一種用於qfn基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝的製作方法
2023-05-14 04:04:26 1
專利名稱：一種用於qfn基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種刀片及工藝，特別是一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝。
背景技術：
複合金剛石切片具有優良的耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性等特點，但同時存在強度較低、韌性不足等缺點。在複合金剛石中加入添加劑是改善金剛石材料強度和韌性的有效方法，採用該方法製取的複合金剛石切片具有較高的強度、韌性和緻密度。
製造複合金剛石切片的傳統工藝方法是熱壓法(HP)，即在一定工藝條件下將金屬粉料熱壓成餅狀燒結體，然後通過線切割或金剛石砂輪切割成需要的形狀，再按ISO標準進行刃磨。雖然用該工藝生產金剛石切片質量穩定、緻密性好、晶粒細小，但存在以下缺點①刀片存在各向異性；②不能生產形狀複雜及帶孔的刀片；③生產周期長，生產效率低，生產成本高。
發明內容
本發明的目的是提供一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝，該刀片強度高、韌性和緻密度好；刀片與被加工材料的摩擦較小，刀片使用壽命長；並且製造方便，生產成本低，生產效率高。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的，一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝，其特徵是該切片是由銅粉粘接劑加輔助金屬填料之和為100％配比混合，其中銅粉粘接劑是68％，平均粒徑為0.46μm；輔助填料鉛粉3％，錫粉10％，銀粉10.5％，鐵粉8％外加0.5％石墨粉，按刀片尺寸的體積加入密度為0.66G/CBM金剛石磨料與輔助金屬填料、粘接劑混合。
所述金剛石粉平均粒徑為0.46μm。
所述的刀片是圓環形狀，外觀尺寸外徑x內徑x厚度為￠72x40x0.6，單位是mm。
該複合金剛石切片的生產工藝流程為1)混合配料；2)裝模投料；3)預壓及定模熱壓；4)卸模硬化；5)氣氛保護冷卻；6)機械加工；7)產品檢驗；8)烙印及包裝入庫。
所述該金剛石切片的具體工藝步驟如下 1)混合配料 a)按照上述重量百分配比將原料輔助調料、金剛石料混合均勻；然後將兩種原料經球磨機進行球磨→振磨→球磨，再將上述重量百分比的粘接劑將球磨後的原料粘接均勻，再加分散劑乙醇將粉料分散均勻，80目過篩，混合料於真空箱內烘乾； b)混合造粒①將步驟a)粉料預壓成塊狀體，砸碎後分別用20目和40目的篩子過篩，去除大於20目小於40目的粉體；②滾筒式造粒，用球磨桶和球磨機連續滾動而成； 2)裝模投料 將混合後的原料裝入預製的模具內，塗上硬脂酸鋅防粘劑，將料投入膜腔內攪勻、刮平； 3)預壓及定模熱壓 將上述經造粒後的原料通過複合金剛石切片模具進行壓制，然後在帶有加熱板的壓機上熱壓到規定尺寸； 4)卸模硬化 保溫結束熱脫模，產品毛坯緩冷至室溫；鼓風電熱烘箱硬化； 5)氣氛保護冷卻 將坯體在真空狀態下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護；然後升溫至1850℃時，保溫30分鐘，再加入8MPa的氬氣，隨爐冷卻；其真空溫度分別為400℃和1200℃； 6)機械加工 用樹脂結合劑砂輪並通過C18WC磨削液對上述處理後的刀片進行刃磨； 7)產品檢驗； 8)烙印、包裝入庫。
所述真空箱內烘烤溫度不高於80℃。
所述滾筒式造粒連續滾動30～60分鐘。
所述預壓壓機壓力為300-600kg/cm2；熱壓溫度為170-180℃，保溫10-30min。
所述電熱烘箱185℃硬化8h。
本發明的有益效果是由於這種複合金剛石切片的主要成分是在金剛石基料中加入一定比例的各種不同成份金屬粉末，通過其混合料的配比及製造工藝使得該刀片強度高、韌性和緻密度好；產品具有優異的韌性和耐磨性，刀片與被加工材料的摩擦較小，使用壽命長大大降低生產成本，超薄刀口切削鋒利，提高切割效率。
具體實施例方式 以下通過具體實施例對本發明做進一步說明，需要說明的是下述實施例僅僅用於說明本發明，但並不用於限制本發明的實施範圍。
實施例1 該切片是由銅粉粘接劑加輔助金屬填料之和為100％配比混合，其中銅粉粘接劑是68％，平均粒徑為0.46μm；輔助填料鉛粉3％，錫粉10％，銀粉10.5％，鐵粉8％外加0.5％石墨粉，按刀片尺寸的體積加入密度為0.66G/CBM金剛石磨料與輔助金屬填料、粘接劑混合。
所述金剛石粉平均粒徑為0.46μm。
所述的刀片是圓環形狀，外觀尺寸外徑x內徑x厚度為￠72x40x0.6，單位是mm。
再按照該複合金剛石切片的生產工藝流程1)混合配料；2)裝模投料；3)預壓及定模熱壓；4)卸模硬化；5)氣氛保護冷卻；6)機械加工；7)產品檢驗；8)烙印及包裝入庫。
其製造工藝步驟如下 1)混合配料 a)按照上述重量百分比配原料和輔助填料，將鎢粉、銅粉、鋅粉、矽粉、炭黑、鉬粉、金剛石料混合均勻；然後將兩類原料經球磨機進行球磨→振磨→球磨，再將上述重量百分比的粘接劑酚醛樹脂將球磨後的原料粘接均勻，再加分散劑乙醇將粉料分散均勻，80目過篩，混合料於真空箱內烘乾，烘烤溫度不高於80℃。
b)混合造粒①將步驟a)粉料預壓成塊狀體，砸碎後分別用20目和40目的篩子過篩，去除大於20目小於40目的粉體；②滾筒式造粒，用球磨桶和球磨機經60分鐘連續滾動而成； 2)裝模投料 將混合後的原料裝入預製的模具內，塗上硬脂酸鋅防粘劑，將料投入膜腔內攪勻、刮平；其中，模具選材主要為高碳鋼、合金工具鋼或耐熱鋼。
3)預壓及定模熱壓 將上述經造粒後的原料通過複合金剛石切片模具進行壓制，預壓在規定噸位的壓機上進行壓製成型，壓力為600kg/cm2。然後在帶有加熱板的壓機上，熱壓到規定尺寸，溫度為180℃，保溫時間因產品尺寸大小而不同，通常為30min。
4)卸模硬化 保溫結束即可熱脫模，產品毛坯緩冷至室溫。然後進行硬化工序，從而消除成型時產生的內應力，並使樹脂硬化反應進行完全，硬化工序通過鼓風電熱烘箱設備於185℃，保溫時間8h。對升溫和降溫速度要嚴格控制，以免引起產品變形。
5)氣氛保護冷卻 將坯體在真空狀態下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護；然後升溫至1850℃時，保溫30分鐘，再加入8MPa的氬氣，隨爐冷卻；其真空溫度分別為400℃和1200℃； 6)機械加工 用樹脂結合劑砂輪並通過C18WC磨削液對上述處理後的刀片進行刃磨，機械加工的外觀尺寸外觀尺寸￠50x40x0.1mm(外徑x內徑x厚度)主要是內孔、外圓及端面的機械加工，須達到客戶或國標規定的尺寸、形位公差及外觀等要求並通過檢驗確認，並出具合格證明書。
7)產品檢驗； 8)烙印；包裝入庫。
本發明的工藝原理如下 粉體情況 所述金剛石粉平均粒徑為0.46μm，密度為0.66g/cm3(金剛石磨料含量0.88G/CBM) 混合配料 本工序的目的是使各種原料充分均勻混合。粉料處理工藝為球磨→振磨→球磨。球磨+振磨總時間應控制在72小時左右，如時間過短，會造成粉料混合不充分；如時間過長，可引起球磨介質出現團聚現象等。採用酒精作為分散劑，可使粉料分散均勻並有利於烘乾。應注意，漿料烘乾前應用80目篩子過篩，將球磨過程中產生的雜質濾掉。此外，金屬粉體應置於密封容器內，避免吸潮，保存時間最好不超過3個月。混合料的烘乾應在真空箱內進行，烘烤溫度不應高於80℃，以便於酒精回收及防止粘接劑揮發。
複合金剛石切片以金剛石粉末為主要成份，輔助填料主要有Cu、ZnO、SiC、炭黑，為了適應不同的切割對象和切割工藝方法的要求，可以通過調整成分、配比、壓制密度、熱壓制度等方法來完成。選取符合技術條件的樹脂及輔料粉末，按照配比計算後，用電子天平或託盤天平準確稱量，少量結合劑可在研缽中手工混合均勻，量大時必須用機混，如三維渦流混料機。
結合劑配製完後，一般需檢查以下項目 (1)取樣化驗，成分、比例是否正確； (2)取料放在平板玻璃上，用平尺壓平，顯微鏡觀察料中有無色澤不均的色斑。結合劑最好現混現用。否則要裝入磨口瓶中，並將瓶子放在乾燥器中保存。
根據產品用途，一般選用RVD等型號的金剛石，粒度如325/400、W40、W28等，主要是根據加工效率及加工質量要求來進行選擇，濃度的定義為磨料層內金剛石所佔體積比為25％，金剛石含量為0.88g/cm3，規定為100％濃度。其他濃度以此為基準進行推算，並最終計算出金剛石的添加質量，一般根據產品的壽命及效率要求來確定濃度。常用的濃度有50％、75％、100％、125％等。
模具選材主要為高碳鋼、合金工具鋼或耐熱鋼。加工、整理模具，試裝確認後，塗上硬脂酸鋅防粘劑，將料投入膜腔內攪勻、刮平。預壓在規定噸位的壓機上進行壓製成型，一般壓力為300-600kg/cm2。然後在帶有加熱板的壓機上，熱壓到規定尺寸，溫度為170-180℃，保溫時間因產品尺寸大小而不同，一般為10-30min。保溫結束即可熱脫模，產品毛坯緩冷至室溫。為了消除成型時產生的內應力，並使樹脂硬化反應進行完全，需要進行硬化工序，主要參數為溫度185℃，保溫時間8h。設備為鼓風電熱烘箱。對升溫和降溫速度要嚴格控制，以免引起產品變形。
裝模投料 複合金剛石切片的乾粉壓制工序對粉體形貌、粉體表面電荷狀況以及混合粉體的造粒要求都很高，故壓制工藝難度較大。如壓坯密度過低，燒結後難以達到所需緻密度，同時燒結後坯體收縮過大會造成刀片刃磨餘量不足；如壓坯密度過高，則會造成坯體內部的隱性裂紋(燒結前這些裂紋很難檢測出來)。加入粘接劑可改善壓制性能，但粘接劑過多會增加刀片孔隙，使刀片性能下降；粘接劑不足或模具製作精度不高則會造成坯體分層現象。為減少壓制缺陷，可在製造模具時增大拔模斜度。
預壓及定模熱壓 複合金剛石切片的預壓及定模熱壓工藝與傳統硬質合金刀具生產工藝相似。本發明採用的PEG(聚乙二醇)溫度控制在400℃。預壓及定模熱壓時應根據PEG的特點在其揮發點溫度附近保溫較長時間。為防止PEG氣化後進入真空泵，影響真空泵的使用性能，可在泵前增加冷凝PEG回收裝置。在預壓及定模熱壓過程中，應注意防範突然停電等意外情況，防止冷空氣進入，否則會造成刀片氧化或粉碎。預壓及定模熱壓後應與預壓及定模熱壓前的坯體重量進行對比，以確定PEG是否排淨。預壓及定模熱壓後的坯體應及時燒結，如需放置較長時間，則應注意防潮。
卸模硬化處理 卸模硬化工藝採用氣氛保護燒結(GPS)+熱等靜壓(HIP)處理技術。GPS燒結是將坯體在真空狀態下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護；然後升溫至1850℃時，保溫30分鐘，再加入8MPa的氬氣，隨爐冷卻。在燒結期間，真空度的高低直接影響坯體水分的排除，真空溫度的高低則會影響刀片燒結後的硬度和強度。工藝數據表明採用真空溫度分別為400℃和1200℃的工藝方案燒結的刀片其HV硬度相差約0.5GPa，強度相差50MPa以上。GPS燒結後的坯體密度應控制在理論密度的93％～98％。如果繼續升溫或延長保溫時間，雖可提高坯體密度，但坯體強度會急劇下降。當坯體密度＞93％後，開口氣孔基本消除，燒結動力明顯不足，此時升溫或延長保溫時間可使晶粒增大，從而消除閉口氣孔，增大坯體密度。採用GPS方法燒結刀片時，若燒結保護氣壓＜20MPa(一般GPS燒結爐的保護氣壓均低於20MPa)，則與低壓(2MPa)燒結效果無明顯區別。在燒結過程中採用氬氣保護，一方面可防止TiCN分解，另一方面可保證窯爐內溫度的均勻性(因為爐內的氬氣也可作為傳熱介質)。
硬化處理技術應用領域較廣(包括高溫合金、硬質合金、陶瓷、合成材料、擴散粘接、鑄件緻密化及焊接等)，但由於設備昂貴、技術複雜，因此在國內推廣應用難度較大。採用卸模硬化處理技術製造可使刀片質量大幅度提高，同時保持了冷壓加工方法可製作形狀複雜或帶孔複合金剛石切片以及生產效率較高等特點。
由於硬化處理技術對包套材料及操作技術要求較高，因此通常用於製造形狀簡單的產品且生產效率較低。利用硬化爐處理經過GPS燒結的複合金剛石切片則不需要包套，這是因為當刀片坯體密度＞93％時，開口氣孔已完全消除，可在坯體表面自然形成包套，因此刀片坯體可不加任何包套裝置直接置於硬化爐內進行處理。在處理過程中，以氬氣作為加壓介質，加壓150MPa，升溫至1760℃，保溫1小時，隨爐冷卻。經硬化處理後，刀片坯體密度可達理論密度的99％以上，坯體強度在GPS燒結的基礎上可增加50～200MPa，刀片顯微硬度可提高0.5～1GPa。硬化處理前後複合金剛石切片的性能對比見表1(表中數據為一組12根試件的平均值)。
經硬化處理後，複合金剛石切片的顯微結構基本不會發生變化，這是由於刀片坯體的閉口氣孔在高壓(150MPa)下被強行消除，晶粒由於溫度較低而發育較好，因此刀片的整體性能顯著提高。
本發明複合金剛石切片密度＞99.2％，硬度HV＞20.5GPa，韌性Kic＞5.5MPa·m1/2，三點抗彎強度＞700MPa。刀片微觀結構的SEM照片如圖3所示，材料組織中TiCN呈彌散
分布，晶粒平均尺寸約2μm。表2列出了幾種典型金剛石刀片的性能指標。
機械加工 用樹脂結合劑砂輪對上述處理後的刀片進行刃磨，通過C18WC磨削液。機械加工主要是內孔、外圓及端面的機械加工，須達到客戶或國標規定的尺寸、形位公差及外觀等要求並通過檢驗確認。
複合金剛石切片的機械加工質量對刀具使用性能影響很大，在刀片機械加工工序應注意以下問題 1)砂輪的選擇 複合金剛石切片的刃磨應選用樹脂結合劑砂輪。雖然樹脂結合劑砂輪的自銳性較差、刃磨效率較低，但不會破壞刀片強度；而金屬結合劑砂輪雖然自銳性好、刃磨效率高，但會降低被刃磨刀片的強度，即砂輪越「軟」，刃磨刀片的表面質量越好。金剛石砂輪的磨料粒度越細，磨削效率越低，但刀片表面缺陷越少；磨料粒度越粗，磨削效率越高，但刀片表面缺陷也越多。為兼顧磨削效率和表面質量，可在粗磨時選用粒度較粗的砂輪，預留很小的加工餘量；精磨時則選用粒度較細的砂輪。砂輪形狀的選擇也很重要，應儘量採用平面砂輪，碗形砂輪和碟形砂輪加工的刀片表面質量稍差。
2)磨削液的選用 複合金剛石切片的刃磨難度較大，對磨削液的要求也較高。磨削液的作用除冷卻外，還要通過及時清洗粘在砂輪表面、具有較大粘性的複合金剛石切片磨屑來保證砂輪的自銳性。美國Master化學公司的C18WC磨削液應用效果較好，如同時在該磨削液中添加清洗劑，效果可進一步提高。
刀片負倒稜的刃磨要求不同的加工場合、工件材料和切削參數對刀片的負倒稜有不同要求。負倒稜的方式主要有單一倒稜和組合倒稜。一般情況下，要求保證刀片負倒稜角度和寬度的一致性。為減小刀片的初期磨損，在負倒稜基礎上可增加「鈍化」工序。
檢驗 對於不同批次、不同時間生產的複合金剛石切片，除監控其性能指標外，在出廠前還應進行試刀，以檢驗刀片的切削性能。試刀一般在工廠的工具機上完成。
烙印根據要求再刀片上印上生產的批號及品牌。
權利要求
1.一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方，其特徵是該切片是由銅粉粘接劑加輔助金屬填料之和為100％配比混合，其中銅粉粘接劑是68％，平均粒徑為0.46μm；輔助填料鉛粉3％，錫粉10％，銀粉10.5％，鐵粉8％外加0.5％石墨粉，按刀片尺寸的體積加入密度為0.66G/CBM金剛石磨料與輔助金屬填料、粘接劑混合。
2.根據權利要求1所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方，其特徵是所述金剛石粉平均粒徑為0.46μm。
3.根據權利要求1所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方所述的刀片是圓環形狀，外觀尺寸外徑x內徑x厚度為￠72×40×0.6，單位是mm。
4.一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是上述複合金剛石切片的生產工藝流程為1)混合配料；2)裝模投料；3)預壓及定模熱壓；4)卸模硬化；5)氣氛保護冷卻；6)機械加工；7)產品檢驗；8)烙印及包裝入庫。
5.根據權利要求4所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是所述該金剛石切片的具體工藝步驟如下
1)混合配料
a)按照上述重量百分配比將原料輔助調料、金剛石料混合均勻；然後將兩種原料經球磨機進行1)球磨、2)振磨、3)球磨，再將上述重量百分比的粘接劑將球磨後的原料粘接均勻，再加分散劑乙醇將粉料分散均勻，80目過篩，混合料於真空箱內烘乾；
b)混合造粒①將步驟a)粉料預壓成塊狀體，砸碎後分別用20目和40目的篩子過篩，去除大於20目小於40目的粉體；②滾筒式造粒，用球磨桶和球磨機連續滾動而成；
2)裝模投料
將混合後的原料裝入預製的模具內，塗上硬脂酸鋅防粘劑，將料投入膜腔內攪勻、刮平；
3)預壓及定模熱壓
將上述經造粒後的原料通過複合金剛石切片模具進行壓制，然後在帶有加熱板的壓機上熱壓到規定尺寸；
4)卸模硬化
保溫結束熱脫模，產品毛坯緩冷至室溫；鼓風電熱烘箱硬化；
5)氣氛保護冷卻
將坯體在真空狀態下升溫至1200℃，加入2MPa的氬氣保護；然後升溫至1850℃時，保溫30分鐘，再加入8MPa的氬氣，隨爐冷卻；其真空溫度分別為400℃和1200℃；
6)機械加工
用樹脂結合劑砂輪並通過C18WC磨削液對上述處理後的刀片進行刃磨；
7)產品檢驗；
8)烙印包裝入庫。
6.根據權利要求5所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是所述真空箱內烘烤溫度不高於80℃。
7.根據權利要求5所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是所述滾筒式造粒連續滾動30～60分鐘。
8.根據權利要求5所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是所述預壓壓機壓力為300-600kg/cm2；熱壓溫度為170-180℃，保溫10-30min。
9.根據權利要求5所述的一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片的生產工藝，其特徵是所述電熱烘箱185℃硬化8h。
全文摘要
本發明涉及一種刀片及工藝，特別是一種用於QFN基板切割的金剛石超薄切片配方及生產工藝，其特徵是該切片是由銅粉粘接劑加輔助金屬填料之和為100％配比混合，其中銅粉粘接劑是68％，平均粒徑為0.46μm；輔助填料鉛粉3％，錫粉10％，銀粉10.5％，鐵粉8％外加0.5％石墨粉，按刀片尺寸的體積加入密度為0.66G/CBM金剛石磨料與輔助金屬填料、粘接劑混合。該複合金剛石切片的生產工藝流程為1)混合配料；2)裝模投料；3)預壓及定模熱壓4)卸模硬化；5)氣氛保護冷卻；6)機械加工；7)產品檢驗；8)烙印及包裝入庫。該刀片對鋼類材料的親和性小，切削潤溼性好，刀片與被加工材料的摩擦較小，從而可延長刀片使用壽命。
文檔編號B24D3/04GK101758442SQ20091021857
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者張庚超 申請人:西安澤豪實業有限責任公司