[发明专利]一种高精度金刚石维氏压头的机械刃磨方法

说明书

一种高精度金刚石维氏压头的机械刃磨方法，属于纳米硬度测量技术领域。本发明从金刚石晶体明显的各向异性和极高的耐磨性特征入手，采用机械刃磨的方法加工四棱锥金刚石维氏压头。通过四棱锥金刚石压头的研磨工艺实验，详细分析了金刚石磨料粒度、研磨压力、研磨盘转速、往复运动行程和往复运动频率等工艺参数对金刚石维氏压头研磨所得尖端钝圆半径、棱边钝圆半径和尖端横刃的影响规律，并建立了优选的金刚石维氏压头研磨工艺。为打破国外的技术壁垒、提高我国金刚石维氏压头的制造工艺水平，迈出了探究性的一步。

技术领域

本发明涉及一种金刚石维氏压头的机械刃磨方法，属于纳米硬度测量技术领域。

背景技术

随着纳米科学与技术的发展，对材料表层、薄膜、涂层和微小构件进行力学性能评价的需求越来越庞大，纳米压痕技术得以蓬勃发展。维氏压痕实验以其载荷大小不影响测量结果的优势已成为纳米压痕实验的首选。然而维氏压头的四个锥面很难交于一点，会在尖端形成横刃，所以多数纳米压痕实验都采用具有相同面积函数的改进型玻氏压头代替。但是，相较于玻氏压头，维氏压头承受的载荷更大，在测量材料断裂韧性方面具有独特的优势。

影响纳米压痕精度的主要因素包括纳米压痕仪的性能和金刚石压头的制造误差。由于目前压头研磨水平的限制，即便是高精度维氏压头的尖端也会具有横刃和圆弧。在压深较小的情况下，横刃和圆弧的存在极大的改变了压头的自相似特性，并且使得压头变钝，难以压入材料表面，使得测量结果远远偏离真实值。测量结果的偏差随着压深的减小明显增大。因此，金刚石压头的制造和加工质量对材料力学性能测试结果具有很大的影响。

金刚石是自然界中硬度最高的材料，因此对其研磨抛光非常困难。如何高效地制造高精度金刚石工具以及金刚石晶体的研磨去除机理是目前的研究热点和难点。专门研究金刚石维氏压头加工方法的资料较少，但金刚石压头作为金刚石工具的一种，分析其它金刚石刀具的制造工艺具有一定的普适性。目前，用于金刚石刀具加工的工艺方法有：机械刃磨法、离子溅蚀抛光法、化学抛光法、机械化学抛光法、化学辅助机械抛光法、热化学抛光法、激光刻蚀法、热机耦合刃磨法、聚焦离子束加工法等。综合考虑到加工效率、成本和精度，传统机械刃磨法还是制造高精度金刚石刀具的首选方法，当前还没有其它工艺方法能够将其替代。

传统机械刃磨工艺一般采用涂覆有金刚石磨料的铸铁研磨盘对金刚石进行研磨，金刚石磨粒嵌入铸铁研磨盘的表面微孔中或游离于研磨盘表面并对所研磨的金刚石表面进行挤压刻划，从而达到去除材料的目的。金刚石压头也主要采用机械刃磨的方法进行加工。根据国外金刚石压头生产商提供的产品资料，金刚石维氏压头的尖端横刃长度一般低于200nm，甚至可达50nm，远优于国际标准ISO 14577规定的250nm。而国内金刚石压头的制造商，如上海天然金刚石工具厂、豪速金刚石工具有限公司、东洋钻石工具有限公司等厂家，提供的金刚石压头精度普遍不高，尖端钝圆半径为数百纳米至数微米，尖端横刃长度也处于微米级，甚至有明显的破损，达不到纳米硬度测量的标准。此外，国内哈尔滨工业大学宗文俊等学者深入研究了金刚石刀具的机械刃磨工艺(ZL 200510010404.X)，可控制切削刃钝圆半径优于30-50nm。近年来，他们又进一步开发出了高精度金刚石玻氏压头的机械刃磨工艺，通过工艺参数的优选，实现了金刚石玻氏压头尖端和棱边钝圆半径稳定优于30nm(ZL 201510508090.X)。

因此，为了实现高精度金刚石维氏压头制造的国产化，并达到国际同类产品的最高技术水平，需要详细研究机械刃磨过程中各个工艺参数对压头尖端钝圆半径和横刃长度的影响规律，探寻较好的机械刃磨工艺参数和尖端横刃的控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了加工各项指标达到ISO 14577要求的金刚石维氏压头，提出了一种适合于制造高精度金刚石维氏压头的机械刃磨方法。