專利名稱：基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法
技術領域：
本發明屬于超精密切削加工技術領域，特別涉及一種天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法。
背景技術：
天然金剛石刀具以硬度高、耐磨損、化學惰性優良而著稱，但對于精度要求嚴格的應用場合，刀具刃口的耐磨損性能還需特殊考慮。而隨著人類逐步深入認識天然金剛石晶體的物理、力學性能，若不考慮冷卻液(氣)、振動輔助、低溫和表面改性等工藝措施，晶體篩選法和晶面優選法被認為是提高刀具刃口耐磨損性能最傳統、且行之有效的方法。為了提高天然金剛石刀具刃口的耐磨損性能，Decker等人提出了 X射線預選晶面的方法，并采用掃描和透射電子顯微鏡對刀具刃口質量進行跟蹤、對比。天然金剛石晶體具有明顯的各向異性特征，采用X射線從不同角度照射晶體表面，會出現不同的X射線衍射圖案，而根據不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。此后不久，袁哲俊等學者提出了近似原理的天然金剛石刀具晶面預選方法，即激光晶體定向方法。Ikawa,Shimada和Yamaguchi等日本學者提出了基于赫茲壓痕實驗并結合紅外吸收(infrared absorption,簡稱 IRA)禾口電子自方寵共振技術(electron spin resonance,簡稱ESR)來篩選天然金剛石晶體，從而提高刀具刃口輪廓的穩定性。他們認為，天然金剛石晶體的IRA系數和ESR相對強度可在一定程度上體現出晶體內部微量雜質的含量，兩者的數值越低，赫茲壓痕實驗得到的天然金剛石晶體強度就越高，相應的刀具刃口越耐磨損。與此篩選原理類似，目前已出現基于X射線熒光光譜分析技術的天然金剛石晶體篩選方法。袁哲俊等學者則提出了基于摩擦因數的晶面優選法。他們通過采樣分析天然金剛石晶體不同晶面與有色金屬間的摩擦因數，認為把摩擦因數越小的晶面定向為天然金剛石刀具的前后刀面，就越能提高刀具的耐磨損性能。此外，基于X射線、激光預選晶面方法，不少學者又提出了采用切削實驗的逆向優選晶面方法。他們先用X射線或激光定向法選擇前后刀面具有不同晶面組合的天然金剛石刀具，然后通過大量切削實驗對比分析刀具刃口磨損數據，由實驗數據篩選出完美刃口保持最長的晶面組合。但是近年來，隨著尖端科學技術的迅猛發展，技術指標的不斷攀升已反過來對天然金剛石刀具刃口的耐磨損性能提出了更苛刻的要求，而傳統的晶體篩選法和晶面優選法已不能完全滿足技術要求。因此，為了適應尖端科學技術的發展趨勢，在晶體篩選法和晶面優選法的基礎上，進一步提高金剛石刀具刃口耐磨損性能已成為亟需解決的技術難題。針對上述全新的應用需求，有學者從天然金剛石刀具刃磨工藝環節考慮，提出了刀具表層工藝損傷層消除方法。如美國學者Frederick等人提出了化學拋光方法制備高精度天然金剛石刀具。該方法采用真空等離子物理氣相沉積工藝在研磨盤表面沉積上氧化硅鍍層，然后把天然金剛石刀具直接置于氧化硅鍍層上進行刃磨。刃磨過程中，摩擦生熱致天然金剛石刀具表面碳原子活化，并在氧化硅鍍層作用下發生氧化，生成CO或(X)2后由真空泵抽出。使用該工藝可獲取較完美的刀具刃口。日本學者Haisma則又提出了無損傷機械化學拋光法。此工藝需先在NaOH溶液中加入金剛石微磨粒和納米硅土粉，通過強靜電作用使硅土粉吸附在金剛石微磨粒上，蒸干處理后把它們涂覆于鑄鐵研磨盤，即可對天然金剛石刀具進行加工。該工藝利用納米硅土粉與刀具表面碳原子發生化學反應，反應層則在金剛石磨粒的微切作用下被去除。上述兩種方法可在一定程度上緩解天然金剛石刀具的刃磨損傷層問題。日本學者Furushiro等人提出了大氣條件下的銅盤拋光方法，即用機械刃磨工藝預先加工出天然金剛石刀具成品，然后繼續在加溫銅盤的光潔表面進行拋光。他們認為，該后置拋光方法利用化學氧化原理，可有效去除機械刃磨工藝導入刀具表面的損傷層，減少微裂紋等缺陷。實踐證明，該方法有效解決了大尺寸微結構模輥超精密切削加工中的微圓弧、尖刃金剛石刀具刃口耐磨損性能不足的關鍵技術難題。但是，化學拋光方法和無損傷機械化學拋光方法的工藝復雜，對磨料制備工藝的穩定性要求高，因此生產成本較高。大氣環境下的銅盤拋光方法雖然工藝簡單，但要預先拋光銅盤獲得超光滑表面，因此整體加工效率低。綜上所述，為了克服上述技術方法的工藝復雜和加工效率低的不足，本發明提出了基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，該方法作為機械刃磨工藝的后置處理方法，可有效去除或修復機械刃磨工藝環節導入刀具表面的損傷層，使刀具表面微硬度和彈性模量等力學參數接近固有值，從而提高刀具刃口的耐磨損性能。實現上述目的的技術方案是
一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，所述的方法由下述步驟實現
步驟一，采用機械刃磨工藝方法刃磨天然金剛石刀具的表面，使得所述的天然金剛石刀具形成鋒利的刀刃，然后用丙酮超聲將天然金剛石刀具表面清洗干凈；
步驟二，選用球狀外形的納米氧化銅粉末，并取2-5g所述的納米氧化銅粉末置于金屬銅器皿中，然后把天然金剛石刀具的刀頭置于金屬銅器皿內的納米氧化銅粉末上，同時向天然金剛石刀具的刀柄上面施加138g的配重塊，所述的納米氧化銅粉末的粒徑< IOOnm ； 步驟三，把盛有納米氧化銅粉末的金屬銅器皿、天然金剛石刀具和配重塊一起放到真空熱處理爐內的工作臺上，用調高度的支撐體調整天然金剛石刀具的刀柄，使天然金剛石刀具處于水平狀態；然后關上爐門進行熱處理，熱處理工藝參數為溫升率為15-20°C / min，最高溫度為200士5°C，且在最高溫度下保持恒溫120min，爐內工作真空度為 5X10_3-5X10_2Pa，自然冷卻至室溫，但要求爐溫高于150°C時保持爐內工作真空度在上述限定的范圍內；
步驟四，完成熱處理后取出天然金剛石刀具，并用丙酮把該天然金剛石刀具的表面擦拭干凈。本發明的效果作為機械刃磨工藝的后處理工藝，本發明的化學腐蝕方法借助納米氧化銅的化學活性，在真空高溫的催化作用下，納米氧化銅先對金剛石晶體表層吸附的氫原子進行化學解吸附，然后天然金剛石刀具表層受損碳原子與納米氧化銅發生氧化、還原反應，而氧化生成的氣體由真空泵排出，還原生成的金屬銅既不會催化金剛石晶體發生石墨化，也不會擴散溶解金剛石碳原子。同時表層受損碳原子還可在真空高溫環境下發生退火重組，重新修復回金剛石碳原子結構。總之，在化學解吸附、氧化、還原以及退火重組的耦合作用下，去除機械刃磨工藝導入天然金剛石刀具表面的受損碳原子層6-lOnm，使天然金剛石刀具表面的微硬度和彈性模量恢復到金剛石晶體的固有值，從而提高刀具刃口的耐磨損性能。


圖1為本發明的基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法加工原理圖，真空熱處理爐7內部的箭頭表示輻射加熱，真空熱處理爐7外部的箭頭表示抽真空；
圖2為真空熱處理爐加熱工藝曲線圖，圖中Ll表示預熱階段，L2表示保持工作真空度。
具體實施例方式具體實施方式
一一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法， 所述的方法由下述步驟實現
步驟一，采用機械刃磨工藝方法(專利號ZL 200510010404. X)刃磨天然金剛石刀具1 的表面，使得所述的天然金剛石刀具1形成鋒利的刀刃，然后用丙酮超聲將天然金剛石刀具1表面清洗干凈(不能殘留金剛石磨粒、油質等污染物)；
步驟二，選用球狀外形的納米氧化銅粉末2，并取2-5g所述的納米氧化銅粉末2 (用小勺盛取)置于金屬銅器皿3中，然后把天然金剛石刀具1的刀頭4置于金屬銅器皿3內的納米氧化銅粉末2上，同時向天然金剛石刀具1的刀柄5上面施加138g的配重塊6 (使天然金剛石刀具的刀頭表面與納米氧化銅粉末充分接觸)，所述的納米氧化銅粉末2的粒徑 < IOOnm ；如圖1所示；
步驟三，把盛有納米氧化銅粉末2的金屬銅器皿3、天然金剛石刀具1和配重塊6 —起放到真空熱處理爐7內的工作臺8上，用調高度的支撐體9調整天然金剛石刀具1的刀柄 5，使天然金剛石刀具1處于水平狀態；如圖1所示，然后關上爐門進行熱處理(此時，打開冷卻循環水泵，打開壓縮空氣閥門，開啟真空熱處理爐電源)，熱處理工藝參數為溫升率為 15-200C /min，最高溫度為200士5°C，且在最高溫度下保持恒溫120min，爐內工作真空度為5X10_3-5X10_2Pa，自然冷卻至室溫，但要求爐溫高于150°C時保持爐內工作真空度在上述限定的范圍內；
加熱工藝曲線如圖2所示。真空熱處理爐7內安裝擴散泵和機械泵，確保真空熱處理爐7內工作真空度符合本發明的熱處理工藝參數要求。當爐內溫度降到150°C后，擴散泵停止工作，同時機械泵也在延時半小時后停止工作，然后真空熱處理爐7處于待機狀態。步驟四，完成熱處理后取出天然金剛石刀具1，并用丙酮把該天然金剛石刀具1的表面擦拭干凈。
具體實施方式
二 如圖1所示，具體實施方式
一所述的基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，步驟二，取5g所述的納米氧化銅粉末2置于金屬銅器皿3 中；步驟三中，熱處理工藝參數為溫升率為20°C /min，最高溫度為200°C，且在最高溫度下保持恒溫120min，爐內工作真空度為5X 10_3_5X 10_2!^。上述技術方案的組合帶來的技術效果是經天然金剛石刀具表面的納米壓痕實驗數據顯示在相同的30nm壓痕深度，表面微硬度從50GPa提高到了 59GPa，彈性模量從1150GPa提高到了 1560GPa。
具體實施方式
三如圖1所示，具體實施方式
一或二所述的基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，步驟三中，真空熱處理爐7內位于工作臺8的上、下、 左、右側的內壁上安裝金屬鉬帶，實現整個真空熱處理爐7內的輻射加熱。加工原理金剛石是由碳元素組成的晶體材料，最表層碳原子化學吸附氫原子，所以金剛石晶體的表層原子十分穩定，其化學惰性非常好。但是，當金剛石晶體和一些含有未配對自由電子的金屬材料接觸時，如鐵、鈷、鎳、鈦、釩等，加溫催化下金剛石晶體的表層碳原子會發生石墨化，從晶胞中分離后擴散到金屬材料基體與未配對自由電子發生中和反應，之后瞬間分解、重團聚或形成碳化物。而金、銅、鋁、鋅、硅等不含未配對自由電子的材料，加溫催化下不會使金剛石晶體發生石墨化。受此啟發，若尋找一種不含未配對自由電子的氧化物，在高溫作用下使其與金剛石晶體接觸發生氧化與還原反應，則可實現緩慢腐蝕金剛石晶體表層碳原子的目的。納米氧化銅是一種金屬弱氧化物，具有表面比高、化學活性好等優良特性。在加溫催化條件下，納米氧化銅對金剛石晶體表層氫原子具有較好的化學解吸附能力，由此打開金剛石晶體的碳懸鍵，使其處于亞穩定狀態。同時在真空加熱催化作用下，納米氧化銅與金剛石晶體碳原子又會發生氧化與還原反應，碳原子氧化生成氣體被排出，而由金剛石碳原子置換生成的金屬銅既不會催化金剛石碳原子發生石墨化，也不會使金剛石碳原子發生物理擴散。整個過程涉及的化學反應如下
權利要求
1.一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，其特征是所述的方法由下述步驟實現步驟一，采用機械刃磨工藝方法刃磨天然金剛石刀具(1)的表面，使得所述的天然金剛石刀具(1)形成鋒利的刀刃，然后用丙酮超聲將天然金剛石刀具(1)表面清洗干凈；步驟二，選用球狀外形的納米氧化銅粉末(2)，并取2-5g所述的納米氧化銅粉末(2)置于金屬銅器皿(3)中，然后把天然金剛石刀具(1)的刀頭(4)置于金屬銅器皿(3)內的納米氧化銅粉末(2)上，同時向天然金剛石刀具(1)的刀柄(5)上面施加138g的配重塊(6)，所述的納米氧化銅粉末(2)的粒徑< IOOnm ；步驟三，把盛有納米氧化銅粉末(2)的金屬銅器皿(3)、天然金剛石刀具(1)和配重塊 (6) —起放到真空熱處理爐(7)內的工作臺(8)上，用調高度的支撐體(9)調整天然金剛石刀具(1)的刀柄(5)，使天然金剛石刀具(1)處于水平狀態；然后關上爐門進行熱處理，熱處理工藝參數為溫升率為15-20°C /min，最高溫度為200士5°C，且在最高溫度下保持恒溫 120min，爐內工作真空度為5X 10夂5X 10_2Pa，自然冷卻至室溫，但要求爐溫高于150°C時保持爐內工作真空度在上述限定的范圍內；步驟四，完成熱處理后取出天然金剛石刀具(1 )，并用丙酮把該天然金剛石刀具(1)的表面擦拭干凈。
2.如權利要求1所述的一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法， 其特征是步驟二，取5g所述的納米氧化銅粉末(2)置于金屬銅器皿(3)中；步驟三中，熱處理工藝參數為溫升率為20°C /min，最高溫度為200°C，且在最高溫度下保持恒溫120min，爐內工作真空度為5X 1(Γ3-5Χ l(T2Pa。
3.如權利要求1或2所述的一種基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法，其特征是步驟三中，真空熱處理爐(7)內位于工作臺(8)的上、下、左、右側的內壁上安裝金屬鉬帶，實現整個真空熱處理爐(7)內的輻射加熱。
全文摘要
基于納米氧化銅的天然金剛石刀具真空熱化學腐蝕方法。屬于超精密切削加工技術領域。可有效去除或修復機械刃磨工藝環節導入刀具表面的損傷層，使刀具表面微硬度和彈性模量等力學參數接近固有值，從而提高刀具刃口耐磨損性能。方法采用機械刃磨工藝方法刃磨天然金剛石刀具的表面，用丙酮超聲清洗干凈；取2-5g納米氧化銅粉末置于金屬銅器皿中，然后把天然金剛石刀具的刀頭置于金屬銅器皿內的納米氧化銅粉末上，同時施加138g配重塊；把盛有納米氧化銅的金屬銅器皿、天然金剛石刀具和配重塊一起放到真空熱處理爐內的工作臺上進行熱處理；完成熱處理后取出天然金剛石刀具，并用丙酮把刀具表面擦拭干凈。本發明用于去除或修復天然金剛石刀具表面的損傷層。
文檔編號C04B41/53GK102531676SQ20121005374
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月3日 優先權日2012年3月3日
發明者孫濤, 宗文俊, 李增強, 胡振江 申請人:哈爾濱工業大學