[发明专利]一种金刚石表面化学机械复合加工方法与装置

说明书

所属领域

本发明涉及一种金刚石表面研磨、抛光方法与装置，属于机械加工领域。

技术背景

金刚石具有优良的机械性能与化学性能，是一种较为理想的工具材料。近年来，包括CVD金刚石膜、单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)复合片等工具材料已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。特别是随着超精密加工技术的高速发展，各类金刚石作为重要的切削刀具材料在超精密切削领域占有不可替代的地位。因此，有关金刚石工具材料的加工技术在金刚石刀具的开发、应用过程中显得非常重要。尤其是CVD金刚石膜、单晶金刚石片、PCD复合片表面研磨与抛光技术，直接影响到金刚石刀具的质量与应用性能。

有关金刚石研磨、抛光的方法比较多，例如：激光束扫描抛光，其效率较高，但是表面质量较低；离子刻蚀加工，表面质量较好，但是效率低下，并且设备昂贵，加工成本太高；热化学抛光法需要利用高温条件(750-1050℃)，使金刚石表面碳原子层产生活化而扩散到碳钢(或纯铁)研磨盘中而达到去除金刚石表面材料的目的，该方法的影响因素较多，如温度、研磨压力、研磨气体氛围等，工艺复杂，效率一般；而纯机械加工方式，由于研磨力较大，容易使金刚石表面受到机械损伤，影响表面质量。

专利“一种化学机械法金刚石膜抛光装置及其抛光方法”(专利号：ZL 200510034023.5)公开了一种化学机械金刚石抛光方法，其主要特征在于在加热的研磨盘上添加适量的氧化剂NaNO3、KNO3及LiNO3，同时添加适量CrO3、SiO2添加剂，通过氧化剂的化学作用与研磨盘的机械作用来共同实现抛光加工。所设计的装置可以对抛光的压力、转速、温度等参数进行调节，能够实现金刚石膜的一次性精密抛光。

专利“金刚石膜高速精密抛光装置及抛光方法”(专利号：ZL200410050364.7)公开了一种金刚石精密抛光方法及装置，该方法需要将抛光室密封，抽真空，再通入活性气体，使金刚石表面在高温下(600-850℃)发生扩散磨损，以此来抛光金刚石表面。

本发明提出了一种针对金刚石的新型化学机械复合研磨抛光工艺方法与装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有金刚石研磨、抛光技术设备复杂、效率低、加工质量不高等特点，提出一种新的金刚石化学机械复合研磨抛光工艺方法与装置，以提高金刚石膜研磨抛光的效率与质量。

一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，包括以下过程：(1)、将待加工金刚石膜/金刚石块压向磨盘表面；(2)、将磨盘加热；(3)、使待加工金刚石膜/金刚石块压表面发生高速摩擦通过摩擦区的化学-机械复合循环作用，实现金刚石膜/金刚石块压表面的高效研磨与抛光；其特征在于：上述磨盘是由碳化钨铜或碳化硅铜复合材料制成，其中作为硬质材料的碳化钨或碳化硅其微粒晶粒度大小为2至10微米，铜的质量百分含量为磨盘材料的20％至30％，上述磨盘工作表面光洁度小于0.8微米；上述第(2)步中磨盘加热温度在200-300摄氏度。

所述化学-机械复合循环作用是指：研磨、抛光过程包含了软质相(铜)催化金刚石表层石墨化过程和硬质相(硬质颗粒)机械刮除石墨层过程。磨盘中的软质相-铜能促使金刚石在较低的温度下发生石墨化，而后所生成的石墨层在高速摩擦过程中被磨盘中的硬质相-硬质微粒(WC，SiC等)所刮除，露出新生表面；新生表面再次被石墨化，然后再次被机械刮除，两过程循环作用，实现金刚石表面材料的高效去除。硬质材料微粒晶粒度大小在2至10微米，其中较大硬质颗粒作为主要的刮除工具，较小的颗粒在脱落后以游离的形态辅助刮除石墨层。铜的含量为20％至30％，若铜含量过少，则催化效果不明显，过多则硬质磨料相对较少，会影响机械刮除效果。将磨盘适当加热可以促进催化金刚石表层石墨化过程，无须提供800摄氏度以上的高温条件。

上述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：上述第(3)步中磨盘高速转动，转速为1000至1500转/分；待加工金刚石膜/金刚石块压低速转动，转速为5-15转/分。

上述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：所述待加工金刚石膜/金刚石块压低速转动为速度大小按正弦规律变化的变速转动。副驱动电机带动装夹板做正弦变化的低速转动.一方面可以使待加工金刚石膜/金刚石块在磨盘上的摩擦轨迹变得不规则，避免在磨盘上留下固定的划痕，影响磨盘使用性能；另一方面，变速转动使得待加工金刚石膜/金刚石块与磨盘的相对滑动速度有一个相对加速和减速的过程，有利于更好的发挥机械刮除作用。