机械加工无机非金属工件的方法.pdf

机械加工工件的方法，包括在固定磨料构件和工件之间应用流体，随后该固定磨料构件和该工件相对于彼此移动。该流体包含防阻塞剂，所述防阻塞剂含有含磷的有机化学物质。

1.  机械加工工件的方法：
在固定磨料构件和工件之间应用流体，所述工件主要由玻璃、玻璃-陶瓷、或陶瓷成分形成，所述流体含有防阻塞剂，所述防阻塞剂包括含磷的有机化学物质；以及
使所述固定磨料构件和所述工件相对于彼此移动，以便从所述工件上去除材料。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述含磷的有机化学物质具有选自膦酸酯、磷酸酯、磷酰胺、膦酰胺、硫代磷酸酯、硫代膦酸酯、和亚磷酸酯的官能团。

3.  如权利要求2所述的方法，其中所述官能团包括膦酸酯。

4.  如权利要求3所述的方法，其中所述膦酸酯选自甘氨酸-N，N-二(GDMP)、氨基三(ATMP)、N-2羟乙基-二(HEMPA)、乙二胺四(EDTMPA)、亚己基二胺四、二亚乙基三胺五、膦酰甲酸盐、羟基膦酰乙酸(HPA)、2-膦酰基丁烷-1，2，4-三羧酸(PBTC)、1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)及其盐。

5.  如权利要求4所述的方法，其中所述膦酸酯包括1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)及其盐。

6.  如权利要求1所述的方法，其中机械加工包括研磨。

7.  如权利要求6所述的方法，其中固定磨料包括磨料粒，所述磨料粒具有在大约1.5微米到50微米范围内的中值粒度。

8.  如权利要求1所述的方法，其中机械加工包括抛光。

9.  如权利要求8所述的方法，其中固定磨料包括磨料粒，所述磨料粒具有在大约0.01微米到1.5微米范围内的中值粒度。

10.  如权利要求1所述的方法，其中所述流体包含润滑成分，所述润滑成分选自：1)非离子官能化学物质，其包括醇、硫醇、酯、酰胺、胺、氧化胺、或酰亚胺及其衍生物，2)阴离子官能化学物质，其包括磷酸盐、膦酸盐、硫酸盐、磺酸盐或羧酸盐及其衍生物，3)阳离子官能化学物质，例如季胺或胺盐和其衍生物，和4)两性官能化学物质，其包括丙酸盐、甜菜碱、甘氨酸或磺基甜菜碱和其衍生物。

11.  如权利要求1所述的方法，其中所述润滑成分选自所述的1)非离子官能化学物质和2)阴离子官能化学物质。

12.  如权利要求1所述的方法，其中所述润滑成分包括非离子官能化学物质，所述非离子官能化学物质选自醇、硫醇、酯、酰胺、胺、氧化胺、或酰亚胺和其衍生物。

13.  如权利要求1所述的方法，其中所述固定磨料构件包括砂带或粘结磨料。

14.  如权利要求13所述的方法，其中所述固定磨料包括砂带，所述砂带包括背衬基底，所述背衬基底具有通过粘结剂系统粘结到其上的磨料粒。

15.  如权利要求13所述的方法，其中所述固定磨料包括粘结磨料，所述粘结磨料包含通过粘结剂系统粘结在一起的磨料粒。

16.  如权利要求13所述的方法，其中所述固定磨料包括固定磨料粒，所述固定磨料粒选自金刚石、碳化硼、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化铈、氧化铬、氧化铁、以及它们的复合材料。

17.  如权利要求1所述的方法，其中所述工件主要由玻璃、陶瓷、或玻璃-陶瓷复合材料组成。

18.  如权利要求17所述的方法，其中所述工件主要由玻璃组成。

19.  如权利要求18所述的方法，其中所述工件主要由二氧化硅基玻璃组成。

20.  如权利要求1所述的方法，其中所述工件主要包含陶瓷成分。

21.  如权利要求1所述的方法，其中移动包括将所述工件保持在固定的位置以及相对于所述工件移动固定磨料。

22.  如权利要求21所述的方法，其中所述固定磨料相对于所述工件旋转。

23.  如权利要求1所述的方法，其中移动包括将固定磨料保持在固定的位置以及移动所述工件。

24.  机械加工玻璃工件的方法：
在固定磨料构件和玻璃工件之间应用流体，所述流体含有防阻塞剂，所述防阻塞剂包含具有膦酸酯官能团的有机化学物质；以及
使所述固定磨料构件和所述玻璃工件相对于彼此移动，以便从所述工件上去除材料。

25.  如权利要求1所述的方法，其中所述防阻塞剂包括1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)及其盐。

26.  如权利要求24所述的方法，其中所述玻璃工件主要由二氧化硅基玻璃组成。

27.  机械加工玻璃工件的方法：
在固定磨料构件和玻璃工件之间应用非磨料研磨流体，所述研磨流体包含防阻塞剂和润滑成分，所述防阻塞剂包含具有膦酸酯官能团的有机化学物质，以及所述润滑成分选自：1)非离子官能化学物质，2)阴离子官能化物质，3)阳离子官能化学物质，和4)两性官能化学物质；以及
使所述固定磨料构件和所述玻璃工件相对于彼此移动，以便从所述工件上去除材料。

机械加工无机非金属工件的方法
技术领域
【0001】本发明一般涉及机械加工工件的方法，以及在机械加工作业过程中使用的流体。
背景技术
【0002】机械加工作业——广泛地包括磨削、研磨和抛光操作，遍及各种工厂被广泛地使用，以便得到所需的表面光洁度和使部件成形。机械加工作业被广泛地用在非金属无机构件例如玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷构件的情况中，所述玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷构件在很多种最终用途中被应用。例如，玻璃和玻璃-陶瓷构件在商业和住宅应用中被广泛用作建筑材料。而且，玻璃材料被广泛地用于电子封装、光学应用和太阳能应用中，以及在照明和建筑应用中作为高级材料使用，而且日益增加地被用作平板显示器。
【0003】玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷的苛求应用所寄予的各种设计要求进一步强调了对精密机械加工作业的需求，由于不希望的刮痕、蚀损斑、擦伤或其它表面缺陷机理，所述精密机械加工作业理想地以高材料移除速率以及受控的或最小化的表面缺陷为特征。
【0004】具体地，在平面工件制备的情况下，研磨和抛光操作被广泛地使用，其引入对固定磨料的应用，其中该磨料粒被固定在适当的位置。这里，固定磨料通常被限定为两种类型磨料构件——粘结磨料构件或砂带(coated abrasive)构件之一。砂带通常具有与磨料粒粘结的柔性背衬，而粘结磨料通常由磨料粒组成，所述磨料粒例如通过形成粒间粘结相的基质被粘结在一起。这样的固定磨料应该与自由磨料或磨料浆形成对照，在磨料浆中磨料粒一般是松散的，通常是流体悬浮液，例如水悬浮液。固定磨料在机械加工作业过程中提供多种优点，包括潜在提高的平面度和改进的过程控制。但是在本领域中，特别是在玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷构件的情况中对使用固定磨料构件的改进的机械加工作业持续存在需要。
发明内容
【0005】根据本发明的第一方面，提供机械加工工件的方法，其中流体被应用在固定磨料构件和工件之间，并且该固定磨料构件和工件相对于彼此而移动，以便从工件上去除材料。根据具体的特征，该工件主要由玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷成分形成，并且该流体包括防阻塞剂。该防阻塞剂由含磷有机化学物质组成。
【0006】根据另一个实施方式，提供机械加工玻璃工件的方法，其中流体被提供在固定磨料构件和玻璃工件之间，并且该固定磨料构件和玻璃工件相对于彼此被平移，以便从该工件上去除材料。防阻塞剂可以由具有膦酸酯官能团的有机化学物质组成。
【0007】根据本发明的又一个方面，提供机械加工玻璃工件的方法，其中非磨料研磨流体被提供在固定磨料构件和玻璃工件之间，并且该固定磨料构件和玻璃工件相对于彼此被移动。该研磨流体通常包含防阻塞剂和润滑成分，该防阻塞剂包含具有膦酸酯官能团的有机化学物质以及润滑成分，所述润滑成分选自非离子官能化学物质、阴离子官能化学物质、阳离子官能化学物质和两性官能化学物质。
具体实施方式
【0008】根据本发明的一个方面，提供机械加工工件的方法，其始于在固定磨料构件和工件之间应用流体。通常，固定磨料构件如上所述被定义，也就是说，其中磨料粒被固定在适当位置的构件通常相对于彼此被固定在适当的位置(粘结磨料)，或相对于彼此和相对于背衬部件被固定在适当的位置(砂带)。固定磨料的实际构造可以依据应用而广泛地变化。例如，砂带可以利用纸、布、缝编布、非制造和织造材料、纤维或薄膜背衬，以及砂带可以采用几种不同的几何形状，包括带、圆盘、薄片、夹层式套管(interlined sleeve)、卷、百叶轮(flap disc)、翼片砂轮和其它几何构造。另一个方面，粘结磨料典型的形式是固体的整体结构，例如形式为砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、蝶形砂轮、扇形体、圆锥轮、悬挂式砂轮和点状物、砖形物和棍状物。该粘结磨料构件的粘结基质可以是玻璃相的形式，例如陶瓷结合剂，或可替代地，可以是树脂结合剂的形式，或其组合的形式。
【0009】而且，在砂轮的具体情况下，该固定磨料可以是工程磨料的形式，其通常具有凸起表面特征图案，例如以金字塔、隆起、背脊或其它表面特征的形式。
转到该工件，通常本发明的方面限于非金属的无机材料，例如玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷成分。在上述这些材料中，依据本发明的一些实施方式，具有明显玻璃相的那些成分诸如玻璃和玻璃-陶瓷复合材料被机械加工，并且确实，该工件通常基本上可由玻璃组成，也就是说，其不含有实质影响其机械加工性的其它非无定形种类。关于玻璃工件，该玻璃可以是二氧化硅基的，具有二氧化硅微结构构架。二氧化硅基玻璃的具体种类包括含显著含量的B₂O₃以及任选地含其它氧化物诸如Na₂O/K₂O和Al₂O₃的硼硅酸盐玻璃。其它种类包括碱石灰玻璃，其含有显著含量的Na₂O、CaO、MgO和Al₂O₃。
【0010】该工件的实际几何构造可以变化，例如处于凸起或凹入轮廓的形式，包括管道、光学纤维和其它构造。通常，该工件的至少一个主表面是平面的，并且该表面可以经历如本文所描述的机械加工作业。工件可以是显微光刻部件的形式，例如碱石灰玻璃或I-线玻璃、熔融石英和氟化钙、晶片切割基板(wafer blank substrates)、激光窗和其它形式。该工件还可以是平面玻璃的形式，例如在商业和住宅建设工业中使用，以及可以广泛地包括玻璃-陶瓷成分。其它常用的工件包括用于光学设备的玻璃成分，例如，范围涉及干扰滤波器到平行平面工件和仪表玻璃。
【0011】固定磨料粒的组成可以改变，其包括氧化铝、氧化锆、氧化铈、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、石榴石、立方氮化硼、金刚石和被使用的任何其它常用磨料，以及其它物质。本发明的实施方式使用特别具有侵蚀性的磨料，并在这些情况中展示其高效性，例如利用金刚石磨料、碳化物磨料如碳化硼(包括立方碳化硼)和碳化硅以及石榴石的情况。
【0012】而且，固定磨粒的中值粒度可以是小的，例如在大约0.01微米到大约1.5微米的范围内，典型地，在稍微更窄的范围内，例如在大约0.1到1.0微米例如0.10到0.50微米的范围内。在1微米以下的中值粒度规格通常表示抛光过程，在该过程中通过以低材料去除速率进行加工操作而提供高级表面光洁度。但是，根据其它实施方式，固定磨料的中值粒度可以更高，高于1微米，例如在2到50微米或2到10微米的级别。在这种情况下，典型地，该机械加工操作以研磨操作为特征。
【0013】根据各种实施方式，机械加工工件的方法继续在该固定磨料构件和该工件之间应用流体，随后固定磨料构件和工件相对于彼此移动，以从工件上去除材料。在这个方面，固定磨料可以保持固定而工件移动，工件可以保持固定而固定磨料构件移动，或可替代地，固定磨料构件和工件两者都被移动。移动可以沿着不同的路径例如线性移动来进行，如在固定的工件上移动闭环砂布带的情况，移动可以是旋转的，如旋转砂轮片或砂轮的情况，或者移动可以是旋转和轨道的结合，如旋转固定磨料构件的情况，其中工件或固定磨料构件围绕着中心轴绕轨道移动。
【0014】根据具体的特征，该流体含有防阻塞剂，该防阻塞剂通常包含含磷有机化学物质。含磷有机化学物质可以具有选自膦酸酯、磷酸酯、磷酰胺、膦酰胺(phosphonamide)、硫代磷酸酯、硫代膦酸酯、和亚磷酸酯的官能团。根据具体的实施方式，该官能团是膦酸酯。例如，膦酸酯可以选自甘氨酸-N，N-二(GDMP)、氨基三(ATMP)、N-2羟乙基-二(HEMPA)、乙二胺四(EDTMPA)、亚己基二胺四、二亚乙基三胺五、膦酰甲酸盐、羟基膦酰乙酸(HPA)、2-膦酰基丁烷-1，2，4-三羧酸(PBTC)、1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)及其盐。根据本文所描述的具体加工实施方式，该防阻塞剂至少包括HEDP。
【0015】根据另一种特征，该流体还可以包括润滑成分，该润滑成分选自：1)非离子官能化学物质，包括醇、硫醇、酯、酰胺、胺、氧化胺、或酰亚胺及其衍生物，2)阴离子官能化学物质，包括磷酸盐、膦酸盐、硫酸盐、磺酸盐或羧酸盐及其衍生物，3)阳离子官能化学物质，例如季胺或胺盐和其衍生物，和4)两性官能化学物质，包括丙酸盐、甜菜碱、甘氨酸或磺基甜菜碱和其衍生物。
【0016】典型地，该润滑成分选自非离子和阴离子官能化学物质，以及在非离子化学物质的情况中，可以选自醇、硫醇、酯、酰亚胺、酰胺、酰亚胺和其衍生物。
【0017】该流体优选地使用水作为载体溶剂，但是其它适合的溶剂，例如乙二醇、醇和碳酸盐可以被使用。在溶剂使用方面主要的考虑因素是该溶剂溶解防阻塞剂和润滑成分的能力。在将来自固定磨料构件的碎片溶剂化和输送的过程中，该溶剂也对防阻塞剂起协助作用。该防阻塞剂的具体浓度在0.001％w/w与10％w/w之间，例如0.1％w/w与1.0％w/w之间(w/w＝防阻塞剂的重量/流体的重量)。相似地，该润滑成分典型地在0.01％w/w与49％w/w之间的浓度使用。该溶剂浓度被认为是达到100％w/w浓度的余量。在一些实施方式中，当使用乙二醇作为达到100％w/w浓度的余量时，溶剂和润滑成分被认为是相同的。可用的pH值——氢离子浓度的负对数，在1.0到14.0的范围内，对于一些流体而言，具体的pH范围在7.0到13.0之间。在流体pH超过溶解在水中的防阻塞剂pH的情况下，使用碱以得到希望的pH。对于本发明的目的，碱被考虑路易斯碱或能够提供电子密度的任何化学物质。适合碱的实施例包括氢氧化钠、氨或乙醇胺，但是许多其它碱是可接受的。优选的碱是氢氧化钾。
【0018】实施例
组合物A
0.175％1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)
0.125％氢氧化钾(KOH)
99.700％水
pH＝7.0
组合物B
0.175％1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)
0.185％氢氧化钾(KOH)
0.100％Ucon 50-HB-660
99.540％水
pH＝11.0
组合物C
0.175％1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)
0.185％氢氧化钾(KOH)
0.200％Tomah AO-405
99.440％水
pH＝11.0
组合物D
0.175％1-羟基次乙基-1，1′-二膦酸(HEDP)
0.125％氢氧化钾(KOH)
0.220％Acusol 445
99.480％水
pH＝7.0
【0019】测试设备是用固定磨料垫装备的生产大小的双面研磨机(Speedfam 16B)。仅仅使用水和冷却液作为载体流体进行比较研磨试验，而对应于如上所述的本发明实施方式的实施例结合上面所提到的实施例引入含磷有机化学物质，特别是HEDP。加工针对的是各种类型的光学玻璃并且目的是在抛光步骤之前快速去除材料。
【0020】在比较研磨试验中，在一个或两个生产周期之后，磨料垫将加载来自研磨的碎片，并且将发生两件事情：1)平面度将下降；2)材料去除将明显地下降，因为该磨料被暴露得过少。相反，HEDP添加剂改进材料去除性能并保持高达一周的研磨。此外，发现在润滑剂被省去的情况下，HEDP加入仅仅与水有效。
【0021】根据本文的实施方式，申请人已经发现，在如上所述的工件的具体固定磨料加工应用的情况中，使用掺入防阻塞剂的机械加工流体对机械加工性能具有显著的影响。例如，在机械加工工业中通常熟知的是，在机械加工操作情况中，使用固定磨料，任选地使用流体添加剂，以帮助材料的去除和金属屑的去除。此外，通常应当理解，在一些机械加工操作中，期望使用与进行机械加工的工件具有化学相互作用的化学品种，以帮助材料去除以及任选地帮助工件平面化，如使用松散磨料的CMP操作的情况。相反，根据本发明的实施方式，已经发现在固定磨料机械加工操作中，使用如上所述的特定防阻塞剂对防止固定磨料阻塞具有显著的影响。
【0022】在机械加工硼硅酸盐玻璃的具体情况下，在研磨操作中已经使用固定金刚石垫，例如3M Trizact垫。但是，在机械加工期间，这样的垫时常被从工件(基底)上移除的材料完全装载或阻塞，有时仅在两个至三个周期内就发生。这类阻塞具有显著的负面影响，诸如不利地影响工件的平面度。为了解决阻塞和装载问题，垫可以用陶瓷成分覆盖，例如氧化铝覆盖垫，以去除阻塞物质。但是，由于在覆盖应用的情况下它们主要被消耗的事实，这样的覆盖垫通常迅速磨损并且购买昂贵。即使当与本领域润滑流体——诸如上面所描述的那些，包括例如Saberlube 9016——情况结合使用时，申请人已经注意到这种垫的大量阻塞。
【0023】在硼硅酸盐玻璃加工操作的情况中，已经发现掺入防阻塞剂大大地改进了在清理操作之间的机械加工时间。确实，发现机械加工可以被操作整周而无需清理，其代表比每天具有相同数量周期的本领域状况具有90％的改进。
【0024】尽管官能化学物质如膦酸酯官能化学物质已经被用在使用自由磨料浆以帮助材料去除的机械加工操作情况中，本发明的方面在固定磨料机械加工的情况下利用防阻塞现象。与固定磨料机械加工的这类组合显著地提高了无机非金属工件例如玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷的可加工性。
【0025】尽管本发明的实施方式已经以膦酸酯基防阻塞剂及掺入其的组合物予以示例说明和描述，但是本发明并不意欲限于所显示的细节，因为可以做出各种修改和替代，而不以任何方式脱离本发明的范围。例如，可以提供附加的或等价的替代物以及可以应用附加的或等价的生产步骤。照此而言，本领域技术人员仅利用常规试验就可以想到本文所公开的发明的进一步的修改和相等物，并且所有这样的修改和等价物被认为是在由所附权利要求所限定的本发明范围中。