料。

实施例2

基体为碳化硅，外形尺寸为13mm×17mm×9mm。

采用磨料粒度为m8/16的单层cvd金刚石磨料工具的制备方法是：将机械破碎法制备的粒度为m8/16的金刚石磨料混入光刻胶溶液中，磨料的浓度为60mg/ml。然后快速搅拌该混合溶液，并将其进行30min的超声振荡处理，使磨料均匀分散在光刻胶中，然后利用甩胶技术将该光刻胶磨粒混合溶液均匀散布在基体表面。其中，甩胶速度为4000rpm，时长为40s。

最后，采用热丝化学气相沉积法在分布有光刻胶和金刚石微粉的基体表面沉积一层金刚石涂层。热丝采用直径为φ0.8mm的双绞线钽丝，将热丝平行排布于基体之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持水平状态。待反应室抽真空后通入反应气源进行cvd金刚石的沉积，反应气源为氢气和丙酮的混合气体。沉积过程分为金刚石晶粒形核和生长两个阶段。其中，形核阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h；生长阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为6h。

经过6.5h的金刚石涂层沉积，磨粒与基体之间沉积了一层厚度为3.5-4.2μm的金刚石涂层，金刚石磨粒的高度约为14μm，因此该金刚石磨料工具的磨粒突出基体表层结合剂高度为70％以上，具有较大的容屑空间。

实施例3

基体为碳化硅，外形尺寸为13mm×17mm×9mm。

采用磨料粒度为m10/20的单层cvd金刚石磨料工具的制备方法是：将机械破碎法制备的粒度为m10/20的金刚石磨料混入光刻胶溶液中，磨料的浓度为100mg/ml。然后快速搅拌该混合溶液，并将其进行30min的超声振荡处理，使磨料均匀分散在光刻胶中，然后利用甩胶技术将该光刻胶混合溶液均匀散布在基体表面。其中，甩胶速度为4000rpm，时长为60s。

最后，采用热丝化学气相沉积法在分布有光刻胶和金刚石微粉的基体表面沉积一层金刚石涂层。热丝采用直径为φ0.8mm的双绞线钽丝，将热丝平行排布于基体之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持水平状态。待反应室抽真空后通入反应气源进行cvd金刚石的沉积，反应气源为氢气和丙酮的混合气体。沉积过程分为金刚石晶粒形核和生长两个阶段。其中，形核阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h；生长阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为9h。

经过9.5h的金刚石涂层沉积，磨粒与基体之间沉积了一层厚度为8.2-10.7μm的金刚石涂层，金刚石磨粒的高度约为22μm，因此该金刚石磨料工具的磨粒突出基体表层结合剂的高度为57％以上。采用本发明制备的磨料粒度为m10/20的单层cvd金刚石磨料工具，磨削效率高，使用寿命高于电镀金刚石砂轮。在与金刚石砂轮对磨试验中，表现出更强的耐磨损能力。

实施例4

基体为碳化硅，外形尺寸为φ80mm圆盘，厚度为5mm。

本实施例的磨料粒度为170目的单层cvd金刚石磨料工具的制备方法是：将机械破碎法制备的粒度为170目的金刚石磨料混入光刻胶溶液中，磨料的浓度为130mg/ml。然后快速搅拌该混合溶液，并将其进行30min的超声振荡处理，使磨料均匀分散在光刻胶中，然后利用甩胶技术将该光刻胶混合溶液均匀散布在基体表面。其中，甩胶速度为4000rpm，时长为60s。

最后，采用热丝化学气相沉积法在分布有光刻胶和金刚石微粉的基体表面沉积一层金刚石涂层。热丝采用直径为φ0.8mm的双绞线钽丝，将热丝平行排布与基体之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持水平状态。待反应室抽真空后通入反应气源进行cvd金刚石的沉积，反应气源为氢气和丙酮的混合气体。沉积过程分为金刚石晶粒形核和生长两个阶段。其中，形核阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h；生长阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为20h。

经过20.5h的金刚石涂层沉积，磨粒与基体之间沉积了一层厚度为25.6-32.8μm的金刚石涂层，金刚石磨粒的高度约为110μm，因此该金刚石磨料工具的磨粒突出基体表层结合剂的高度为74％以上。采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，基体与磨料连结牢固，把持力强，在磨削过程中不容易发生磨粒的脱落，并且磨削能力强，金刚石磨粒的磨损显著降低。

实施例5

基体为碳化硅，外形尺寸为13mm×17mm×9mm。

采用磨料粒度为m8/16的单层cvd金刚石磨料工具的制备方法是：将机械破碎法制备的粒度为m8/16的金刚石磨料混入光刻胶溶液中，磨料的浓度为60mg/ml。然后快速搅拌该混合溶液，并将其进行30min的超声振荡处理，使磨料均匀分散在光刻胶中，然后利用甩胶技术将该光刻胶混合溶液均匀散布在基体表面。其中，甩胶速度为4000rpm，时长为60s。

最后，采用热丝化学气相沉积法在分布有光刻胶和金刚石微粉的基体表面沉积一层金刚石涂层。热丝采用直径为φ0.8mm的双绞线钽丝，将热丝平行排布与基体之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持水平状态。待反应室抽真空后通入反应气源进行cvd金刚石的沉积，反应气源为氢气和丙酮的混合气体，其中丙酮掺入浓度为2000ppm的硼酸三甲酯。沉积过程分为金刚石晶粒形核和生长两个阶段。其中，形核阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为3％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为1600pa，偏压电流为5a，沉积时间为0.5h；生长阶段的工艺参数为：氢气流量80-100ml/min，碳源蒸汽/氢气体积比为2％，热丝温度为2100-2200℃，基体温度为800-950℃，反应压力为4000pa，偏压电流为3a，沉积时间为6h。

经过6.5h的金刚石涂层沉积，磨粒与基体之间沉积了一层厚度为4.4-6.3μm的金刚石涂层，金刚石磨粒的高度约为15μm，因此该金刚石磨料工具的磨粒突出基体表层结合剂的高度为64％以上，具有较大的容屑空间。采用本发明制备的单层cvd金刚石磨料工具，金刚石涂层和金刚石磨粒中都掺杂入了硼元素，有效提高了金刚石磨粒在高温加工时的抗氧化能力。

综上所述，本发明制备的单层金刚石磨料工具磨粒、基体与金刚石涂层结合剂之间属于同质外延，磨粒把持力强，磨粒出露高度高，容屑空间大，避免了电镀和钎焊单层金刚石磨料工具缺点，并可以制备细粒度(5-100μm)单层金刚石磨料工具。本发明制备的单层金刚石磨料工具在半导体、光学晶体、人造蓝宝石、玻璃等脆硬材料的高精密磨削加工领域，具有广阔的的应用前景。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。