一种砂轮用复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种砂轮用复合材料的制备方法及应用，采用易与金刚石磨料发生化学反应的硅材料作为结合剂，使两者发生热固化反应，在接触界面生成碳化硅过度层，有效解决了传统工件加工用金刚石材料存在的问题。本发明专利技术制备的砂轮用复合材料能够用于超硬材料砂轮，包括硅片减薄砂轮和晶圆切割加工用砂轮等，能够大大提高结合剂对金刚石磨料的把持力，加工温度低，结合剂成分简单，能够有效提高砂轮使用寿命和工件加工质量，提高了产品成品率。

【技术实现步骤摘要】
一种砂轮用复合材料的制备方法及应用
本专利技术涉及磨具领域，具体涉及一种砂轮用复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
金刚石由于硬度高（莫氏硬度为10）常常用于砂轮制备领域，如陶瓷结合剂超硬砂轮、硅片减薄砂轮及晶圆切割加工用砂轮中，金刚石砂轮工作层直接参与端面磨削加工或切割加工，其组织结构及机械性能起着关键性作用。金刚石在砂轮领域的应用主要包括：（1）陶瓷结合剂超硬砂轮陶瓷结合剂超硬砂轮通常由基体和工作层构成。工作层通常由若干磨料块拼接而成（如图1所示），磨料块主要由超硬磨料、陶瓷结合剂和气孔组成，陶瓷结合剂对磨料起到粘接把持作用，主要由长石、黏土和硼玻璃等炼制而成。磨料块直接参与磨削加工，因此磨料块的组织结构及其机械性能对砂轮使用影响较大。陶瓷结合剂超硬砂轮具有自锐性好、加工精度高等优势而被广泛应用于航空航天、电工电子、汽车等领域。但是目前砂轮磨料块制备工艺繁琐，通常需要制备出配方设计合理的陶瓷结合剂，然后结合剂、磨料等通过混料、成型、热固化等工序制备出砂轮磨料块，环节较多，工艺稳定性难以控制，生产周期长，生产效率低。（2）硅片减薄砂轮硅片生产加工工序较多，工艺过程较为复杂，且质量标准要求较高。经过外圆磨、切片、倒角、研磨、抛光、清洗后，半导体硅晶棒形成硅晶圆片，其中厚度减薄加工是硅片生产工艺较为关键的工序，直接决定后续工序加工的合格率。由于硅片为硅质材料，莫氏硬度达到7，且脆性较高，因此厚度减薄工艺采用了由硬度更高的金刚石（莫氏硬度为10）作为原材料制成的金刚石砂轮（如图2所示）。鉴于硅片材料较为珍贵，要求加工精度较高，金刚石砂轮通常呈盘状，其工作层厚度常为几毫米至几十毫米。金刚石砂轮工作层直接参与硅片的端面磨削加工，其组织结构及机械性能对硅片的磨削质量起着关键性作用。金刚石砂轮的工作层通常由金刚石磨料与结合剂经混料、压制成型、热固化等工序制备而成，常用结合剂有陶瓷和树脂两种，对磨料起到粘接把持作用。（3）晶圆切割加工用砂轮在芯片制备过程中，晶圆切割工艺显得尤为重要，直接决定芯片成品的合格率。由于晶圆为硅质材料，莫氏硬度达到7，且脆性较高，因此切割工艺采用了由硬度更高的金刚石（莫氏硬度为10）作为原材料制成的金刚石砂轮（如图3所示）。鉴于晶圆材料较为珍贵，要求切割过程切缝较窄，故金刚石砂轮通常呈薄片状，其工作层厚度常为几十微米，甚至几微米。金刚石砂轮工作层直接参与晶圆的切割加工，其组织结构及机械性能对晶圆的切割质量起着关键性作用。由于晶圆切割加工用金刚石砂轮工作层厚度通常只有几微米到几十个微米，金属或树脂结合剂的韧性较高，但刚性不足，切割过程让刀而导致切割缝出现偏移或倾斜现象，造成成品率降低。上述砂轮加工过程均用到了金刚石材料，金刚石砂轮工作层是由磨料与结合剂构成的复合材料，金刚石磨料具有较高的硬度、强度、导热率，较低的密度（3.52g/cm3）、线膨胀系数和较强的化学惰性，结合剂材料与之差异较大，目前金刚石砂轮在加工及使用过程中均存在以下问题：（1）结合剂对金刚石的把持力不足①由于金刚石具有较强的化学惰性，不易与其他材料发生化学反应，故陶瓷或树脂结合剂对金刚石通常是机械包镶结合，两者并未发生化学反应，结合界面存在较宽的缝隙（如图2所示），导致结合剂对金刚石的把持力不足，金刚石磨料易脱落，造成砂轮使用寿命缩短。②金刚石的线膨胀系数较低（1.0~3.5×10-6K-1），相较之下，陶瓷或树脂结合剂的线膨胀系数较高，在加工过程中磨削或切割区域产生较多的热量，金刚石磨料与结合剂受热膨胀程度差异过大而导致两者结合强度降低，造成金刚石磨料脱落。③由于金刚石磨料与结合剂材料硬度差异过大，结合剂材料较金刚石磨料消耗过快，磨耗同步性较差，导致金刚石磨料缺少有效粘接，未充分发挥磨削或切割性能而脱落失效，造成砂轮工作层耐用度降低。（2）加工温度高虽然金刚石磨料的热导率较高（600~2000Wm-1K-1），但金刚石砂轮工作层是金属、陶瓷或树脂基复合材料，整体热导率不高，磨削或切割区域的热量难以及时传递出去，导致磨削或切割加工温度较高，对工件加工质量和砂轮使用寿命均有不利影响。（3）杂质元素污染加工过程易引入其他杂质元素污染，由于工件加工过程中易引入金属、陶瓷或树脂结合剂中其他非硅元素的污染，从而影响工件质量。因此，针对上述问题，如何在维持加工精度的条件下，简化磨料块组织构成，提高结合剂与磨料的结合强度、减小金刚石磨料与结合剂材料的硬度差异，实现结合剂与磨料的消耗一致性，提高结合剂对金刚石磨料的结合强度，提升金刚石砂轮工作层热导率、降低加工区域的温度，如何同时减少金刚石砂轮工作层的杂质元素，从而延长金刚石砂轮的使用寿命是亟需解决的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种砂轮用复合材料的制备方法及应用，采用易与金刚石磨料发生化学反应的硅材料作为结合剂，使两者发生化学反应，在接触界面生成碳化硅过度层，有效解决了传统工件加工用金刚石材料存在的问题。为提高结合剂与超硬磨料，尤其是金刚石的结合强度，采用易与金刚石磨料发生化学反的硅材料作为结合剂，使两者发生化学反应，在接触界面生成碳化硅过度层（如图5所示），且碳化硅硬度较高（莫氏硬度达到9以上）、密度较低（3.20～3.25g/cm3）、热导率较高、线膨胀系数较低，与金刚石磨料各项性能匹配度较高，所以由金刚石与碳化硅形成的砂轮磨料块具有较高的强度、刚性和热导率，且组织结构简单，有效解决了传统超硬材料砂轮磨料块成分复杂、结合剂与磨料结合强度低、磨削温度过高的问题。实现本专利技术的技术方案是：一种砂轮用复合材料的制备方法，步骤如下：（1）混料：利用超声波清洗金刚石磨料0-60min，后置于烘箱中60℃加热烘干，然后酒精润湿金刚石磨料，加入硅粉搅拌均匀，过筛制粒；（2）压制成型：将步骤（1）混合粉料置于模具型腔中，在压机作用下压成生坯；（3）热固化：将生坯置于装有硅粉的石墨坩埚中，采用真空液相渗硅或气相渗硅烧结工艺使硅与生坯中的碳源（金刚石、石墨等）发生反应，，生成碳化硅与金刚石的复合材料。所述步骤（1）中金刚石磨料与硅粉的质量比为（10-60）:（5-30）。其中，步骤（1）中在添加硅粉的同时还可添加石墨粉，金刚石磨料与石墨粉的质量比为（10-60）：（0-30）。优选地，为提高碳化硅转化率，步骤（1）可添加α-SiC或β-SiC作为晶种用于选择性生成不同晶体结构的碳化硅，满足不同的磨削加工要求，添加量为0-20wt%。所述步骤（2）中压制成型压力为30-200Mpa；步骤（3）真空液相渗硅或气相渗硅烧结的温度为1350-1600℃，时间为10-60min。优选地，本专利技术还可以再制备复合材料过程中添加树脂，具体制备步骤如下：（1）混料：利用超声波清洗金刚石磨料0-60min，后置于烘箱中60℃加热烘干，将树脂溶于酒精后润湿金刚石磨料，加入硅粉搅拌均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砂轮用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：/n（1）混料：对金刚石磨料进行清洗、烘干，然后酒精润湿金刚石磨料，加入硅粉搅拌均匀，过筛制粒；/n（2）压制成型：将步骤（1）混合粉料置于模具型腔中，在压机作用下压成生坯；/n（3）热固化：将生坯置于装有硅粉的石墨坩埚中，采用真空液相渗硅或气相渗硅烧结工艺发生反应，生成碳化硅与金刚石的复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种砂轮用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）混料：对金刚石磨料进行清洗、烘干，然后酒精润湿金刚石磨料，加入硅粉搅拌均匀，过筛制粒；
（2）压制成型：将步骤（1）混合粉料置于模具型腔中，在压机作用下压成生坯；
（3）热固化：将生坯置于装有硅粉的石墨坩埚中，采用真空液相渗硅或气相渗硅烧结工艺发生反应，生成碳化硅与金刚石的复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中金刚石磨料与硅粉的质量比为（10-60）:（5-30）。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）加入硅粉后还可添加石墨粉，金刚石磨料与石墨粉的质量比为（10-60）：（0-30）。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）可添加有α-SiC或β-SiC，添加量为0-20wt%。


5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢波，张樱凡，赵金坠，
申请(专利权)人：郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41