專利名稱：金剛石膜的固態稀土金屬高速拋光方法
技術領域：
本發明屬于超硬材料拋光技術，特別涉及一種金剛石膜的固態稀土金屬高 速拋光方法。
技術背景金剛石膜是由化學氣相沉積技術沉積的純金剛石多晶膜，具有高的硬度、耐磨性、優良的電絕緣性、導熱性、透光性和聲學特性，被視為21世紀最有發 展前途的新材料，在眾多高新技術領域和國防尖端技術領域展示了很好的應用 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 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，而且由于沉積過程的不均 勻性，金剛石膜表面凹凸不平。因此其工業應用必須經過研磨拋光加工。由亍 金剛石膜硬度極高，傳統的機械研磨拋光方法效率極低。目前國內外開發研究了 一些新的拋光方法，但都存在著許多問題和不足。如激光束掃描拋光效率 較高，但拋光表面質量較低，表面易殘留石墨，難以對大面積金剛石膜進行精 密拋光，只能進行金剛石膜的粗加工，而且難以對曲面金剛石膜進行拋光；離 子束刻蝕拋光表面質量較高，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，不適宜工業化生產，也不適 應曲面金剛石膜的拋光；熱鐵板拋光方法拋光表面質量好、效率較高，但是熱 鐵板拋光采用大功率電阻絲加熱拋光盤到800--900QC，拋光盤溫度高、熱變形 大，拋光必須在真空拋光反應室進行，而且需在真空拋光反應室設置高溫熱絲 活化氫氣形成原子態氫，以清除擴散到拋光盤表面的碳，高溫熱絲的熱輻射使 拋光盤產生的熱變形更加不均勻，雖可用于曲面金剛石膜的拋光，但設備復雜， 拋光成本高；目前開發的稀土金屬刻蝕拋光利用活性稀土金屬(如La、 Ce等) 在液態能夠大量溶解金剛石(碳)而對金剛石膜進行拋光，效率較高，但拋光 表面質量較低，液態稀土金屬容易對金剛石膜邊緣產生過蝕，拋光時必須在真 空拋光反應室進行，因此該技術多用于金剛石膜的粗加工和金剛石膜的快速減 薄，不適應曲面金剛石膜的拋光。發明內容本發明的目的是針對目前開發的液態稀土金屬刻蝕拋光方法只能在真空拋 光反應室進行，液態稀土金屬容易對金剛石膜邊緣產生過蝕，且不適應曲面金 剛石膜的拋光等問題，提供一種不需在真空拋光反應室進行，結構簡單、拋光 質量好、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稀土金屬高速拋光方法。采用的技術方案是金剛石膜的固態稀土金屬高速拋光方法，拋光盤為固態稀土金屬拋光盤(或 拋光研具)，由拋光盤(或拋光研具)與金剛石膜的相對運動而產生的摩擦熱， 在金剛石膜和固態稀土金屬拋光盤(或拋光研具)接觸界面形成熱化學反應環 境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，'實現對金剛石膜的拋光目的。拋 光過程在一般大氣環境下進行。具體包括以下三種方法。1) 拋光平板類金剛石膜，拋光時，圓盤形固態稀土金屬拋光盤在驅動電機 帶動下，以3000r/min—50000r/min的高轉速轉動，金剛石膜由夾具固定，并由 另一驅動電機驅動以10r/min—100r/min的轉速反方向轉動。由拋光盤與金剛石 膜的相對運動而產生的摩擦熱，在金剛石膜和固態稀土金屬拋光盤接觸界面形 成熱化學反應環境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，實現對平板類金 剛石膜的拋光目的。2) 包絡法拋光任意曲面金剛石膜，拋光以球頭固態稀土金屬拋光棒為工具， 固態稀土金屬拋光棒裝夾在高速數控機床主軸頭上，由高速數控機床主軸帶動， 以10000r/min—60000r/min的高轉速轉動。金剛石膜由夾具固定，安裝在數控機 床工作臺上，由數控機床的坐標運動實現拋光棒相對金剛石膜在X、 Y、 Z方向 的三坐標聯動。拋光過程中，由拋光棒與金剛石膜的高速相對運動產生的摩擦 熱，在金剛石膜和球頭固態稀土金屬拋光棒接觸界面形成熱化學反應環境，實 現固態稀土金屬拋光棒對金剛石膜拋光表面凸點碳原子的溶蝕，由球頭固態稀 土金屬拋光棒相對金剛石膜的三坐標聯動，實現對任意曲面金剛石膜的拋光百 的。3) 成型法拋光回轉曲面金剛石膜。拋光工具為固態稀土金屬成型拋光頭， 拋光頭拋光面與回轉曲面金剛石膜被拋光面相吻合，可實現金剛石膜內表面、 外表面拋光，或內外表面同時拋光。固態稀土金屬成型拋光頭在驅動屯機帶動 下，以3000r/min—30000r/min的高轉速轉動，由拋光頭與金剛石膜的相對運動 而產生摩擦熱，同時為改善曲面中心區域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫度不均勻問題，在金剛石膜夾具內部設置輔助加熱裝置。在摩擦熱和輔助 加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化 學反應環境，固態稀土金屬成型拋光頭對金剛石膜拋光表面凸點碳原子產生溶 蝕作用，從而實現對曲面金剛石膜外表面的拋光。 本發明的拋光原理是以固態稀土金屬制成平面拋光盤或回轉曲面拋光研具，拋光盤(或拋光研 具)以高拋光轉速轉動，由拋光盤與金剛石膜的相對運動產生的摩擦熱，在金 剛石膜和固態稀土金屬拋光盤(或拋光研具)接觸界面形成熱化學反應環境， 從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，實現對金剛石膜的拋光目的。本發明具有拋光效率高，拋光質量好、成本低等優點，而且由于拋光過程 中熱化學反應環境僅在金剛石膜和拋光盤接觸表面間形成，拋光盤整體溫度低， 熱變形小，拋光盤不會對金剛石膜邊緣產生過蝕，既可用于平面金剛石膜拋光， 又可用于曲面金剛石膜拋光，拋光過程不需要在真空拋光反應室進行，設備簡 單，工作可靠。


圖1是本發明金剛石膜固態稀土金屬拋光方法示意圖。圖2是本發明金剛石膜固態稀土金屬包絡法拋光示意圖。 圖3是本發明金剛石膜固態稀土金屬成型法拋光示意圖。 1—固態稀土金屬拋光盤；2、 7—金剛石膜夾具；3—金剛石膜；4一球頭固 態稀土金屬拋光棒；5—固態稀土金屬成型拋光頭；6—輔助加熱裝置。
具體實施方式
如圖l所示，結合實例進-一步說明本發明的工作過程。圖1 (a)為拋光平板類金剛石膜的工作示意圖，固態稀土金屬拋光盤1由 電主軸直接驅動，電主軸安裝在床身上。固態稀土金屬拋光盤1以10000r/min 的高轉速轉動，金剛石膜3由夾具2固定，并由另--驅動電機驅動以50 r/min 的轉速反方向轉動，由拋光盤與金剛石膜的相對運動而產生的摩擦熱，在金剛 石膜和固態稀土金屬拋光盤接觸界面形成熱化學反應環境，從而溶蝕金剛石膜 拋光表面凸點碳原子，實現對金剛石膜的拋光目的。圖(b)為包絡法拋光任意曲面金剛石膜工作過程示意圖，拋光以球頭固態 稀土金屬拋光棒4為工具，固態稀土金屬拋光棒4裝夾在高速數控機床主軸頭 上，由高速數控機床主軸帶動，以30000r/min的高轉速轉動。金剛石膜3由夾 具2固定，夾具2安裝在數控機床工作臺上，由數控機床的坐標運動實現拋光棒相對金剛石膜在X、 Y、 Z方向的三坐標聯動。拋光過程中，由拋光棒與金剛 石膜的高速相對運動產生的摩擦熱，在金剛石膜和球頭固態稀土金屬拋光棒接 觸界面形成熱化學反應環境，實現固態稀土金屬拋光棒對金剛石膜拋光表面凸 點碳原子的溶蝕，由球頭固態稀土金屬拋光棒相對金剛石膜的三坐標聯動，實 現對任意曲面金剛石膜的拋光目的。圖(c)為成型法拋光回轉曲面金剛石膜的工作過程示意圖。拋光裝置主要 由金剛石膜夾具、高速回轉成型拋光頭及輔助加熱裝置構成。在拋光曲面金剛 石膜外表面時，金剛石膜3由夾具7固定，固態稀土金屬成型拋光頭5在驅動 電機帶動下，以8000r/min的高轉速轉動，由拋光頭與金剛石膜的相對運動而產 生摩擦熱，同時為改善曲面中心區域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫 度不均勻問題，在金剛石膜夾具7內部設置了輔助加熱裝置6。在摩擦熱和輔助 加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化 學反應環境，固態稀土金屬成型拋光頭對金剛石膜拋光表面凸點碳原子產生溶 蝕作用，從而實現對曲面金剛石膜外表面的拋光。若拋光曲面金剛石膜的內表 面，則需將圖(c)中5換為夾具，7換為固態稀土金屬成型拋光頭。若將5、 7 均換為固態稀土金屬成型拋光頭，兩個拋光頭作轉動方向相反的高速相對運動， 則可同時拋光曲面金剛石膜內外表面。不管是拋光曲面金剛石膜的內表面，還 是同時拋光曲面金剛石膜內外表面，都需設置輔助加熱裝置，以提高拋光曲面 中心區域的溫度，在金剛石膜和固態稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成較為均 勻的熱化學反應環境，保證拋光的均勻性。
權利要求
1、金剛石膜的固態稀土金屬高速拋光方法，其特征是拋光盤為固態稀土金屬拋光盤或拋光研具，由拋光盤或拋光研具與金剛石膜的相對運動而產生的摩擦熱，在金剛石膜和固態稀土金屬拋光盤或拋光研具接觸界面形成熱化學反應環境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，實現對金剛石膜的拋光目的；拋光過程在一般大氣環境下進行；具體包括以下三種方法1)拋光平板類金剛石膜，拋光時，圓盤形固態稀土金屬拋光盤在驅動電機帶動下，以3000r/min-50000r/min的高轉速轉動，金剛石膜由夾具固定，并由另一驅動電機驅動以10r/min-100r/min的轉速反方向轉動；由拋光盤與金剛石膜的相對運動而產生的摩擦熱，在金剛石膜和固態稀土金屬拋光盤接觸界面形成熱化學反應環境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，實現對平板類金剛石膜的拋光目的；2)包絡法拋光任意曲面金剛石膜，拋光以球頭固態稀土金屬拋光棒為工具，固態稀土金屬拋光棒裝夾在高速數控機床主軸頭上，由高速數控機床主軸帶動，以10000r/min-60000r/min的高轉速轉動；金剛石膜由夾具固定，安裝在數控機床工作臺上，由數控機床的坐標運動實現拋光棒相對金剛石膜在X、Y、Z方向的三坐標聯動；拋光過程中，由拋光棒與金剛石膜的高速相對運動產生的摩擦熱，在金剛石膜和球頭固態稀土金屬拋光棒接觸界面形成熱化學反應環境，實現固態稀土金屬拋光棒對金剛石膜拋光表面凸點碳原子的溶蝕，由球頭固態稀土金屬拋光棒相對金剛石膜的三坐標聯動，實現對任意曲面金剛石膜的拋光目的；3)成型法拋光回轉曲面金剛石膜；拋光工具為固態稀土金屬成型拋光頭，拋光頭拋光面與回轉曲面金剛石膜被拋光面相吻合，可實現金剛石膜內表面、外表面拋光，或內外表面同時拋光；固態稀土金屬成型拋光頭在驅動電機帶動下，以3000r/min-30000r/min的高轉速轉動，由拋光頭與金剛石膜的相對運動而產生摩擦熱，同時為改善曲面中心區域由于線速度低，摩擦熱不大，拋光曲面溫度不均勻問題，在金剛石膜夾具內部設置輔助加熱裝置；在摩擦熱和輔助加熱的共同作用下，在金剛石膜和固態稀土金屬成型拋光頭接觸界面形成熱化學反應環境，固態稀土金屬成型拋光頭對金剛石膜拋光表面凸點碳原子產生溶蝕作用，從而實現對曲面金剛石膜外表面的拋光。
全文摘要
金剛石膜的固態稀土金屬高速拋光方法，拋光工具為固態稀土金屬拋光盤(或拋光研具)，由拋光盤(或拋光研具)與金剛石膜的相對運動而產生的摩擦熱，在金剛石膜和固態稀土金屬拋光盤接觸界面形成熱化學反應環境，從而溶蝕金剛石膜拋光表面凸點碳原子，實現對金剛石膜的拋光目的。拋光過程在一般大氣環境下進行。可實現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法和成型法兩種方法，包絡法采用球頭固態稀土金屬拋光棒為拋光工具，成型法采用固態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室進行，結構簡單、拋光質量好、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B24B1/00GK101224551SQ20081001028
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月30日 優先權日2008年1月30日
發明者麗 周, 焦可如, 許立福, 黃樹濤 申請人:沈陽理工大學