[发明专利]一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到超硬磨料磨具制造领域，具体涉及到一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法。

背景技术

近年来，以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等脆硬材料为代表的微小球面、非球面光学元件在光电通讯产品、光学、航天以及生命科学等领域的应用日趋广泛。金刚石砂轮是加工硬脆材料最为有效的工具之一，由于小口径非球面工件形状限制，加工空间狭小，通常在几毫米的尺寸范围中进行加工，为了避免砂轮与工件干涉，采用斜轴磨削（图1b）替代直轴磨削（图1a）对小口径非球面工件进行超精密磨削。但是斜轴磨削时，砂轮与工件是点接触，参与磨削的磨粒少，砂轮磨损快，导致修整次数增多，影响磨削加工精度和加工效率。

目前，在对小口径球面、非球面光学元件的斜轴超精密磨削中，常采用树脂结合剂或金属结合剂金刚石微粉砂轮来进行加工。树脂结合剂金刚石微粉砂轮制备较容易，但砂轮磨损速度过快，砂轮形状保持性差，导致加工精度低，需要多次补偿加工才符合要求；电镀金刚石微粉砂轮制备工艺复杂，工作层薄，使用寿命低；普通的烧结型金属结合剂金刚石微粉砂轮具有把持力好，可适用于精加工磨削，但自锐性差，修整修锐困难且烧结温度高（850-1050℃），易造成金刚石磨料的热损伤。目前国内用于超精密磨削加工的微小直径金刚石微粉砂轮基本上依赖进口，缺乏纳米级精度磨削加工用微小直径（5-20mm）金属结合剂金刚石微粉砂轮的成熟制备技术。

发明内容

本发明的目的是利用金属纳米粒子的低温熔点特性，提供一种直径为5-20mm的微小金刚石微粉砂轮的低温制备方法，使其烧结温度能够控制在400-500℃之间，能够有效保护金刚石磨粒的热稳定性、增强结合剂的把持力、提高砂轮的强度，从而获得一种适合于以光学玻璃、碳化硅、碳化钨等典型脆硬材料为代表的微小球面光学元件超精密磨削用的微小直径金刚石微粉砂轮。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种微小直径金刚石微粉砂轮的低温制备方法，包括如下步骤：

1、按质量百分比，选取35%-50%的粒径在20-100nm之间的铁纳米粒子或铜纳米粒子，添加5%-12%的乙醇、十二烷基苯环酸钠或者聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物Ⅰ；

2、按质量百分比，选取30%-45%的粒度号在1000-8000#之间的金刚石微粉磨粒，添加3%-8%的次磷酸钠或者聚乙二醇中的一种作为分散剂，采用机械搅拌5min进行初步分散混合，得到混合物Ⅱ；

3、将混合物Ⅰ和Ⅱ注入砂轮模具中，按质量百分比再加入5%-10%的石蜡，然后将砂轮模具一并放置在有加热板的超声振动装置上，设置好加热板温度60-70℃，对砂轮模具进行加热，保证石蜡处于熔融状态下；超声振动装置功率为300-600W，边加热边振动10-20min，使铁/铜纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡充分分散、混合均匀，成形膏状物；

4、然后关闭加热电源，超声振动装置继续振动10-15min，使铁或铜纳米粒子、金刚石微粉磨粒、分散剂和热蜡组成的膏状物冷却至室温后，停止超声振动，在蜡的固化作用下，使膏状物在砂轮模具中固化成型，再脱模；

5、在脱模后的砂轮周围均匀埋覆一层除蜡剂，将砂轮至于微波烧结装置中，调节微波功率为400W左右，在纯度为99.99%的氩气保护下，对砂轮进行微波快速烧结，烧结温度为400-500℃，烧结时间为15-30min，保温30-60min，然后炉内冷却至室温。

有益效果

本发明具有以下创新点：

1、利用金属纳米粒子低温熔点特性，采用纳米尺寸的金属铜或铁粒子作为结合剂，使得烧结温度降低到400-500℃。

2、采用超声波振动及添加分散剂、热蜡的复合分散法，对金属纳米粒子及金刚石磨料进行充分分散和均匀混合。

3、采用微波快速烧结方法，可以有效阻止金属纳米粒子在烧结过程中的非均匀扩散行为。

本发明具有以下优点：

1、烧结温度的降低一方面能够有效保证金刚石磨料的锋利性，避免热损伤，另一方面能够减少烧结时间、节约烧结成本。

2、采用复合分散法，利用石蜡的低熔点、粘度大、易固化特点，可有效把铜、铁纳米粒子和金刚石磨粒均匀分散在熔化的热蜡中，并形成一种类似膏状的物质，方便注模定型和低温烧结，防止金刚石磨粒沉积，提高分散效果。