粉末冶金超薄金剛石鋸片的試驗研制 *

王娟梅，林育陽，武 宏，楊聰斌，王 興，仝曉楠，高 源

(1.陜西省機械研究院，陜西 咸陽 712000； 2.陜西華夏粉末冶金有限責任公司，陜西 咸陽 712000; 3.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

0 引 言

目前國內在硅板、石英玻璃、半導體和BGA封裝加工行業(yè)[1]，采用的金剛石鋸片厚度一般在0.30 mm左右，其加工工藝是：配料-熱壓成型-雙面磨削-線切割內外圓-成品。雙面預留磨削厚度0.05 mm以上，由于密度不均勻等原因，加工廢品率居高不下。國外鋸片工業(yè)比我國發(fā)展早，由于基礎工業(yè)配套技術較高，所采用的金屬材料和金剛石品質優(yōu)越，整體技術優(yōu)于我國，鋸片厚度控制在0.20 mm左右，但成品厚度在0.10 mm以內的未見報道。隨著超薄金剛石鋸片生產技術的不斷提高，不僅要求鋸片切削性能優(yōu)異，而且要求鋸片厚度控制在0.15 mm左右，這樣可以大大降低鋸片制造成本，同樣可以為客戶節(jié)約大量的原材料成本，并且可以為客戶制造出高附加值的新產品。因此，超薄金剛石鋸片必將成為硅板、石英玻璃、半導體加工領域的發(fā)展趨勢[2-5]。

筆者通過對金剛石鋸片的原材料配方進行調整，并采用粉末冶金技術工藝，經均勻混合、溫模成形、熱壓燒結及后續(xù)精密加工，制備出了超薄金剛石鋸片產品，解決了鋸片成型一次性厚度可以控制在0.12～0.15 mm，實現鋸片厚度成品控制在0.10 mm左右，大大降低鋸片制造成本。

1 超薄金剛石鋸片的技術工藝分析

1.1 產品精度要求

產品的幾何尺寸和精度要求應符合產品圖樣要求，如圖1所示。

圖1 產品尺寸要求

1.2 物理及力學性能要求

文中研制的粉末冶金超薄金剛石鋸片采用快速低溫陶瓷成型劑和改變成型布粉方式，解決鋸片一次性厚度控制在0.12～0.15 mm以內，實現成品厚度在0.10 mm以內。粉末冶金超薄金剛石鋸片主要技術指標如下：

(1) 標準材料抗壓強度：大于350 MPa；

(2) 表觀硬度：大于HRB50；

(3) 材料密度保證：8.05～8.15 g/cm3；

(4) 平行度0.01 mm；平面度0.006 mm；

(5) 形狀尺寸按照圖紙規(guī)定。

通過對超薄金剛石鋸片技術性能指標要求進行研究，金剛石鋸片的材料密度為8.05～8.15 g/cm3，可通過壓制成形工藝進行保證。超薄金剛石鋸片的表面硬度和抗壓強度主要是由材料性能及成形工藝來綜合考慮保證。

1.3 技術難點

在超薄金剛石鋸片的研制過程中需解決以下存在的技術難點。

(1) 快速低溫陶瓷成型劑的選擇及配方是保證一次性成型的關鍵；采用常規(guī)成型劑如液體石蠟、硬脂酸鋅等，毛坯在模腔中能夠成型，但由于毛坯強度過于小，不能從模腔中取出或移動，也就無法實現毛坯零件向熱壓模具中的移動。快速低溫陶瓷成型劑能夠解決這個技術問題。

(2) 特殊成型布粉裝置有效的解決了成型密度不均勻的問題；成型0.12～0.15 mm粉末零件，其裝粉厚度在0.3～0.35 mm，如果粉末分布不均勻，就會造成厚度超差，甚至出現空洞等毛坯缺陷。

(3) 特殊的雙面精磨削工藝。保證0.10 mm以內厚度的成品，既要保證平行度又要保證平面度，平面度保證在0.006 mm以內，才能保證鋸片在工作過程中的平穩(wěn)狀態(tài)和加工零件的質量。

2 超薄金剛石鋸片的研制過程

2.1 生產工藝

此研究提出一種超薄金剛石鋸片的粉末冶金技術工藝制造方法，包括金剛石主材及結合劑材料的選擇、材料混合、模具結構設計、溫模壓制成型、熱壓成型燒結、精密加工等。

2.2 原材料選擇

原材料選擇合金粉末和金屬礦粉球團粘合劑，按質量比(99～98.5%)：(1～1.5%)混合10 min，其中合金粉末包括金剛石粉、銅粉、鎢粉或錫粉，金屬礦粉球團粘合劑包括工業(yè)纖維素或無機水溶劑，工業(yè)纖維素為羥丙基甲基纖維素，無機水溶劑為水玻璃。如表1所列。

表1 方案設計

2.3 混 合

粉末混合是壓制工序生產前的原材料準備，又是粉末冶金零件生產前的第一道工序。混合后粉末混合物各組分之間及粉末與成形劑之間達到均勻的分布，以利壓制和燒結時狀態(tài)均勻一致[6-7]。文中采用金剛石合金粉末和金屬礦粉球團粘合劑直接混合的方式。準備混料前先對各種原料粉末按配比進行精確稱量，之后將稱量好的原料粉在V型混料機中進行混粉?；炝戏绞饺鐖D2所示。

圖2 V型混料機中混合料的流動方式

2.4 溫壓成型

超薄金剛石鋸片的尺寸精度主要靠模具來保證。因此，壓制成形模具的設計對于壓坯后續(xù)精度控制非常重要。模具設計過程中需要根據工藝過程中各尺寸變化規(guī)律，精確計算進行模具設計。溫壓成型是粉末冶金超薄金剛石鋸片成型的關鍵工序，確保鋸片厚度達到0.12～0.15 mm之間。具體工藝參數如表2所列。

表2 溫壓成型參數

將經過三級過篩之后的混合料在粉末冶金四柱液壓機上，如圖3所示，按表2所列設置80～85 ℃模具加熱溫度進行壓制成型(溫模壓制過程中只對模具進行加熱到設定溫度，粉料不加熱)。

圖3 四柱液壓機

2.5 熱壓成型燒結工藝

熱壓成型主要是利用加熱加工模具后，以壓力將模型固定于加熱板，控制熱壓溫度及時間，以達融化后硬化、冷卻，再予以取出模型成品即可。熱壓成型是確保確保超薄金剛石鋸片機械性能和切削性能的關鍵工藝過程。具體工藝參數如表3所列。

熱壓成型設備為自控熱壓機，如圖4所示。按表3所列參數進行壓制燒結。

表3 熱壓成型參數

圖4 自控熱壓機

2.6 機械加工

按照產品設計要求，對燒結后的產品進行幾何尺寸、表面平行度和平面度進行精加工，使產品達到設計尺寸、平行度和平面度要求。

3 綜合性能檢測

將采用3種方案進行配料、溫壓成型、熱壓燒結及精密加工后的粉末冶金超薄金剛石鋸片進行綜合性能檢測。檢驗的項目有：抗壓強度、表面硬度、整體密度、平行度、平面度等。抗壓強度采用萬能材料試驗機進行測試，表面硬度測試采用洛氏硬度計進行測量，密度采用密度測試儀進行檢測，平行度和平面度采用三坐標測試儀進行檢測。3組試樣性能檢測結果如表4所列。

表4可以看出3種方案制備的粉末冶金超薄金剛石鋸片性能檢測參數完全滿足零件設計性能指標要求。研制的粉末冶金超薄金剛石鋸片按技術尺寸要求進行可靠性試驗，試驗結果表明，超薄金剛石鋸片達到了其技術尺寸要求，使用性能可靠。

表4 三種方案產品性能檢測結果

4 結 論

(1) 對粉末冶金超薄金剛石鋸片材料配方進行了研究，采用粉末冶金技術工藝，經均勻混合、溫模成形、熱壓燒結及后續(xù)精密加工，制備出了合格的超薄金剛石鋸片產品。

(2) 制備的超薄金剛石鋸片，材料抗壓強度大于350 MPa，表觀硬度大于HRB50，材料密度為8.05～8.15 g/cm3，平行度小于0.01 mm，平面度小于0.006 mm。因此，3種方案制備的粉末冶金超薄金剛石鋸片性能檢測參數完全滿足零件設計性能指標要求。

(3) 超薄金剛石鋸片采用快速低溫陶瓷成型劑和特殊成型布粉方式，解決了鋸片成型一次性厚度可以控制在0.12～0.15 mm，從而實現鋸片厚度成品控制在0.10 mm左右，大大降低鋸片制造成本。

(4) 超薄金剛石鋸片的研制過程是成功的。試制的產品完全滿足用戶要求,屬國內領先地位。經過小批量生產，粉末冶金超薄金剛石鋸片在技術和工藝上是成熟和穩(wěn)定的，在質量控制方面積累了大量經驗，為大批量生產奠定了良好的基礎，并具有廣闊的市場發(fā)展前景。