陶瓷結合劑研磨盤制備及研磨藍寶石性能研究*

路家斌, 聶小威, 閻秋生, 陳海陽

(1. 廣東工業(yè)大學 機電工程學院, 廣州 510006)

(2. 廣東納諾格萊科技有限公司, 廣東 佛山 528225)

藍寶石單晶具有優(yōu)異的光學、物理、化學性能，被廣泛應用于國防、航空航天、生物醫(yī)學、通信、半導體等領域中，典型應用如紅外光學窗口、整流罩、反射鏡、LED外延襯底材料等[1-2]。但其硬度較高(莫氏硬度為9)，彈性模量和斷裂韌性分別達到380 GPa和3.5 MPa·m1/2，屬于典型的硬脆材料[3-4]。研磨是藍寶石基片主要加工工序之一，目的是去除藍寶石基片表面上前一道切割工序中產(chǎn)生的線切痕和表面變質(zhì)層，為下一道拋光工序提供良好的尺寸、形狀精度及表面質(zhì)量等[5]。目前，常用游離磨料對藍寶石基片表面進行研磨，但由于磨料在研磨液中分散不均勻以及運動狀態(tài)不可控，容易造成工件表面材料去除不均勻，影響工件的表面質(zhì)量以及形面精度，同時研磨液中磨料利用率低，加工效率較低，加工成本較高[6-7]。而固結磨料研磨盤具有研磨加工效率高、精度高、自銳性好、壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點[8]，非常適合用來加工藍寶石這類硬脆材料。

國內(nèi)外學者利用固結金剛石研磨盤或者研磨墊對藍寶石基片研磨做了許多研究。GAO等[9]利用4種不同粒徑的陶瓷結合劑金剛石研磨盤對藍寶石基片進行研磨加工，發(fā)現(xiàn)代號M30/40和M10/20磨料研磨盤以脆性去除材料的方式獲得較高的材料去除率和表面粗糙度，適合用于基片的粗磨加工，而代號M5/10和M2/4磨料研磨盤以延性去除材料的方式獲得較低的材料去除率和表面粗糙度，分別適合基片的半精磨加工和精磨加工。WANG等[10]制備了3種不同類型的親水性樹脂固結金剛石磨料研磨墊，發(fā)現(xiàn)相同粒徑的團聚型金剛石磨料與單晶金剛石磨料相比能獲得較高的材料去除率和較低的表面粗糙度。KIM等[11]對比研究樹脂基金屬研磨盤和樹脂基固結金剛石研磨盤研磨藍寶石基片，發(fā)現(xiàn)二體研磨時的材料去除主要是靠嵌在研磨盤表面的磨粒對工件表面的劃擦作用產(chǎn)生的，故其材料去除率相對較高，但工件表面質(zhì)量會稍差一些。林智富等[12]對比研究了陶瓷、樹脂和陶瓷樹脂復合結合劑金剛石研磨盤研磨藍寶石性能，發(fā)現(xiàn)陶瓷樹脂復合結合劑研磨盤能獲得較高的材料去除率和較低的表面粗糙度，兼顧了加工效率和表面質(zhì)量，并且隨著磨料粒徑的減小，藍寶石基片磨削時其表面材料去除方式從脆性斷裂去除向塑性流動去除轉(zhuǎn)變，藍寶石基片的材料去除率、表面粗糙度和亞表面損傷深度也隨之降低。

為探究同種結合劑不同物理機械性能的固結磨料研磨盤研磨藍寶石基片性能，制備2種不同硬度的陶瓷結合劑金剛石研磨盤，系統(tǒng)研究藍寶石基片研磨時的研磨時間、研磨盤轉(zhuǎn)速、研磨壓力對工件材料去除率、表面粗糙度及表面形貌的影響。

1 陶瓷結合劑金剛石研磨盤制備

1.1 研磨盤制作工藝

陶瓷結合劑固結金剛石研磨盤的制作主要由金剛石磨料丸片制作和研磨盤制作2部分組成，工藝路線如圖1所示，步驟為：

圖1 陶瓷結合劑固結金剛石磨料研磨盤的制作工藝路線

(1)稱量。將制作陶瓷結合劑固結金剛石磨料丸片所需要的各種成分(包括金剛石磨料、陶瓷結合劑、輔助磨料、潤濕劑、造孔劑核桃殼粉等成分)按比例進行稱量。

(2)混合。將按比例稱量好的各種成分(除潤濕劑外)裝入混料桶中，利用混料機將各成分混合均勻，然后180目(0.09 mm)過篩，再加入一定比例的潤濕劑機械攪拌均勻，先后30目(0.60 mm)和80目(0.20 mm)過篩2～3次，再經(jīng)混料機混料1 h，使其成為均勻、松散、無結塊的成形料。

(3)冷壓成形。稱取一定質(zhì)量的成形料放入如圖2a所示的模具中，其結構示意圖如圖2b所示，利用自動壓機在一定壓力下將其壓制成形，形成丸片胚體。

(4)干燥。將壓制好的丸片胚體放入真空干燥箱中，在60 ℃時保溫12 h以上進行干燥。

(5)燒結。將干燥好的丸片胚體放入馬弗爐里面燒結。燒結工藝為：首先，在60 min內(nèi)從室溫加熱至120 ℃，保溫60 min；然后，在420 min內(nèi)從120 ℃加熱至680 ℃，保溫60 min。

(6)研磨盤制作。將修整好的金剛石丸片利用環(huán)氧樹脂黏接在氧化鋁基座上完全固化，再將黑碳化硅(800目，粒徑為18 μm，質(zhì)量分數(shù)為50%)以及環(huán)氧樹脂混合物填充在丸片與丸片之間的空隙中固化。

(7)修整。利用KD15BX精密平面研磨機的修面裝置修整研磨盤表面，再分別利用80目(80～212 μm)和220目(53～75 μm)的氧化鋁油石對研磨盤進行粗修和精修，保證研磨盤的平面精度在±0.01 mm之間，制作好的研磨盤如圖2c所示。

1.2 研磨盤物理機械性能和表面形貌

為提高研磨效率，選用500目(28～34 μm)粒徑的單晶金剛石，陶瓷結合劑為Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系結合劑。制備不同硬度的研磨盤時(S500-1和S500-2)，單晶金剛石磨料質(zhì)量分數(shù)為30%，燒結溫度為680 ℃，燒結時間為600 min。其中，S500-1中沒有加入造孔劑，成形壓力為7 MPa；S500-2中加入造孔劑，成形壓力為5 MPa。

制備的金剛石丸片采用HR 150A洛氏硬度計檢測其硬度，采用AGS-X-50KND電子萬能試驗機檢測其抗彎強度，利用阿基米德排水法檢測其氣孔率。制備的2種陶瓷結合劑金剛石研磨盤的性能具體見表1所示，其表面形貌如圖3所示。從表1可知：S500-1研磨盤的硬度達到81.83 HRF，比S500-2的要高；抗彎強度達到70.67 MPa，比S500-2要高，但氣孔率略小。從圖3可以看出：修整后研磨盤表面略有不同，硬度較大的S500-1研磨盤表面金剛石顆粒較為完整、銳利，表面較為粗糙。硬度較小的S500-2研磨盤表面有許多碎屑，這是其硬度較小，在采用油石修整時結合劑和金剛石顆粒破損導致的。

表 1 陶瓷結合劑金剛石研磨盤機械性能

2 藍寶石基片的研磨試驗

如圖4所示，研磨加工試驗在KD15BX精密平面研磨機上進行，選擇尺寸為φ5.08 cm的C向藍寶石基片為研磨工件，研磨試驗前利用320目(37～44 μm)金剛石研磨盤預研，確保表面特性一致。工件由石蠟粘貼于工件盤上，工件盤每次粘貼3片工件，通過增減配重來改變研磨壓力，冷卻液為去離子水，工件由摩擦力帶動與研磨盤同向轉(zhuǎn)動進行研磨，研磨盤直徑為φ38.00 cm(見圖2 c)。相同工藝參數(shù)試驗重復3次，試驗結果取平均值，具體研磨試驗條件如下：研磨盤種類分別為S500-1、S500-2；研磨時間為15 min；研磨液流量為25 mL/min；轉(zhuǎn)速分別為40、60、80、100 r/min；研磨壓力分別為10.5、18.7、27.0、34.5 kPa。

圖4 研磨試驗裝置

采用Taylor hobson輪廓儀測量研磨后工件表面粗糙度；使用OLS4000激光共聚焦顯微鏡檢測研磨前后工件表面形貌；利用精度為0.001 mm的三豐數(shù)顯千分表測量工件研磨前后高度，并計算得出工件的材料去除率RMRR(計算方法見式(1))；采用精度為0.001 mm的外徑千分尺測量研磨盤研磨前后高度，利用高度差來判別研磨盤磨損程度。

(1)

式中：h0為工件研磨前高度，μm；h1為研磨加工后工件高度，μm；t1為研磨加工時間，min；RMRR為工件材料去除率，μm/min。

3 試驗結果及分析

3.1 不同研磨時間下的研磨性能

采用2種研磨盤研磨藍寶石，不同研磨時間對工件材料去除率、表面粗糙度的影響規(guī)律如圖5所示。研磨條件是研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨壓力為34.5 kPa。

從圖5中看出：不同硬度研磨盤研磨藍寶石的材料去除率和表面粗糙度隨研磨時間的變化趨勢相似。在研磨初期，工件材料去除率和表面粗糙度下降較快，加工一段時間后，下降趨勢減緩并逐步穩(wěn)定。硬度較高的S500-1研磨盤獲得的工件材料去除率始終比硬度低的S500-2研磨盤的要高，同時其表面粗糙度也相應較高。S500-1研磨盤研磨后的工件材料去除率和表面粗糙度分別穩(wěn)定在0.18 μm/min和0.153 μm左右，而S500-2研磨盤的分別穩(wěn)定在0.15 μm/min和0.128 μm左右。

圖6和圖7分別為S500-1和S500-2研磨盤研磨后藍寶石基片表面形貌。

從圖6a和圖7a可以看出：在研磨盤加工4 min后，工件表面顏色相對較深，說明仍然存在大量較深的凹坑，平坦表面較少，表面完整性差。從圖6b和圖7b可以看出：在研磨加工8 min后，工件表面顏色變淡，表明大量凹坑被除去，凹坑深度變淺，但工件表面質(zhì)量仍然比較差。從圖 6c和圖7c看出：在研磨加工12 min后，工件表面凹坑數(shù)量繼續(xù)減少，平坦表面增多。從圖 6d和圖7d看出：研磨加工進行至16 min后，工件表面凹坑數(shù)量明顯減少，深度變淺，平坦表面占比較大，表面完整性相對較好。綜合對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)：在相同時段內(nèi)，S500-2研磨盤研磨過后的工件表面凹坑數(shù)量和深度以及平坦表面占比均要好于S500-1研磨盤的，說明S500-2研磨盤對工件表面質(zhì)量的改善要好于S500-1研磨盤的。

3.2 不同研磨轉(zhuǎn)速下的研磨性能

研磨盤不同轉(zhuǎn)速對藍寶石的材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律如圖8所示。研磨條件是研磨壓力為27.0 kPa，研磨時間為15 min。由圖8可以看出：硬度高的S500-1研磨盤研磨藍寶石基片的材料去除率和表面粗糙度都要明顯高于硬度低的S500-2研磨盤的，但2種研磨盤在不同研磨轉(zhuǎn)速時的總體變化趨勢一致，即隨著研磨轉(zhuǎn)速的增加，工件材料去除率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(見圖8a)。在研磨盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時獲得最高工件材料去除率，分別為1.81 μm/min和1.27 μm/min；而工件表面粗糙度表現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢；當研磨盤轉(zhuǎn)速為100 r/min時，S500-1和S500-2研磨盤獲得的工件表面粗糙度分別為0.159 μm和0.124 μm。

采用磨耗比(研磨盤單位磨損量與對應的材料去除量的比值)來評估研磨盤的研磨效率，不同轉(zhuǎn)速時的磨耗比的關系如圖9所示。

從圖9可以看出：2種研磨盤的磨耗比均隨著研磨轉(zhuǎn)速的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，硬度高的S500-1研磨盤的磨耗比始終要比S500-2的高，即S500-1研磨盤單位磨損量時對應的工件去除效率較高，在低速時表現(xiàn)更為明顯。當研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min時，S500-1磨耗比達到15.06；而S500-2的為10.55；在轉(zhuǎn)速100 r/min時，S500-1和S500-2研磨盤的磨耗比分別為10.50和8.81, 比60 r/min時有所降低。

圖9 不同研磨轉(zhuǎn)速時研磨盤的磨耗比

由于在粗磨工藝階段，主要以工件的材料去除率和研磨盤的磨耗比為主要參考指標。綜合以上結果，在研磨盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時的材料去除率和磨耗比均較高，因此選擇該轉(zhuǎn)速為后續(xù)試驗轉(zhuǎn)速。

3.3 不同研磨壓力下的研磨性能

不同研磨壓力對工件材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律如圖10所示。研磨條件為研磨轉(zhuǎn)速60 r/min，研磨時間15 min。

從圖10中可以看到：隨著研磨壓力的增大，2種研磨盤加工藍寶石時材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律相似，材料去除率都是隨著研磨壓力的增大而升高，表面粗糙度則持續(xù)降低。硬度較高的S500-1研磨盤在材料去除率和表面粗糙度方面均要高于S500-2研磨盤的。在研磨壓力為34.5 kPa時，S500-1和S500-2研磨盤獲得較高的材料去除率，分別為2.03 μm/min和1.49 μm/min，獲得較低的表面粗糙度，分別為0.165 μm和0.141 μm。說明硬度較低的研磨盤能夠獲得較好的表面質(zhì)量。

圖11為不同研磨壓力時研磨盤的磨耗比。從圖11可以看出：研磨盤磨耗比與工件材料去除率的變化趨勢明顯不同，隨著研磨壓力的增大，磨耗比是先升高再降低，S500-1和S500-2研磨盤在研磨壓力為27.0 kPa時達到最高，但前者的磨耗比比后者的要高。

圖11 不同研磨壓力時研磨盤的磨耗比

4 討論

硬度較大的S500-1研磨盤與硬度較小的S500-2研磨盤相比，其研磨效率相對較高，材料去除率和磨耗比較高，但獲得的工件表面粗糙度相對較高，加工表面質(zhì)量稍差。

這是因為研磨盤硬度越大，表現(xiàn)為磨粒與結合劑之間的結合力越強，磨粒與結合劑結合越緊密，磨粒從研磨盤表面越難脫落。在相同的加工參數(shù)下，由于S500-2研磨盤的硬度較低，結合劑對磨粒的把持力比S500-1研磨盤中的弱，故在磨削過程中磨粒脫落相對較快，造成研磨盤單位面積上的有效磨粒數(shù)量減少，未脫落的磨粒也因為快速鈍化而失去切削工件的作用，磨粒磨鈍后與工件表面的實際接觸面積增大，磨粒切入工件表面深度降低，造成S500-2研磨盤的材料去除率和磨耗比均較低，但由于脫落的磨粒在研磨中起到三體磨損的作用，有助于改善工件表面的研磨質(zhì)量，導致工件表面粗糙度也相對較低。

依據(jù)Preston方程，材料去除率RMRR為：

RMRR=Kp·p·v

(2)

其中：Kp為Preston常系數(shù)，p為研磨壓力，v為工件與研磨盤之間的相對線速度。

在研磨加工過程中，理論上當研磨壓力p保持相對穩(wěn)定時，材料去除率RMRR隨研磨盤轉(zhuǎn)速的增加而升高。但實際上，由圖8可以看出：隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的增加，2種研磨盤的工件材料去除率總體趨勢表現(xiàn)為先升高后下降再升高。這是因為當研磨盤轉(zhuǎn)速為40 r/min時，工件與研磨盤之間的相對線速度較小，單位時間內(nèi)，研磨盤表面磨粒與工件表面接觸次數(shù)較少，工件表面材料去除不均勻，材料去除率低，不僅使得加工表面容易產(chǎn)生新的劃傷，也難以去除上道工序所遺留下來的舊的表面損傷，導致工件表面粗糙度相對較高。當研磨盤轉(zhuǎn)速增加到60 r/min時，工件與研磨盤之間相對線速度也增加，磨粒與工件表面在單位時間內(nèi)接觸次數(shù)增多，工件材料去除率升高，工件表面材料去除變得更加均勻，表面粗糙度降低。當研磨盤轉(zhuǎn)速超過60 r/min時，工件相對研磨盤線速度繼續(xù)增加，造成磨粒磨損加劇，磨粒表面的切削刃變鈍，切入工件表面的深度變淺，材料去除率降低，與此同時磨粒所受的切削力增大，磨粒脫落速率加快，更多的磨粒參與到三體研磨過程當中，使得工件表面粗糙度進一步降低，其表面質(zhì)量得到改善。

由圖10 可知，當研磨盤轉(zhuǎn)速相對固定時，工件材料去除率RMRR隨研磨壓力的增大而升高，工件表面粗糙度隨研磨壓力的增大而下降，比較符合Preston方程。這是因為當研磨壓力較小時，由于研磨盤表面磨粒的出露高度不一，有效磨粒數(shù)量較少，只有出露高度較高的磨粒起到了材料去除的作用，造成工件表面材料去除不均勻，材料去除率低，不足以完全去除上道工序所帶來的損傷，還容易給加工表面增添新的劃傷，工件表面粗糙度較高。隨著研磨壓力的增大，有效磨粒數(shù)量增多，裸露高度較低的磨粒也能對工件表面產(chǎn)生一定的微切削作用，對工件表面質(zhì)量的改善具有一定的積極作用，材料去除率升高，能快速去除工件表面原有的損傷，根據(jù)BIFANO等[13]提出硬脆材料臨界切深模型， 如式(3)所示：

(3)

其中：dc為硬脆材料的臨界切深；E為材料的楊氏模量；H為材料的顯微硬度；Kic為材料的斷裂韌性。由于單顆磨粒的受力變大，磨料切入工件深度變深，且大于藍寶石材料的脆塑轉(zhuǎn)變的臨界切深，工件表面材料主要以脆性斷裂方式被去除，因此會產(chǎn)生許多新的凹坑。隨著磨粒的快速磨損變鈍后，磨粒切入工件表面深度變淺，小于藍寶石材料的脆塑轉(zhuǎn)變的臨界切深，工件表面粗糙度降低，表面加工質(zhì)量得到改善。

5 結論

(1)2種不同硬度的研磨盤在不同加工參數(shù)下的材料去除規(guī)律一致。隨著研磨加工時間的延長，工件材料去除率和表面粗糙度都先降低然后趨于平穩(wěn)；隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的增加，2種研磨盤的工件材料去除率和磨耗比先升高后降低再升高，而工件表面粗糙度持續(xù)降低；隨著研磨壓力的增大，2種研磨盤的工件材料去除率持續(xù)升高，表面粗糙度持續(xù)降低，而研磨盤磨耗比則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。

(2)從提高工件材料去除率的角度來看，增大研磨壓力比增大研磨盤轉(zhuǎn)速更加有效，當研磨盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時，在研磨壓力為27.0 kPa的條件下，S500-1和S500-2研磨盤獲得工件材料去除率分別為1.81 μm/min和1.27 μm/min，而在研磨壓力為34.5 kPa時，能獲得更高工件材料去除率分別為2.03 μm/min和1.49 μm/min，此時工件表面粗糙度較低，分別為0.165 μm和0.141 μm。

(3)在不同加工參數(shù)下，不同硬度的研磨盤研磨加工藍寶石基片的性能不同。研磨盤硬度越高，其單位磨損對應的材料去除量越大，即研磨盤的磨耗比越高，但所獲得的工件表面粗糙度也相應較高，工件表面質(zhì)量稍差。相對而言，硬度高的S500-1研磨盤更加適合于藍寶石基片的粗磨加工。