[发明专利]利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法

说明书

本发明公开了一种利用化学气相沉积制备单层金刚石磨料工具的方法；该方法针对碳化硅基体，将金刚石磨料混入光刻胶溶液并将其超声振荡，利用旋转甩胶均匀分散金刚石磨粒，实现其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，同时磨粒生长成为高品级立方八面体单晶颗粒。本发明制备的单层金刚石磨料工具磨粒把持力强，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，适用于制备细粒度(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，具有广阔应用前景。

技术领域

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(Chemical Vapor Deposition，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”(CN 102513632 A)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”(CN 103786100 A)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。

发明内容