摘要
与单晶金刚石相比，纳米聚晶金刚石（Nano-polycrystallinediamond,NPD）具有更高的硬度、韧性以及更好的耐磨性，是应用于超精密切削加工的新型金刚石刀具材料。目前主要采用机械抛光的方法制备金刚石刀具。NPD材料虽然内部无粘结剂，由金刚石纳米颗粒直接结合，但其晶粒间界面强度低于晶粒内部的特性使得NPD刀具在机械抛光中出现严重的晶粒脱落现象，从而导致刀具的制造质量很难满足超精密加工的要求。针对以上问题本文提出使用游离磨粒对NPD刀具进行化学机械抛光的研究思路，主要研究内容如下： 对NPD刀具机械抛光过程及抛光质量进行分析，发现限制NPD刀具锋利度的主要因素是切削刃区域持续发生的晶粒脱落。为抑制切削刃区域晶粒脱落，本文使用软磨粒和浸湿玻璃盘对NPD刀具进行化学机械抛光。通过正交实验调配出具备切削刃区域晶粒脱落抑制能力的两组抛光液，并用其对NPD刀具进行对比抛光实验。实验表明调配的两组抛光液均可以抛光出钝圆半径50nm左右的锋利切削刃，此外化学机械抛光后的切削刃质量非常均匀，且抛光过程中没有观察到明显的晶粒脱落现象。高锰酸钾抛光液可以获得更高的材料去除率。 为进一步减小NPD刀具切削刃钝圆半径、提高抛光效率，对抛光液配比以及抛光参数进行优化。通过单因素实验选取了抛光效果较好的抛光液配比和工艺参数。使用优选的抛光液配比以及工艺参数对NPD刀具进行化学机械抛光，刀具前刀面质量明显改善、材料去除率得到提高，切削刃钝圆半径从50nm减小至约30nm。 为高锰酸钾抛光液在NPD刀具化学机械抛光过程中的材料去除机理，探明其较于芬顿试剂更具优越性的原因，使用X射线光电子能谱仪分析NPD材料抛光表层、亚表层元素组成与离子状态。发现当抛光液中使用金刚石磨粒时，NPD表层材料主要以微切削、微破碎的形式被去除。当抛光液中使用氧化铝等软磨粒时，一部分NPD表层材料在磨粒与氧化剂作用下迅速石墨化，继而在软磨粒划擦作用下被去除，另一部分NPD表层材料被氧化剂氧化为更软的变质层，然后在软磨粒划擦作用下被去除。
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