基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結合劑金剛石砂輪制備及其對單晶硅的磨削性能

白福厚 廖燕玲 軒闖 張鳳林

摘要 針對陶瓷結合劑燒結溫度高的問題，提出一種基于Bi2O3-B2O3 的新型低溫陶瓷結合劑。分析添加納米SiC 和納米ZrO2 對結合劑物相組成、流動性和力學性能的影響，并探索添加核桃殼粉造孔劑對金剛石砂輪微觀形貌的影響；制備基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結合劑金剛石杯形砂輪，測試其對單晶硅晶圓片的磨削性能。結果表明：添加納米SiC 會導致陶瓷結合劑中出現一定量的Bi 單質，破壞結合劑的[BiO4] 玻璃網絡；添加納米SiC 及納米ZrO2 后，結合劑的流動性降低；隨燒結溫度上升，結合劑的流動性、抗彎強度和硬度有增大的趨勢，在560 ℃ 燒結時結合劑的抗彎強度和硬度達到最大。隨著造孔劑含量的增大，砂輪中大氣孔的數量顯著增多、尺寸顯著增大。在砂輪線速度為12.56 m/s，工件轉速為5.23 m/s，進給速度為0.1 μm/s 條件下，使用以M10/20 金剛石（粒度號為800 目）制備的砂輪磨削加工單晶硅晶圓片，其磨削比為790，表面粗糙度為0.16 μm。

關鍵詞 陶瓷結合劑金剛石砂輪；單晶硅晶圓片；力學性能；磨削性能

中圖分類號 TQ153 文獻標志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0432-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0137

收稿日期 2022-08-26 修回日期 2022-12-04

陶瓷結合劑金剛石砂輪因其自銳性好、砂輪剛度大、氣孔率可調等特點，表現出優異的磨削鋒利性和磨削精度[1-2]， 廣泛應用于聚晶金剛石和CBN 刀具[3]、半導體材料[4]、藍寶石[5]、結構陶瓷和功能陶瓷[6] 等難加工硬脆材料的精密磨削加工。

陶瓷結合劑金剛石砂輪主要由磨料、陶瓷結合劑、氣孔等3 部分組成，磨料主要由金剛石主磨料和綠碳化硅或白剛玉等輔助磨料組成；陶瓷結合劑主要起到包裹和固結磨料，使砂輪具有一定機械強度的作用[7-9]；氣孔主要起到容屑、排屑、傳遞冷卻液的作用，可以降低磨削溫度和防止砂輪堵塞[10-12]。

Bi2O3-B2O3 作為一種新型低溫玻璃體系，一些學者將該玻璃體系用于陶瓷零件的釬焊連接。比如，GUO等[13] 設計了一種可在1 000 ℃ 熔煉的硼酸鉍玻璃，化學組成為50Bi2O3-50B2O3（物質的量分數，下同），并將其應用于氧化鋁陶瓷的低溫釬焊連接，在625 ℃ 保溫20 min 時獲得了剪切強度為164 MPa 的接頭。LIN等[14] 研究了Bi2O3-B2O3-SiO2 系低溫玻璃，其熔煉溫度為1 000 ℃、軟化溫度低于472 ℃，并將其應用于鋰鈦鐵氧體陶瓷釬焊，在750 ℃ 保溫30 min 時可使接頭剪切強度達到92 MPa。GUO 等[15] 還研究了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低溫玻璃的性能， 其玻璃軟化溫度為419 ℃，在650 ℃ 釬焊連接藍寶石時，可獲得剪切強度為85 MPa 的接頭。CHEN 等[16] 擴大了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低溫玻璃的應用范圍，將其用于氧化鋁與銅的異種基體低溫釬焊連接。

現有的陶瓷結合劑燒結溫度較高，燒結過程中金剛石磨料易石墨化，影響金剛石砂輪的磨削性能。因此，提出一種基于Bi2O3-B2O3 體系的新型低溫陶瓷結合劑，以降低燒結溫度。該結合劑中的[BiO4] 玻璃網絡是由不對稱的錐形四面體相互連接形成的一種不穩定鏈狀結構，導致結合劑力學性能較低，因此需要選用熱膨脹系數較低的納米SiC 和納米ZrO2 作為增強相來改善結合劑的力學性能，研究這2 種納米材料對結合劑流動性和力學性能的影響。選用常用的核桃殼粉為造孔劑，分析了不同造孔劑含量對砂輪微觀形貌的影響；制備了一種基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結合劑金剛石杯形砂輪，測試了該砂輪對單晶硅晶圓片的磨削性能。