[发明专利]一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合于制造高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，应用于材料表面微纳米尺度力学特性的检测，属于纳米硬度测量技术领域。

背景技术

近三十年来，纳米硬度测量技术广泛应用于材料表面微纳米尺度力学特性的检测。纳米硬度测量技术指的是通过使用高精度的金刚石压头压入或刻划材料表面从而检测材料微小体积内力学特性的一种方法。压痕和划痕的深度一般为微米甚至纳米尺度，是进行表面涂层、薄膜材料和材料微纳尺度表面等力学特性测试的理想方式。按这种方法设计的纳米压痕仪通过实时连续地记录压头在样品表面的加载和卸载过程，能够得到试验过程中施加在压头上的载荷与压头压入材料深度的关系，这是传统宏观或显微硬度检测方法所不能达到的。

对于纳米硬度测量技术来说，要获得纳米尺度的压痕或划痕，除了高精度的测试仪器、良好的测试环境以及符合要求的样品表面以外，还需要高精度的金刚石压头。其中玻氏压头是目前大多数仪器化纳米压痕试验所使用的压头，与其它压头相比，它可以加工得非常尖锐，并且即使在很小的深度范围内，这种压头的形貌与理想压头的偏差也较小，非常适合压入深度不大的压痕试验。由于目前压头研磨水平的限制，即便是高精度玻氏压头的尖端也具有一定的钝化，习惯上将尖端钝化区域看做球面。在相同的深度下，非理想压头的横截面面积大于理想压头的横截面面积，而这将造成很多负面影响。例如用尖端较钝的压头对极薄的膜进行压痕试验时，由于所需完全塑性变形的深度较大，而薄膜较薄，因此不能准确测得薄膜的相关力学特性；反之，若压头尖端钝圆半径很小，则获得可靠硬度测量结果的压痕或划痕深度越小，其能检测的材料厚度也越薄。总之，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。专门研究金刚石玻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方法具有一定的普适性。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。

传统机械刃磨方法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，金刚石玻氏压头尖端钝圆半径已经能够研磨到20nm，远优于国际标准规定的200nm。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，甚至有明显的破损，达不到纳米硬度测量的标准。至于天然金刚石刀具，国内哈尔滨工业大学的宗文俊学者深入研究分析了金刚石刀具的机械刃磨过程，并对金刚石晶体表层材料的去除机理进行了全新认识，目前所研制的金刚石刀具的切削刃钝圆半径能稳定达到30～50nm(ZL 200510010404.X)。

如上所述，若直接参照天然金刚石刀具的机械刃磨工艺参数加工金刚石玻氏压头，理论上应该能直接得到小于50nm的钝圆半径。但根据我们前期的研究表明，采用金刚石刀具的机械刃磨工艺参数加工金刚石玻氏压头，尖端钝圆半径要达到小于200nm的ISO标准还较为困难。因此，为了实现高精度金刚石玻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的影响，寻求较好的机械刃磨工艺参数。

发明内容

本发明的目的是为了加工各项指标达到ISO 14577要求的金刚石玻式压头，提出了一种适合于制造高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法。本发明主要从金刚石晶体明显的各向异性和极高的耐磨性特征入手，结合前期积累的金刚石刀具机械刃磨加工经验，亦采用机械刃磨的方法加工金刚石玻式压头。通过金刚石压头的研磨工艺实验，详细分析金刚石磨料粒度、研磨压力、研磨盘转速、往复运动对金刚石玻氏压头研磨所得钝圆半径的影响，包括尖端钝圆半径和棱边钝圆半径，并建立优化的金刚石玻氏压头研磨工艺。为打破国外的技术壁垒、提高我国金刚石玻式压头的加工水平，迈出了探究性的一步。