專利名稱：金剛石膜的固態(tài)稀土金屬高速拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超硬材料拋光技術(shù)，特別涉及一種金剛石膜的固態(tài)稀土金屬高 速拋光方法。
技術(shù)背景金剛石膜是由化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積的純金剛石多晶膜，具有高的硬度、耐磨性、優(yōu)良的電絕緣性、導(dǎo)熱性、透光性和聲學(xué)特性，被視為21世紀(jì)最有發(fā) 展前途的新材料，在眾多高新技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域展示了很好的應(yīng)用 前景，如高功率激光二極管陣列及高功率電子器件封裝用的高效熱沉、強(qiáng)激光 窗口、紅外熱成像裝置窗口、高功率微波窗口、 X射線窗口、及用于通訊系統(tǒng) 的金剛石膜聲表面波器件等，這些金剛石膜器件既有平面形狀，又有曲面形狀。 由于金剛石膜本身是多晶膜，晶粒粗大，表面粗糙，而且由于沉積過(guò)程的不均 勻性，金剛石膜表面凹凸不平。因此其工業(yè)應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)研磨拋光加工。由亍 金剛石膜硬度極高，傳統(tǒng)的機(jī)械研磨拋光方法效率極低。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)研究了 一些新的拋光方法，但都存在著許多問(wèn)題和不足。如激光束掃描拋光效率 較高，但拋光表面質(zhì)量較低，表面易殘留石墨，難以對(duì)大面積金剛石膜進(jìn)行精 密拋光，只能進(jìn)行金剛石膜的粗加工，而且難以對(duì)曲面金剛石膜進(jìn)行拋光；離 子束刻蝕拋光表面質(zhì)量較高，但由于受離子束和離子腔尺寸的限制，拋光金剛 石膜的尺寸不能太大，而且效率太低，成本太高，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)，也不適 應(yīng)曲面金剛石膜的拋光；熱鐵板拋光方法拋光表面質(zhì)量好、效率較高，但是熱 鐵板拋光采用大功率電阻絲加熱拋光盤(pán)到800--900QC，拋光盤(pán)溫度高、熱變形 大，拋光必須在真空拋光反應(yīng)室進(jìn)行，而且需在真空拋光反應(yīng)室設(shè)置高溫?zé)峤z 活化氫氣形成原子態(tài)氫，以清除擴(kuò)散到拋光盤(pán)表面的碳，高溫?zé)峤z的熱輻射使 拋光盤(pán)產(chǎn)生的熱變形更加不均勻，雖可用于曲面金剛石膜的拋光，但設(shè)備復(fù)雜， 拋光成本高；目前開(kāi)發(fā)的稀土金屬刻蝕拋光利用活性稀土金屬(如La、 Ce等) 在液態(tài)能夠大量溶解金剛石(碳)而對(duì)金剛石膜進(jìn)行拋光，效率較高，但拋光 表面質(zhì)量較低，液態(tài)稀土金屬容易對(duì)金剛石膜邊緣產(chǎn)生過(guò)蝕，拋光時(shí)必須在真 空拋光反應(yīng)室進(jìn)行，因此該技術(shù)多用于金剛石膜的粗加工和金剛石膜的快速減 薄，不適應(yīng)曲面金剛石膜的拋光。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)目前開(kāi)發(fā)的液態(tài)稀土金屬刻蝕拋光方法只能在真空拋 光反應(yīng)室進(jìn)行，液態(tài)稀土金屬容易對(duì)金剛石膜邊緣產(chǎn)生過(guò)蝕，且不適應(yīng)曲面金 剛石膜的拋光等問(wèn)題，提供一種不需在真空拋光反應(yīng)室進(jìn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拋光 質(zhì)量好、效率高、成本低，既可用于平面金剛石膜拋光，又可用于曲面金剛石 膜拋光的金剛石膜固態(tài)稀土金屬高速拋光方法。采用的技術(shù)方案是金剛石膜的固態(tài)稀土金屬高速拋光方法，拋光盤(pán)為固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)(或 拋光研具)，由拋光盤(pán)(或拋光研具)與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱， 在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)(或拋光研具)接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán) 境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，'實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的拋光目的。拋 光過(guò)程在一般大氣環(huán)境下進(jìn)行。具體包括以下三種方法。1) 拋光平板類金剛石膜，拋光時(shí)，圓盤(pán)形固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)在驅(qū)動(dòng)電機(jī) 帶動(dòng)下，以3000r/min—50000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，金剛石膜由夾具固定，并由 另一驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以10r/min—100r/min的轉(zhuǎn)速反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由拋光盤(pán)與金剛石 膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)接觸界面形 成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板類金 剛石膜的拋光目的。2) 包絡(luò)法拋光任意曲面金剛石膜，拋光以球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒為工具， 固態(tài)稀土金屬拋光棒裝夾在高速數(shù)控機(jī)床主軸頭上，由高速數(shù)控機(jī)床主軸帶動(dòng)， 以10000r/min—60000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。金剛石膜由夾具固定，安裝在數(shù)控機(jī) 床工作臺(tái)上，由數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拋光棒相對(duì)金剛石膜在X、 Y、 Z方向 的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。拋光過(guò)程中，由拋光棒與金剛石膜的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦 熱，在金剛石膜和球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，實(shí) 現(xiàn)固態(tài)稀土金屬拋光棒對(duì)金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子的溶蝕，由球頭固態(tài)稀 土金屬拋光棒相對(duì)金剛石膜的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意曲面金剛石膜的拋光百 的。3) 成型法拋光回轉(zhuǎn)曲面金剛石膜。拋光工具為固態(tài)稀土金屬成型拋光頭， 拋光頭拋光面與回轉(zhuǎn)曲面金剛石膜被拋光面相吻合，可實(shí)現(xiàn)金剛石膜內(nèi)表面、 外表面拋光，或內(nèi)外表面同時(shí)拋光。固態(tài)稀土金屬成型拋光頭在驅(qū)動(dòng)屯機(jī)帶動(dòng) 下，以3000r/min—30000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由拋光頭與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 而產(chǎn)生摩擦熱，同時(shí)為改善曲面中心區(qū)域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫度不均勻問(wèn)題，在金剛石膜夾具內(nèi)部設(shè)置輔助加熱裝置。在摩擦熱和輔助 加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化 學(xué)反應(yīng)環(huán)境，固態(tài)稀土金屬成型拋光頭對(duì)金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子產(chǎn)生溶 蝕作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面金剛石膜外表面的拋光。 本發(fā)明的拋光原理是以固態(tài)稀土金屬制成平面拋光盤(pán)或回轉(zhuǎn)曲面拋光研具，拋光盤(pán)(或拋光研 具)以高拋光轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由拋光盤(pán)與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，在金 剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)(或拋光研具)接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境， 從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的拋光目的。本發(fā)明具有拋光效率高，拋光質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且由于拋光過(guò)程 中熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境僅在金剛石膜和拋光盤(pán)接觸表面間形成，拋光盤(pán)整體溫度低， 熱變形小，拋光盤(pán)不會(huì)對(duì)金剛石膜邊緣產(chǎn)生過(guò)蝕，既可用于平面金剛石膜拋光， 又可用于曲面金剛石膜拋光，拋光過(guò)程不需要在真空拋光反應(yīng)室進(jìn)行，設(shè)備簡(jiǎn) 單，工作可靠。


圖1是本發(fā)明金剛石膜固態(tài)稀土金屬拋光方法示意圖。圖2是本發(fā)明金剛石膜固態(tài)稀土金屬包絡(luò)法拋光示意圖。 圖3是本發(fā)明金剛石膜固態(tài)稀土金屬成型法拋光示意圖。 1—固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)；2、 7—金剛石膜夾具；3—金剛石膜；4一球頭固 態(tài)稀土金屬拋光棒；5—固態(tài)稀土金屬成型拋光頭；6—輔助加熱裝置。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，結(jié)合實(shí)例進(jìn)-一步說(shuō)明本發(fā)明的工作過(guò)程。圖1 (a)為拋光平板類金剛石膜的工作示意圖，固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)1由 電主軸直接驅(qū)動(dòng)，電主軸安裝在床身上。固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)1以10000r/min 的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，金剛石膜3由夾具2固定，并由另--驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以50 r/min 的轉(zhuǎn)速反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由拋光盤(pán)與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛 石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，從而溶蝕金剛石膜 拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的拋光目的。圖(b)為包絡(luò)法拋光任意曲面金剛石膜工作過(guò)程示意圖，拋光以球頭固態(tài) 稀土金屬拋光棒4為工具，固態(tài)稀土金屬拋光棒4裝夾在高速數(shù)控機(jī)床主軸頭 上，由高速數(shù)控機(jī)床主軸帶動(dòng)，以30000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。金剛石膜3由夾 具2固定，夾具2安裝在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上，由數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拋光棒相對(duì)金剛石膜在X、 Y、 Z方向的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。拋光過(guò)程中，由拋光棒與金剛 石膜的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒接 觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)固態(tài)稀土金屬拋光棒對(duì)金剛石膜拋光表面凸 點(diǎn)碳原子的溶蝕，由球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒相對(duì)金剛石膜的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)任意曲面金剛石膜的拋光目的。圖(c)為成型法拋光回轉(zhuǎn)曲面金剛石膜的工作過(guò)程示意圖。拋光裝置主要 由金剛石膜夾具、高速回轉(zhuǎn)成型拋光頭及輔助加熱裝置構(gòu)成。在拋光曲面金剛 石膜外表面時(shí)，金剛石膜3由夾具7固定，固態(tài)稀土金屬成型拋光頭5在驅(qū)動(dòng) 電機(jī)帶動(dòng)下，以8000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由拋光頭與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn) 生摩擦熱，同時(shí)為改善曲面中心區(qū)域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫 度不均勻問(wèn)題，在金剛石膜夾具7內(nèi)部設(shè)置了輔助加熱裝置6。在摩擦熱和輔助 加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化 學(xué)反應(yīng)環(huán)境，固態(tài)稀土金屬成型拋光頭對(duì)金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子產(chǎn)生溶 蝕作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面金剛石膜外表面的拋光。若拋光曲面金剛石膜的內(nèi)表 面，則需將圖(c)中5換為夾具，7換為固態(tài)稀土金屬成型拋光頭。若將5、 7 均換為固態(tài)稀土金屬成型拋光頭，兩個(gè)拋光頭作轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 則可同時(shí)拋光曲面金剛石膜內(nèi)外表面。不管是拋光曲面金剛石膜的內(nèi)表面，還 是同時(shí)拋光曲面金剛石膜內(nèi)外表面，都需設(shè)置輔助加熱裝置，以提高拋光曲面 中心區(qū)域的溫度，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成較為均 勻的熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，保證拋光的均勻性。
權(quán)利要求
1、金剛石膜的固態(tài)稀土金屬高速拋光方法，其特征是拋光盤(pán)為固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)或拋光研具，由拋光盤(pán)或拋光研具與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)或拋光研具接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的拋光目的；拋光過(guò)程在一般大氣環(huán)境下進(jìn)行；具體包括以下三種方法1)拋光平板類金剛石膜，拋光時(shí)，圓盤(pán)形固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下，以3000r/min-50000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，金剛石膜由夾具固定，并由另一驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以10r/min-100r/min的轉(zhuǎn)速反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；由拋光盤(pán)與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板類金剛石膜的拋光目的；2)包絡(luò)法拋光任意曲面金剛石膜，拋光以球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒為工具，固態(tài)稀土金屬拋光棒裝夾在高速數(shù)控機(jī)床主軸頭上，由高速數(shù)控機(jī)床主軸帶動(dòng)，以10000r/min-60000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)；金剛石膜由夾具固定，安裝在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上，由數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拋光棒相對(duì)金剛石膜在X、Y、Z方向的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)；拋光過(guò)程中，由拋光棒與金剛石膜的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)固態(tài)稀土金屬拋光棒對(duì)金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子的溶蝕，由球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒相對(duì)金剛石膜的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意曲面金剛石膜的拋光目的；3)成型法拋光回轉(zhuǎn)曲面金剛石膜；拋光工具為固態(tài)稀土金屬成型拋光頭，拋光頭拋光面與回轉(zhuǎn)曲面金剛石膜被拋光面相吻合，可實(shí)現(xiàn)金剛石膜內(nèi)表面、外表面拋光，或內(nèi)外表面同時(shí)拋光；固態(tài)稀土金屬成型拋光頭在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下，以3000r/min-30000r/min的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由拋光頭與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦熱，同時(shí)為改善曲面中心區(qū)域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫度不均勻問(wèn)題，在金剛石膜夾具內(nèi)部設(shè)置輔助加熱裝置；在摩擦熱和輔助加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，固態(tài)稀土金屬成型拋光頭對(duì)金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子產(chǎn)生溶蝕作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面金剛石膜外表面的拋光。
全文摘要
金剛石膜的固態(tài)稀土金屬高速拋光方法，拋光工具為固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)(或拋光研具)，由拋光盤(pán)(或拋光研具)與金剛石膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，在金剛石膜和固態(tài)稀土金屬拋光盤(pán)接觸界面形成熱化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點(diǎn)碳原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的拋光目的。拋光過(guò)程在一般大氣環(huán)境下進(jìn)行?？蓪?shí)現(xiàn)平面金剛石膜和任意曲面金剛石膜的拋光，其中曲面金剛石膜的拋光可采用包絡(luò)法和成型法兩種方法，包絡(luò)法采用球頭固態(tài)稀土金屬拋光棒為拋光工具，成型法采用固態(tài)稀土金屬成型拋光頭為拋光工具。提供了一種不需在真空拋光反應(yīng)室進(jìn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拋光質(zhì)量好、效率高、成本低，既可用于平面金剛石膜拋光，又可用于曲面金剛石膜拋光的拋光方法。
文檔編號(hào)B24B1/00GK101224551SQ20081001028
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者麗 周, 焦可如, 許立福, 黃樹(shù)濤 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)理工大學(xué)