聚集體金剛石磨料研磨加工性能研究

方偉松　閻秋生　潘繼生　路家斌　陳海陽

關鍵詞 聚集體金剛石；多刃切削；自銳特性；研磨機理

中圖分類號 TG732; TH162 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）06-0684-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0218

收稿日期 2022-12-14 修回日期 2023-01-16

研磨加工是目前實現藍寶石等硬脆材料高效減薄、平坦化加工的超精密加工方法之一。通常選用金剛石、碳化硼等超硬磨料或者二氧化硅等軟磨料作為游離磨料，進行從粗到精的研磨加工[1]。材料去除率（materialremoval rate，MRR）和表面粗糙度（R_a）是評價研磨工藝的關鍵指標。但隨著對加工表面完整性要求的不斷提高，傳統研磨工藝已經無法滿足對高材料去除率和高加工表面質量的要求，因此，需要探索新磨料及相應工藝方法來實現硬脆材料的高效高精研磨加工。

研究發現，使用混合磨料或者對磨料進行改性處理能夠提高藍寶石等硬脆材料的加工質量。CHUNG等[2-3] 研究了混合磨料對游離磨料研磨加工的影響，發現混合磨料能提高材料去除效率。NIU 等[4] 將不同粒徑的磨料混合制成固結研磨盤研磨BK7 玻璃，發現混合粒徑的固結磨料具有自銳能力，加工效果優于固結單一磨料的研磨盤。ZHANG 等[5] 采用氧化鈰液輔助25 μm 金剛石砂輪磨削藍寶石，采用該方法可獲得45 nm的表面粗糙度和141 nm 的亞表面損傷層；與無輔助磨削相比，25 μm 金剛石砂輪輔助磨削表面粗糙度和亞表面損傷分別降低了60.8% 和84.5%。HU 等[6] 分別利用碳化硼和硅溶膠磨料對藍寶石基片進行研磨和拋光試驗，研究表明硬度較高的碳化硼能夠有效去除藍寶石材料，但對工件表面損傷較大，硬度較低的硅溶膠磨料加工效率低，能夠獲得R_a為1 nm 的加工表面粗糙度。XU 等[7] 使用溶膠-凝膠法制備了金剛石和硅溶膠的混合磨料，并對藍寶石基片進行化學機械拋光，發現混合磨料實驗組的材料去除率相比于單一硬磨料實驗組提高了52.6%，表面粗糙度的降低幅度超過單一硬磨料實驗組的21.6%。CHEN 等[8] 開發了游離硅磨料輔助固結金剛石磨料拋光藍寶石工藝，能提高藍寶石拋光工藝的加工效率和穩定性。HUANG 等[9] 利用一種由納米氧化鋁制成的新型懸浮液研磨加工藍寶石基片，研磨過程中藍寶石表面產生了比原始襯底更柔軟的氧化層，與傳統研磨相比，有利于提高材料去除效率和降低磨料對加工表面的損傷。ZHANG 等[10] 開發了一種含氧化銀的二氧化硅膠體磨料，并對藍寶石基片進行拋光，在拋光過程中會形成氧化銀膠體催化加速了漿料與藍寶石之間的反應，提高材料去除效率，同時提高加工后的表面質量。

從上述研究成果可以看出，利用混合磨料和改性磨料的研磨加工方法能夠有效降低磨料對加工表面的損傷，提升加工表面質量，但是對材料的去除率提升較小，原因是制備的混合磨料和改性磨料仍然無法克服硬脆材料的難加工特性，因此在研究混合磨料和改性磨料的同時，一直在嘗試利用燒結金剛石磨料代替傳統單晶金剛石磨料進行研磨加工。CHEN 等[11] 制備了一種團簇金剛石磨料，并將其固結在研磨盤中，對藍寶石基片進行研磨加工，結果表明該團簇金剛石磨料能顯著提高藍寶石材料的去除效率。

本研究利用一種由陶瓷結合劑燒結微細單晶金剛石顆粒制成的聚集體金剛石磨料（尺寸大約為微細磨料的10 倍）對藍寶石基片進行研磨加工，研究聚集體金剛石磨料的加工特性，并建立材料去除模型揭示聚集體金剛石磨料的材料去除機理。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

聚集體金剛石磨料是以微細單晶金剛石磨料為骨架材料，以陶瓷結合劑為黏結材料，在高溫高壓狀態下燒結而成的復合材料[12]。結合劑為Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-Na₂O 系陶瓷結合劑，微細單晶金剛石質量分數為40%，結合劑和輔助材料質量分數為60%。構成聚集體金剛石磨料的微細單晶金剛石粒徑為2～4 μm（記為W3），燒結之后粒徑達到20～40 μm（記為W30），通過燒結工藝優化為準球形，并進行篩選分級。圖1 顯示了經過粒徑分級之后的聚集體金剛石磨料形貌。本研究選用微細單晶金剛石粒徑為3 μm，燒結粒徑為30 μm 的聚集體金剛石磨料作為研究對象。

為對比分析聚集體金剛石磨料的加工性能，選擇粒度為W3 和W30 的單晶金剛石磨料進行對比研磨實驗。表1 列出了3 種磨料的參數信息。加工工件為C向藍寶石基片，莫氏硬度為9。為確保研磨加工前藍寶石基片表面的一致性，使用精密砂輪對藍寶石基片表面進行粗加工，粗加工后表面粗糙度達R_a0.2 μm。

1.2 研磨實驗及加工過程檢測

研磨實驗在KD15BX 精密平面研磨機上進行，實驗裝置如圖2 所示。為分析不同磨料研磨性能的差異性，研磨盤選擇材質相對較軟的合成銅盤。研磨液由棕櫚油、甘油、活化劑、分散劑、磨料等混合而成。

研磨參數：磨料質量分數為1.5%，研磨壓力為50.5 kPa，研磨盤轉速為60 r/min，研磨液流速為2 mL/min，藍寶石基片偏心距為180 mm，研磨時間為120 min，每15 min測量1 次藍寶石基片的質量和表面粗糙度R_a。

使用白光干涉儀（ContourGT-X）檢測藍寶石基片研磨加工后的表面形貌； 使用掃描電子顯微鏡（SDU8220）觀察研磨加工過程中金剛石磨料形貌的變化；使用激光粒度儀（Mastersizer 3000）檢測研磨加工過程中磨料的粒徑的變化。

2 實驗結果分析

2.1 材料去除率及其變化特征

圖3 和圖4 分別顯示了3 種金剛石磨料在不同階段材料去除率MRR（Δm）和材料去除率變化Δm_v的變化趨勢。由圖3 可見： W30 磨料的MRR 最高，聚集體金剛石磨料的MRR 次之，W3 磨料的MRR 最低；同時， 3 種磨料的MRR 均隨加工時間延長而下降，在加工初期階段最大。聚集體金剛石、W3 和W30 等3 種金剛石磨料在加工15 min 時的材料去除率分別達到1.127 μm/min、0.596 μm/min 和5.983 μm/min； 研磨120 min 后，3 種磨料的MRR 分別下降到0.483 μm/min、0.131 μm/min 和1.724 μm/min。由圖4 可見：3 種金剛石磨料的Δmv 均為負值并且隨時間增加而變小，表明3種金剛石磨料的材料去除性能隨加工時間延長而下降。研磨120 min 時，聚集體金剛石磨料MRR 下降幅度為57.14%，W3 單晶金剛石磨料的下降幅度為78.02%，W30單晶金剛石的下降幅度為71.2%。從Δmv 曲線的變化趨勢可以看出，聚集體金剛石磨料在120 min 的加工周期內MRR 下降幅度最小，加工過程相對于W3 和W30單晶金剛石更加穩定。

2.2 工件表面粗糙度及形貌特征

圖5 所示為研磨過程中Ra 的變化曲線。從圖5 中可以看出：使用3 種金剛石磨料在研磨120 min 過程中的Ra 值變化趨勢均呈現出先下降后上升的趨勢。研磨15 min 時，采用聚集體金剛石磨料、W3 單晶金剛石磨料和W30 單晶金剛石磨料研磨后的工件表面粗糙度R_a分別為9.45 nm， 8.75 nm， 248.27 nm；研磨120 min時，分別為9.89 nm，9.39 nm，267.27 nm。與W30 的單晶金剛石磨料對比，聚集體金剛石磨料和W3 單晶金剛石磨料研磨加工后的藍寶石表面粗糙變化幅度較小，并且加工后的藍寶石表面能達到納米數量級。

圖6 分別顯示了藍寶石基片在3 種磨料研磨加工30 min 和120 min 后的表面形貌。由圖6 可見： 使用W3 單晶金剛石磨料加工后的藍寶石基片的表面平整，表面劃痕最淺；使用聚集體金剛石磨料加工后的藍寶石基片的表面形貌與使用W3 單晶金剛石磨料研磨加工的藍寶石基片表面相近；使用W30 單晶金剛石磨料研磨加工后的工件表面形貌最為粗糙，因為W30 金剛石磨料具有最大的切削刃，在研磨中對工件的切入深度最大，加工后工件表面損傷嚴重。從加工表面粗糙度Ra 變化趨勢（圖5）和工件表面形貌的變化（圖6）可以看出，加工初期，3 種金剛石磨料均具有鋒利的切削刃，對工件的切入深度最深，形成的損傷層最深，因此加工前期測量的表面粗糙度較高，隨著加工時間的延長，部分切削刃被磨鈍，對藍寶石材料的切入深度變淺，損傷層變淺，因此表面粗糙度逐漸變小；當金剛石磨料繼續磨損后，對工件的切削能力進一步下降，磨損的金剛石磨料在切削過程中，容易對工件表面造成碾壓、材料堆積等損傷，表面粗糙度逐漸上升。

2.3 研磨過程磨料形貌變化

W3 和W30 單晶金剛石磨料貌為不規則幾何體，具有鋒利的棱邊；聚集體金剛石磨料形貌為準球體，微細單晶金剛石顆粒包覆在陶瓷結合劑網絡結構中。使用掃描電子顯微鏡觀察分析3 種磨料在研磨過程中的形貌變化。3 種磨料原始形貌如圖7 所示。

采集研磨120 min 時的研磨液樣品，在無水乙醇中超聲清洗10 min，去除樣品中的雜質，烘干后使用掃描電子顯微鏡觀察磨料表面形貌。圖8 顯示了3 種金剛石磨料研磨120 min 后的形貌。由圖8 可見：與磨料的初始狀態相比，聚集體金剛石磨料表面單晶顆粒脫落、破碎情況明顯，可以清楚看到破碎的聚集體金剛石碎屑和單晶金剛石顆粒脫落形成的孔洞。聚集體金剛石磨料表面微細金剛石磨粒磨損、脫落、結合劑網絡結構破碎現象會使磨料與工件的接觸狀態發生變化，研磨性能（多刃切削、自銳特性）變差，導致去除率下降；W3 單晶金剛石磨料表面附著了磨屑，棱角和棱邊出現鈍化現象；W30 單晶金剛石磨料表面附著了大量的碎屑，在高倍率的SEM 圖中，其棱邊鈍化現象明顯。單晶金剛石磨料的鈍化現象是導致W3 和W30 單晶金剛石材料去除率下降的主要原因。

2.4 聚集體金剛石磨料在加工過程中的自銳現象

圖9 顯示了加工過程中觀察到的各個階段聚集體金剛石磨料的形貌。從圖9 中可以看出：完整的聚集體金剛石磨料為準球體（圖9a），微細單晶金剛石磨粒均勻包覆在網絡狀的陶瓷結合劑中。該結合劑網絡結構主要由B-O 鍵和Si-O 鍵相互連接構成，鍵能分別為498 kJ/mol、443 kJ/mol，其中B-O 主要以層狀結構互相連接，而層與層之間依靠范德華力連接，連接比較脆弱，增大SiO₂和Al₂O₃的含量，網絡結構中的Si-O 連接鍵數量增多，網絡結構由二維轉變為三維，結合劑的燒結強度提高。在加工過程中，處于接觸表面的微細單晶金剛石磨粒對工件切削時，容易在沖擊作用下導致連接鍵被破壞，致使磨粒周邊的陶瓷結合劑產生裂紋或者疲勞性斷裂，降低結合劑對磨粒的把持力度，最終導致微細單晶金剛石磨粒脫落，形成孔洞。

鈍化的微細單晶金剛石磨粒在研磨過程中力學性能發生變化，會加劇陶瓷結合劑的斷裂。失去微細單晶金剛石磨粒支撐的陶瓷結合劑網絡結構疏松，無法對工件造成切削作用，在研磨過程中易被磨平或者碾壓破碎，使得聚集體金剛石磨料粒徑和形貌發生變化。同時，外層的陶瓷結合劑被去除會逐步將包覆在內部的新鮮磨料暴露出來，使其繼續投入研磨加工過程中，維持加工過程的動態穩定。聚集體金剛石磨料表面微細單晶金剛石磨粒磨鈍脫落過程即切削刃的自銳過程，該過程與金剛石砂輪的自銳過程相似，因此，在理論上可以將聚集體金剛石磨料類比為一個微型砂輪。聚集體金剛石這種自銳能力，保證了研磨過程中磨料對工件材料去除的穩定性，朱永偉等將這種類多晶金剛石磨料的自銳機制稱為微破碎理論[13]。

2.5 研磨液粒徑統計分析

分別采集研磨前、研磨30 min 時和研磨120 min時的研磨液樣品，反復超聲清洗后使用激光粒度儀測量其各組分的粒度分布。由圖10 可見， 3 種金剛石研磨液粒徑在加工前均表現為單峰分布，此時研磨液中只有金剛石磨料，粒徑分布均勻。聚集體金剛石研磨液在研磨30 min 時，粒度分布曲線向左遷移，波峰體積分數下降51.5%，同時，在曲線左側形成由磨屑和脫落的微細單晶磨料組成的梯形波峰，研磨120 min 時，粒度曲線繼續向左遷移，粒徑進一步變小，左側的碎屑波峰體積分數有所提升，結合2.3 和2.4 節分析，該變化趨勢是由聚集體金剛石磨料特有的自銳特性以及前期較高的材料去除效率所導致。W3 單晶金剛石研磨液的粒度分布曲線與聚集體金剛石磨料的相似，粒度曲線向左遷移， 并在左側形成矮峰， 但幅度較小， 因為W3 較小的材料去除效率和較高的硬度，導致研磨后的研磨液樣品中碎屑濃度較低， 粒度曲線變化較小。W30 單晶金剛石研磨液在加工30 min 時，粒徑分布曲線變化最大，波峰體積分數下降了82.8%，并在左側形成了由碎屑組成的梯形波峰，粒度分布為0～10 μm；研磨120 min 時，粒度曲線趨于單峰分布，波峰對應粒度為1.42 μm，加工前期W30 單晶金剛石磨料具有最大的切削刃，材料去除作用大，磨屑粒徑不均勻，加工后期，切削刃磨鈍，對基片的材料去除作用較弱，形成的碎屑粒徑單一。從上述3 種金剛石研磨液的磨料粒徑主峰變化趨勢可以看出，聚集體金剛石磨料的粒徑在研磨過程中有明顯的左遷趨勢，符合上述2.3 節和2.4 節粒徑變小的分析，同時，3 種研磨液中磨屑樣品的粒徑尺寸均在向左遷移，形成的碎屑粒徑尺寸逐漸變小，表明隨著加工過程的進行3 種磨料對藍寶石基片的材料去除能力在下降。

3 討論

3.1 研磨過程磨料力學性能分析

單晶金剛石磨料為不規則幾何體，將單晶金剛石磨料簡化為正八面體，則聚集體金剛石磨料和單晶金剛石磨料對藍寶石基片切削過程的力學作用過程如圖11 所示。單晶金剛石磨料依靠棱角和棱邊對藍寶石基片進行材料去除；聚集體金剛石磨料依靠分布于外層的微細單晶顆粒進行材料去除。從原理上可以推導，聚集體金剛石磨料的微切削和多刃切削有利于提高加工性能。與單晶金剛石切削刃的磨鈍失效相比，聚集體金剛石磨料切削能力失效可以歸結為微切削刃的喪失[14]。

材料切削過程中，磨料和藍寶石基片之間符合力的平衡關系，假設磨料和藍寶石基片之間的作用力為F，則F 可以表示為：

F = PA （2）

其中：P 為接觸壓強，A 為接觸面積。

根據Archard 磨損定律[15]，切削過程的磨料的磨損率與接觸壓強和相對速度的乘積呈正比，定義dp/dt 為磨料的磨損率，計算方式如式（3）：

3.2 研磨過程磨料磨損對加工性能的影響

聚集體金剛石磨料和單晶金剛石磨料在研磨過程中切削性能的失效形式如圖12 所示。在上述3.1 討論過程中可以知道，單晶金剛石磨料的失效主要是切削刃磨鈍，導致研磨過程中負前角絕對值變小，材料去除能力下降，加工表面粗糙度惡化；相比之下，聚集體金剛石磨料由于其特有的微觀結構（多刃切削，自銳特性），在研磨過程中切削深度穩定，同時，聚集體金剛石磨料的微破碎特性能將包覆在陶瓷結合劑中的新磨料暴露出來，維持加工過程中磨料切削性能的動態穩定，保證了加工過程的穩定性。聚集體金剛石磨料失效形式主要是分布在表面的微細單晶金剛石顆粒磨鈍、脫落，降低整體抗壓強度，進而導致磨料形貌變化，最終使聚集體金剛石顆粒破碎失效。

構成聚集體金剛石磨料的微細單晶金剛石顆粒粒徑與W3 單晶金剛石磨料粒徑相同，但燒結之后聚集體金剛石磨料粒徑與W30 單晶金剛石粒徑相同。聚集體金剛石磨料具有多切削刃和自銳特性，可以認為在與加工表面的接觸過程中其狀態是動態穩定的。相比之下，初始的W30 單晶金剛石磨料由于其具有鋒利刃口，切削能力最大，但其磨損快，鈍化后加工效果變差，材料去除率下降最快；W3 單晶金剛石磨料具有與聚集體金剛石表面磨料一樣的棱角，但W3 單晶金剛石磨料尺寸小，容易團聚，在相同的作用面積里，參與切削的磨料濃度大，磨料切削壓力小，材料去除效率低。

4 結論

（1）聚集體金剛石磨料能夠在保證加工表面質量的前提下，有效提高材料去除效率。在相同的加工條件下， 聚集體金剛石磨料的最大材料去除效率為1.127 μm/min， 相比于初始粒徑的W3 單晶金剛石的0.596 μ/min 提升顯著，此時使用聚集體金剛石磨料和W3 單晶金剛石磨料的加工表面粗糙度分別為 9.45 nm和8.75 nm。

（2）聚集體金剛石磨料形貌為準球體，具有多刃切削的特性，能夠提高加工過程中磨料與加工材料的接觸，實現較高材料去除效率；同時，高度一致的切削刃能夠獲得與初級磨料相近的表面粗糙度。

（3）聚集體金剛石磨料具有自銳特性，并由研磨加工過程中磨料的磨損狀態所決定，聚集體金剛石磨料的磨損失效過程為磨粒磨鈍、脫落、碎裂，與單晶金剛石磨料的鈍化失效相比較，聚集體金剛石磨料的自銳特性保證了研磨加工性能的動態穩定，實現加工表面粗糙度的一致。

作者簡介

通信作者： 閻秋生，男，1962 年出生，博士、教授、博士研究生導師。主要研究方向：光電子/微電子硬脆材料超精密加工理論與技術、材料節能節材加工技術等。

E-mail：qsyan@gdut.edu.cn

（編輯：趙興昊）