专利名称：一种金刚石膜的高效抛光加工方法
技术领域：
本发明涉及一种超硬脆材料的特种加工方法，特别是一种金刚石膜的抛光加工方法。
天然金刚石的资源有限，而人工合成金刚石长期以来用高温高压方法生产，只能是粒状或粉末状的，这就限制了其使用范围。80年代以来，气相沉积(CVD)金刚石薄膜技术得到迅速发展，但由于气相沉积的金刚石膜是多晶膜，晶粒较多，表面凹凸不平，在许多情况下不能直接使用，因而金刚石膜的光整加工(抛光)已成为必不可少的工艺步骤。又由于金刚石膜硬度非常高，且厚度薄，整体强度低。因此在抛光时，不仅效率低，且极易发生膜的破裂及损伤。所以解决金刚石膜的抛光问题已成为扩大金刚石膜应用的关键之一。目前国外对金刚石膜的抛光主要有以下几种方式(1)机械式抛光这种方式采用传统的研磨或磨削加工手段。它可以进行不同程度的粗抛光和精抛光。但效率极低，容易造成膜的损伤，且抛光面上实际上仍然存在磨削沟痕，降低了工件表面质量。(2)热化学反应抛光它是利用某些化学元素在一定温度下与金刚石表面产生热化反应，从而对金刚石的表面进行蚀刻、抛光。(a)热金属板法在900度左右、一定的气氛条件下，将金属板(铁等)和金刚石膜对磨，进行无损伤的高表面质量抛光，但所需时间为数小时(粗加工)或数十小时(精加工)。(b)金属熔融法此法将稀有金属膜或金属粉与金刚石膜相对，通过高温下金属对金刚石的熔融进行加工，效率远高于热金属板法，并可以进行成型加工，但加工表面粗糙度高。(3)离子束加工采用离子束进行粗精抛光，加工质量好，但粗加工效率偏低，如Rmax＝50um抛光至15Mm约需24小时，Rmax＝3um抛光至0.5um约需8小时。(4)激光束蚀刻采用激光束扫描加工使金刚石加热蒸发，可获得较高的效率(约0.1cm/min)，但加工后的表面质量通常不高，且使用该法对激光机有一定要求，操作工艺复杂。(5)悬浮磨料水射流加工利用高速高能的磨料流将膜表面的凸起尖锋“切除”从而达到抛光的目的。可使粗糙的金刚石膜表面较快地达到Rmax＝1-2um较为光整的表面。但如何保证抛光质量的均匀性仍然是个问题。国内对热化学反应抛光和氧离子束加工金刚石膜进行了不多的一些研究，在金刚石膜及其制品的研究工作中，大都用机械研磨加工法。研究新的高效高质量加工金刚石膜的方法和工艺，满足批量生产的要求，显然是十分必要的。
本发明的目的是提供一种可较大地提高加工效率和质量，并保护金刚石膜的晶界和防止热冲击损伤，加工稳定性和持续性好，加工精度高、可有效应用于工业化批量生产中的金刚石膜的光整加工方法。
本发明的技术方案是在金刚石膜表面涂覆一层可使金刚石膜表面形成为导电膜的金属涂覆层，然后进行电蚀加工。
本发明的基本工作原理是首先在金刚石膜表面涂覆金属材料，并选择合适的金属涂覆层的材料和厚度，利用金属涂履层对金刚石的碳固溶性能，对金刚石进行局部融蚀，使金刚石膜表面成为导电膜，然后进行电蚀加工，通过旋转电极的平面电蚀抛光加工，并优选出合适的电压、电流、脉宽、脉间转速及电加工液成分等工艺参数，利用电加工产生的热能及表面涂覆金属的热扩散作用，快速对金刚石进行局部碳固溶融蚀，并使金刚石受热石墨化和汽化，使放电后金刚石表面的石墨化产生导电膜，保证电蚀过程得以适当延续，以最大限度地提高金刚石的加工效率和质量，即在最快时间内以较低的成本达到最理想的加工精度。
本发明的优点是1、可以在很短时间内和用较低的成本获得理想的加工精度，可在数分钟内将几十微米的金刚石膜表面抛光至1微米以下，加工效率高；2、有效保护金刚石膜薄弱的晶界，防止热冲击损伤；3、高质量旋转电极的电蚀加工保证了放电加工的稳定性、持续性和加工的表面质量。4、加工工艺简单，成本低，易于实现工业化生产，工件不易破碎。
以下结合附图详细说明本发明的基本结构和原理
图1是本发明的加工方法示意图；实施例1如图1所示，本实施例首先在金刚石膜1表面通过化学镀或真空蒸发镀的方法涂覆一层镍或镍合金2，其中镍或镍合金的镀层厚度根据金刚石膜的表面粗糙度(Ra)来确定，一般选择镀层厚度为表面粗糙度的0.01-0.05倍，本实施例的镍或镍合金的镀层厚度与金刚石表面粗糙度(Ra)的关系如表1所示，涂覆的一层镍或镍合金使金刚石膜表面形成导电膜，使其可以进行电蚀加工，然后进行电蚀加工，该电蚀加工是在数控铣床上采用立式旋转电极的平面电蚀抛光加工，通过利用脉冲电源并采用细颗粒高表面质量的电极材料作电极3在主轴上旋转，工作面纵向进给的方式来进行，其中电极3的几何形状为柱形，最好是带槽的柱形，且槽的形状可以为螺旋状槽或径向槽，同时该电蚀加工的工艺参数也根据金刚石的表面粗糙度(Ra)和加工的精度来选择，各工艺参数的选择如表2所示，电加工液一般采用煤油，以方便清洗，这样在金刚石膜1涂覆的镍或镍合金2，使金刚石膜1表面进行局部融蚀，提高加工质量和效率，又由于它同金刚石的导热性能差异，可有效保护金刚石薄弱的晶界，防止热冲击损伤，且放电后金刚石膜表面的石墨化产生导电膜，使电蚀过程可以适当延续，用高质量的旋转电极3进行抛光加工，改善了电极间隙沉积的渗出，缩短了放电时间，使电极磨损均匀并保持几何精度，保证了抛光加工的稳定性和加工质量。为提高质量的金刚石膜，电蚀加工完成后，还进行表面清洗和超精加工。
表1
表2
实施例2本实施例的加工方法同实施例1基本相同，其区别在于将镀层金属换成铜或铜合金，且相应的镀层厚度作一些变化，铜或铜合金的镀层厚度与金刚石表面粗糙度(Ra)的关系一般是镀层厚度为金刚石表面粗糙度(Ra)的0.01-0.05倍，其对应关系如表3所示。
表3
实施例3本实施例的加工方法同实施例1基本相同，其区别在于将镀层金属换成钛或钛合金，且相应的镀层厚度也作一些变化，钛或钛合金的镀层厚度与金刚石表面粗糙度(Ra)的关系一般是镀层厚度为金刚石表面粗糙度(Ra)的0.005～0.01倍，其对应关系如表4所示。
表权利要求
1.一种金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于首先在金刚石膜表面涂覆一层金属涂覆层，然后进行电蚀加工。
2.根据权利要求1所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述电蚀加工完成后还进行表面清洗和超精加工。
3.根据权利要求1所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述金属涂覆层的厚度为金刚石膜表面粗糙度Ra的0.005倍-0.05倍。
4.根据权利要求1或2或3所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述金属涂覆层通过化学镀或真空蒸发镀的方法镀在金刚石膜表面。
5.根据权利要求1或2或3所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述金属涂覆层的材料为镍、铜、钛金属或其合金。
6.根据权利要求1所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述电蚀加工采用立式旋转电极的平面电蚀抛光加工方法。
7.根据权利要求1或6所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述电蚀加工的工艺参数如下加工电流0.2-4.0A，电源脉宽1-40us，电源脉间5-24us，电极旋转转速700-1500vmp。
8.根据权利要求1或6所述金刚石膜的高效抛光加工方法，其特征在于上述电板的几何形状为柱形或带螺旋槽的柱形。
全文摘要
一种金刚石膜的高效抛光加工方法。本发明的技术方案是在金刚石膜表面涂覆一层可使金刚石膜表面形成为导电膜的金属涂覆层,然后进行电蚀加工。本发明的优点是:1、可以在很短时间内和用较低的成本获得理想的加工精度,加工效率高;2、有效保护金刚石膜薄弱的晶界,防止热冲击损伤;3、高质量旋转电极的电蚀加工保证了放电加工的稳定性、持续性和加工的表面质量。4、加工工艺简单,成本低,易于实现工业化生产。
文档编号C23C16/26GK1266111SQ9910490
公开日2000年9月13日 申请日期1999年3月9日 优先权日1999年3月9日
发明者王成勇, 郭钟宁, 魏昕 申请人:广东工业大学