СОСТАВ ДЛЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2001 года по МПК B24D3/32 B24D3/34 

Изобретение относится к производству алмазно-абразивного инструмента и может быть использовано в оптико-механической, электронной и других отраслях производства для обработки высокопрочных труднообрабатываемых материалов, например, изделий из сапфира, монокристаллического кварца, различных типов керамики, полупроводниковых материалов, различных типов стекла.

Известен состав для шлифовального инструмента, включающий в качестве связующего эпоксидную смолу и отвердитель, абразив, наполнитель и порообразователь (А. С. СССР N 1465439, МКИ B 24 D 3/34). Шлифовальные инструменты из указанного состава могут быть достаточно эффективно использованы для грубого и получистового шлифования стекла. Однако они мало пригодны при обработке высокопрочных труднообрабатываемых материалов, и не могут быть использованы на операциях финишного шлифования и предварительного полирования.

Известна также масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента, включающая абразивный материал, фенольное связующее и органический газообразователь (А. С. СССР N 1673419, МКИ B 24 D 3/34). Инструмент с использованием указанной массы предназначен для сухого шлифования некоторых металлов и не может быть использован для обработки таких материалов, как сапфир, монокристаллический кварц, различные типы керамики, полупроводниковые материалы, различные типы стекла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является состав для алмазного инструмента, содержащий в качестве связующего эпоксидную смолу и отвердитель, алмазный порошок, наполнитель и функциональную добавку (WO 94/17956, 18.08.1994 - прототип).

Недостатком данного состава является низкая эффективность его применения для обработки таких труднообрабатываемых материалов, как сапфир, монокристаллический кварц, различные полупроводниковые материалы. Дело в том, что применение состава прототипа при изготовлении инструмента для обработки указанных выше твердых материалов приводит к его быстрому засаливанию и необходимости частого вскрытия режущей поверхности инструмента. Кроме того, данный состав не работает в инструменте для финишных операций шлифования с применением алмазных порошков мелкой фракции (менее 10 мкм) и на операциях предварительного полирования по причине его засаливания.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности и качества обработки высокопрочных труднообрабатываемых материалов, например, изделий из сапфира, монокристаллического кварца, различных типов керамики, полупроводниковых материалов, уменьшения при обработке глубины нарушенного трещиноватого слоя, а также повышения эффективности обработки различных материалов на операциях финишного шлифования и предварительного полирования.

Технический результат обеспечивается за счет улучшения условий обновления режущей поверхности алмазного инструмента в процессе его эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что состав для алмазного инструмента, включающий эпоксидную смолу, отвердитель, алмазный порошок, наполнитель и функциональную добавку, дополнительно содержит полигидридсилоксан, а в качестве функциональной добавки содержит муравьиную кислоту, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
эпоксидная смола - 100
отвердитель - 5-10
алмазный порошок - 0,1-30
наполнитель - 5-80
муравьиная кислота - 1-10
полигидридсилоксан - 0,4-4
Кроме того, в качестве наполнителя использована смесь полирита на основе не менее 70% двуокиси церия размером от 1 до 8 мкм, микрошариков из двуокиси кремния с размерами от 10 до 100 нм, порошка графита и мелкодисперсного металлического порошка.

Применение химического агента вспенивания - полигидридсилоксана позволяет получить пористую газонаполненную массу, то есть массу, содержащую определенное количество пор, заполненных водородом. При этом количество пор, а также их размеры могут быть достаточно строго регламентированы за счет изменения количества агента вспенивания, а также изменения режимов вспенивания массы и режимов полимеризации связующего.

Благодаря наличию большого количества пор, поверхность границы раздела между твердой и газообразной фазой резко возрастают. В связи с этим, при подаче смазочно-охлаждающей жидкости за счет проникновения ее в многочисленные поры и удержания ее там эффект смачивания и охлаждения зоны контакта инструмента и обрабатываемой детали возрастает многократно.

Кроме того, наличие газообразной фазы у алмазосодержащей массы способствует увеличению динамической противоударной прочности материала. Это обеспечивается амортизирующим действием газонаполненного материала, что в свою очередь связано со значительным поглощением энергии при ударном воздействии обрабатываемой детали на пористый инструмент.

Следует подчеркнуть особую роль свободного водорода, появляющегося в зоне резания инструмента при вскрытии наполненных водородом пор.

Как известно, водород является идеальным восстановителем. Взаимодействие водорода в критический момент его выделения ("...in stade nascent...") с различными материалами имеет зачастую определяющую роль. При обработке металлов восстановительные способности водорода препятствуют образованию под действием кислорода окисных труднообрабатываемых пленок. При обработке кремния водород, как восстановитель, связывая кислород, препятствует образованию в контактной зоне двуокиси кремния, и, таким образом, предотвращает рост субмикронных разрушений и микротрещин в монолитной массе кремния. При обработке SiO₂-содержащих материалов, например, синтетического и плавленого кварца и различных типов стекла, присутствие водорода препятствует образованию в контактной зоне пленки геля кремниевой кислоты, трудно поддающейся механическому разрушению. Такое воздействие водорода способствует резкому снижению удельных давлений в зоне обработки и, как следствие, уменьшению нарушенного слоя при обработке материалов.

Существует еще один положительный эффект водородонаполненных пор, находящихся под избыточным давлением. При вскрытии очередной поры происходит микроразрушение участков массы инструмента, прилегающих к образовавшемуся каналу. Это способствует дополнительному эффекту самозатачивания инструмента.

Эффект положительного воздействия свободного водорода в зоне резания алмазного инструмента усиливает присутствие в составе для алмазного инструмента муравьиной кислоты. Как известно, при нагревании муравьиная кислота разлагается с образованием водорода и углекислого газа. Поэтому в зоне резания, где локальная температура значительно превышает температуру разложения муравьиной кислоты, происходит выделение водорода, усиливающего и дополняющего его восстановительные воздействия на обрабатываемый материал. Кроме того, растворяясь в водном растворе смазочно-охлаждающей жидкости, муравьиная кислота способствует взрыхлению и обновлению рабочей поверхности алмазного инструмента.

Следует отметить особую роль наполнителя в предлагаемом составе для алмазного инструмента.

В прототипе роль двуокиси церия отводилась лишь, как вспомогательному абразиву. Однако наличие лишь двуокиси церия в качестве наполнителя или "вспомогательного абразива" (см. прототип) приводит к тому, что алмазный инструмент может работать в режиме самозатачивания лишь при повышенных удельных нагрузках. Это связано со строением частиц двуокиси церия, имеющих пластинчатую структуру. С одной стороны, по мере их износа не происходит отделение крупных частиц наполнителя, способных расцарапать обрабатываемый материал, но, с другой стороны, пластинчатая структура двуокиси церия способствует засаливанию инструмента.

Поэтому использование в составе для алмазного инструмента в качестве наполнителя смеси полирита на основе не менее 70% двуокиси церия, микрошариков из двуокиси кремния с размерами от 10 до 100 нм, графитового порошка и мелкодисперсного металлического порошка позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики инструмента. Это обусловлено следующим. Чередование в наполнителе пластинчатых частиц полирита с размерами от 1 до 8 мкм с микрошариками из двуокиси кремния с размерами от 10 до 100 нм способствует микроразрушению частиц полирита, что препятствует засаливанию инструмента в процессе его эксплуатации. Такое сочетание наполнителя особенно важно при изготовлении алмазного инструмента для финишного шлифования и предварительного полирования с применением алмазных порошков мелкой фракции менее 10 мкм.

Введение в состав наполнителя порошка графита, имеющего пластинчатую структуру, способствует улучшению смазочных свойств алмазного инструмента. Особенно эффективно применение порошка графита в составе наполнителя при изготовлении алмазного инструмента для обработки таких материалов, как высокопрочные керамики, стали и другие материалы.

В связи с тем, что основными составляющими из описанного состава для алмазного инструмента являются органические компоненты с достаточно низкими свойствами теплопроводности, то это вызывает трудности эксплуатации алмазного инструмента при жестких режимах эксплуатации, а именно: при высоких удельных давлениях и высоких скоростях обработки. Поэтому для повышения эксплуатационных свойств алмазного инструмента в состав наполнителя дополнительно введен мелкодисперсный металлическии порошок. Он обеспечивает улучшение теплоотвода из зоны обработки.

Алмазный инструмент в виде таблеток изготавливают следующим образом. В эпоксидную смолу при тщательном перемешивании вводят компоненты в следующей последовательности: алмазный порошок, наполнитель, муравьиную кислоту, полигидридсилоксан и отвердитель. Затем перемешивают массу до получения однородной консистенции. Дают полученной массе выдержку в течение 1-15 минут в зависимости от объема состава и объемного содержания полигидридсилоксана. После этого в строгой дозировке заполняют формы вспененной массой. Выдерживают массу в формах в течение 12-24 часов, после чего извлекают из форм алмазные таблетки. Затем производят термообработку полученных алмазных таблеток при температуре 60-110^oC в течение 0,5-4 часов.

Шлифовальные инструменты, приготовленные с использованием алмазных таблеток описанных составов, были испытаны в лабораторных и промышленных условиях на станке двусторонней обработки марки СДП-100 при обработке различных материалов.

Приведем результаты испытаний алмазного инструмента, изготовленного па основе заявляемого состава, при обработке кремниевых пластин диаметром 100 мм. Шлифовальные инструменты представляют собой металлические планшайбы с наружным диаметром 500 мм и внутренним диаметром 287 мм, на поверхности которых наклеены с помощью двухкомпонентного клея алмазные таблетки диаметром 16 мм и высотой 6 мм по 210 штук на каждой планшайбе. Алмазные таблетки были изготовлены в соответствии с предлагаемым изобретением с использованием заявляемого состава при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
эпоксидная смола - 100
полиэтиленполиамин - 6,5
синтетический алмазный порошок АСМ 3/2 - 3
полирит оптический - 10
микрошарики из двуокиси кремния - 1,5
порошок графита - 1
медный порошок - 2
муравьиная кислота - 5
полигидридсилоксан - 2
Испытания описанного инструмента проводились при следующих режимах обработки:
скорость вращения планшайбы, об/мин - 35
удельное давление, кгс/см² - 0,03
Сравнительные результаты испытаний алмазного инструмента на основе заявляемого состава (N 1) и состава-прототипа (N 2) при обработке кремниевых пластин приведены в таблице. Примечание: ^*При испытаниях алмазного инструмента на основе состава-прототипа было отмечено быстрое засаливание инструмента и появление при обработке глубоких царапин, что совершенно отсутствовало при испытаниях инструмента из заявляемого состава.

Как видно из представленных результатов испытаний, предлагаемый состав для алмазного инструмента имеет серьезные преимущества перед известными составами. Алмазный инструмент с данным составом обеспечивает не только повышение производительности и качества обработки широкого класса материалов, но и позволяет значительно уменьшить глубину нарушенного при обработке слоя. Кроме того, предлагаемый состав можно успешно использовать для алмазного инструмента с очень мелкой зернистостью порошка. Это позволяет использовать связанный алмазный инструмент не только на операциях финишного шлифования, но и предварительного полирования.

Изобретение относится к производству алмазно-абразивного инструмента и может быть использовано в оптико-механической, электронной и других отраслях производства для обработки высокопрочных труднообрабатываемых материалов, например, изделий из сапфира, монокристаллического кварца, различных типов керамики, полупроводниковых материалов, различных типов стекла. Состав включает эпоксидную смолу, отвердитель, алмазный порошок, наполнитель, функциональную добавку и полигидридсилоксан. В качестве функциональной добавки состав содержит муравьиную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. ч.: эпоксидная смола 100, отвердитель 5 - 10, алмазный порошок 0,1 - 30, наполнитель 5 - 80, муравьиная кислота 1 - 10, полигидридсилоксан 0,4 - 4. Кроме того, в качестве наполнителя использована смесь полирита размером 1 - 8 мкм на основе не менее 70% двуокиси церия, микрошариков из двуокиси кремния с размерами 10 - 100 нм, порошка графита и мелкодисперсного металлического порошка. Технический результат выражается в повышении производительности и качества обработки высокопрочных материалов. 1 табл.

Состав для алмазного инструмента, включающий эпоксидную смолу, отвердитель, алмазный порошок, наполнитель и функциональную добавку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит полигидридсилоксан, а в качестве функциональной добавки содержит муравьиную кислоту, при следующем соотношении компонентов, мас.ч. :
Эпоксидная смола - 100
Отвердитель - 5 - 10
Алмазный порошок - 0,1 - 30
Наполнитель - 5 - 80
Муравьиная кислота - 1 - 10
Полигидридсилоксан - 0,4 - 4
при этом в качестве наполнителя состав содержит смесь полирита размером 1 - 8 мкм на основе не менее 70% двуокиси церия, микрошариков из двуокиси кремния с размерами 10 - 100 нм, порошка графита и мелкодисперсного металлического порошка.