不同磨料对硬质合金刀片化学机械抛光的影响*

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(1.湘潭大学机械工程学院 湖南湘潭 411105；2.湘潭大学复杂轨迹加工工艺及装备教育部工程研究中心 湖南湘潭 411105；3.湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心 湖南长沙 410082)

硬质合金以其强度和硬度高、耐磨性好、红硬性好、热膨胀系数小、弹性模量高以及化学稳定性好等一系列优良性能，已成为现代社会和新技术领域不可缺少的刀具材料[1-2]。硬质合金刀具在生产制造过程中，其前刀面的表面加工质量是影响刀具切削性能、使用寿命和生产效率等的重要指标之一[1]。化学机械抛光技术(Chemical mechanical polishing，CMP)作为一种超精密加工方法，其目的是通过降低表面粗糙度、去除研磨和磨削后的机械损伤层来获得高质量的表面[3-5]。因此在硬质合金刀具生产时通过CMP改善前刀面表面质量，为提高刀具整体性能提供了新的思路和方法[6-8]。

目前一些学者研究了不同硬度磨料对CMP抛光材料去除率及表面质量的影响。YUAN等[9]研究了不同硬度磨料对碳化硅球化学机械抛光的影响，结果表明：接近氧化层硬度的氧化铈磨料和氧化锆磨料抛光效果最好，抛光后的碳化硅球表面粗糙度Ra为10 nm，其次是氧化铁磨料和氧化铬磨料。王金普等[10]研究了4种磨料(Al2O3、SiO2、CeO2、Fe2O3)在相同条件下对微晶玻璃化学机械抛光的影响，结果表明，采用氧化锆磨料的抛光液得到的微晶玻璃表面质量最好，其材料去除率达到100.4 nm/min，表面粗糙度Ra为0.4 nm。这些研究表明，磨料硬度是CMP抛光材料去除率及表面质量的重要影响因素之一。目前，对硬质合金刀片CMP的研究大多采用碳化硅磨料和氧化铝磨料，通过优化工序和工艺参数来获得好的抛光质量[11-12]。另外，对硬质合金刀片CMP抛光机制研究较少，且所使用的磨料为经验选取，在抛光过程中发现抛光时间较长、效率低。因此，本文作者通过实验研究不同硬度的磨料对硬质合金刀片CMP加工后的材料去除率和表面质量的影响，为硬质合金刀具CMP材料去除机制的研究，同时也为提高硬质合金刀片CMP抛光质量和效率提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器和材料

硬质合金刀片前刀面表面由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成，采用JB-1C表面粗糙度测量仪测量轮廓算术平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax、中线截距平均值Sm[13]，如图1所示。利用VHX-200超景深三维显微系统观察抛光前后刀片的表面形貌，如图2所示。

图1 JB-1C表面粗糙度测量仪Fig 1 JB-1C surface roughness measuring instrument

图2 超景深三维显微系统VHX-2000 系列Fig 2 VHX-2000 series of three dimensional microscopic system of super depth of field

实验采用的6种微纳米磨料的力学性能参数如表1所示[9]。实验样品为牌号YG10的硬质合金刀片，所有样品经过磨削工艺，其力学性能如表2所示。

表1 不同微纳米磨料的力学性能参数Table 1 Mechanical properties of different micro and nanoscale abrasives

表2 硬质合金刀片的力学性能Table 2 Mechanical properties of cemented carbide tool

1.2 抛光实验

在Nanopoli-100型抛光机(如图3所示)上进行YG10刀具前刀面CMP加工实验。抛光垫采用聚氨酯抛光垫，抛光工艺参数如表3所示。采用精度为0.001 g的电子分析天平BS200S测量实验前后硬质合金刀片的质量。

表3 抛光工艺参数Table 3 Polishing process parameters

图3 Nanopoli-100型抛光机Fig 3 A polishing machine of Nanopoli-100

通过如下公式计算硬质合金刀片的材料去除率：

(1)

式中:RMR为硬质合金刀片的材料去除率(nm/min);m0为抛光前硬质合金刀片的质量(mg);m1为抛光后硬质合金刀片的质量(mg);ρ为硬质合金刀片的密度(g/cm3);S1为硬质合金刀片前刀面表面积(mm3);t为抛光时间(min)。

2 结果与分析

2.1 磨料对硬质合金刀片CMP材料去除率的影响

6种不同硬度磨料对硬质合金刀片表面材料去除率如图4所示，无磨料抛光液对硬质合金刀片的材料去除率最低；随着磨料硬度H0的增加，有磨料抛光液对硬质合金刀片的材料去除率存在上升的趋势；金刚石磨料显微硬度远大于其他磨料显微硬度，其材料去除率也远大于其他磨料。这是因为硬质合金刀片表面与氧化剂的化学反应速率很慢，磨料的机械作用可以促进硬质合金刀片表面化学反应；而高硬度金刚石磨料的加入进一步促进了CMP过程中的化学反应，提高了硬质合金刀片CMP材料去除率。

图4 不同磨料对硬质合金刀片前刀面材料去除率的影响Fig 4 The in fluence of the material removal rate of cemented carbide blade front face by different abrasives

2.2 磨料对硬质合金刀片抛光前后表面质量的影响

使用JB-1C表面粗糙度测量仪测量硬质合金刀片表面轮廓算术平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax和中线截距平均值Sm。图5显示了不同磨料对硬质合金刀片表面粗糙度的影响。

图5 6种磨料对硬质合金刀片抛光后的表面粗糙度的影响Fig 5 Effect of 6 kinds of abrasives on the surface roughness of cemented carbide blades after polishing (a)the arithmetical mean deviation of the profile;(b)the maximum peak valley distance;(c)the median intercept

由图5可知，与氧化硅磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料相比，显微硬度最大的金刚石磨料抛光YG10硬质合金刀片后的Rav、Rmax和Sm最小，分别为0.018、0.222和25.967 μm；氧化铝磨料次之，Rav=0.039 μm、Rmax=0.405 μm和Sm=35.163 μm；其次是氧化锆磨料、氧化硅磨料、碳化硅磨料；碳化硼磨料抛光硬质合金刀片后，其表面质量比抛光前更差，Rav、Rmax和Sm都非常大，这是因为碳化硼磨料存在粒径分散性大的缺点，在抛光过程中不易控制硬质合金刀片最终表面粗糙度以及容易造成硬质合金刀片表面划痕较多[15]，如图6(g)所示。

图6 不同磨料抛光后刀片前刀面表面形貌Fig 6 Surface topography of blade rake after polishing with different abrasives (a)surface of grinding blade;(b)abrasive-free polishing surface;(c)polishing surface with SiO2;(d) polishing surface with ZrO2;(e)polishing surface with Al2O3;(f)polishing surface with SiC;(g)polishing surface with B4C;(g)polishing surface with diamond

抛光前后硬质合金刀片前刀面表面形貌如图6所示。图6(a)所示是抛光前(磨削)刀片表面形貌，图6(b)所示是无磨料抛光后的表面形貌，与磨削刀片相比较，无磨料抛光产生的亚表面划痕明显减少；氧化硅磨料硬度小于刀片表面硬度，不能完全去除氧化层，抛光后的刀片表面质量较差，如图6(c)所示；而碳化硅磨料硬度大于刀片表面硬度，磨料穿过刀片表面氧化层，划伤刀片表面，造成刀片表面质量很差，如图6(f)所示；由于氧化锆和氧化铝磨料的显微硬度接近硬质合金刀片硬度，只去除硬质合金刀片表面氧化层，而且磨料的机械作用不会损伤硬质合金刀片表面，获得较好的表面质量[9]，如图6(d)、(e)所示。

由2.1节可知，氧化锆和氧化铝磨料显微硬度比金刚石磨料显微硬度小得多。由于硬质合金刀片的表面与氧化剂发生化学反应的速率很慢，材料去除率较低，而磨料的机械作用可以促进硬质合金刀片表面化学反应，所以低硬度的氧化锆和氧化铝磨料难以达到最佳RMR和表面质量。

LEE等[16]研究发现，金刚石磨料比其他磨料具有更高的RMR和优异的划痕能力，金刚石磨料的加入增加CMP过程中的化学反应，并在CMP过程中增加了机械应力，因此金刚石磨料抛光后的刀片表面质量最佳，如图6(h)所示。

从划痕结果和表面形貌结果可以看出，氧化硅磨料、氧化锆磨料、氧化铝磨料和碳化硅磨料只是去除硬质合金刀片划痕周围氧化层，减少了表面划痕等缺陷；而金刚石磨料整体降低划痕深度，获得最佳表面粗糙度。

2.3 讨论与分析

由2.1节和2.2节可知，碳化硼磨料存在粒径分散性大的缺点，在硬质合金刀片CMP过程中，对磨削刀片表面造成更大的机械损伤；在氧化硅磨料、氧化锆磨料、氧化铝磨料和碳化硅磨料CMP过程中，刀片表面材料去除率较低，但得到比磨削刀片好的表面质量，并且刀片表面划痕明显去除；在金刚石磨料CMP过程中，刀片表面材料去除率最高，表面形貌最佳。低硬度磨料对硬质合金刀片表面划痕的抛光机制如图7所示，金刚石磨料对硬质合金刀片表面整体的抛光机制如图8所示。

氧化硅磨料对硬质合金刀片表面划痕的抛光机制如图7(a)所示。硬质合金刀片表面划痕区域容易与CMP中氧化剂发生化学反应；氧化硅磨料的机械作用去除在划痕周围区域的氧化层；由于氧化硅磨料硬度小于硬质合金刀片硬度，无法完全去除刀片表面氧化层，留下残余氧化层，抛光的表面质量较差。

氧化锆和氧化铝磨料对硬质合金刀片表面划痕的抛光机制如图7(b)所示。硬质合金刀片表面划痕区域容易与CMP中氧化剂发生化学反应；磨料的机械作用去除在划痕周围区域的氧化层，而硬度接近硬质合金刀片的氧化锆和氧化铝磨料，去除划痕周围区域的氧化层时，不会损伤硬质合金刀片表面，又能刚好去除刀片表面氧化层，获得较好的表面质量。

碳化硅磨料对硬质合金刀片表面划痕的抛光机制如图7(c)所示。硬质合金刀片表面划痕区域容易与CMP中氧化剂发生化学反应；磨料的机械作用去除在划痕周围区域的氧化层，而碳化硅磨料的硬度大于硬质合金刀片的硬度，去除划痕周围区域的氧化层时，磨料穿透硬质合金刀片表面氧化层，对刀片表面造成机械损伤，抛光后的表面质量很差。

图7 低硬度磨料对硬质合金刀片表面划痕的抛光Fig 7 Polishing of the scratched surfaces of cemented carbide blades with low hardness abrasives (a)polishing with SiO2abrasive;(b)polishing with ZrO2 and Al2O3 abrasives;(c)polishing with SiC and B4C abrasives

如图8所示金刚石磨料是整体去除硬质合金刀片表面氧化层。首先，金刚石磨料通过CMP中的机械作用去除刀片表面的氧化层，如图8(a)所示，硬质合金刀片表面划痕区域容易与CMP中氧化剂发生化学反应；金刚石磨料的机械作用去除硬质合金刀片表面氧化层后，并在整个硬质合金刀片表面产生机械应力，如图8(b)所示；然后，化学物质在CMP抛光中的扩散随着磨料在工件上施加的机械应力增加[17]，在机械应力区域的表面与氧化剂发生化学反应，如图8(b)所示，最后金刚石磨料通过机械作用去除由机械应力引起的化学反应层，如图8(c)、(d)所示。因此金刚石磨料比其他低硬度磨料能更快地去除应力区域，获得高材料去除率，并有效地降低了硬质合金刀片整体划痕深度，得到了更好的表面质量。

图8 金刚石磨料对硬质合金刀片表面整体的抛光Fig 8 Polishing of carbide blade surface with diamond abrasive

3 结论

(1)低硬度氧化硅磨料、氧化锆磨料、氧化铝磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料的机械作用，只能去除硬质合金刀片表面局部划痕区域；接近硬质合金刀片硬度的氧化铝磨料，获得了较好的表面质量，其RMR为98.126 nm/min，Rav为0.039 μm，Rmax为0.405 μm，Sm为35.163 μm。

(2)硬度最大的金刚石磨料，在硬质合金刀片表面上产生机械应力，促进化学反应，能更快地去除刀片表面材料。因此，金刚石磨料可以达到比其他磨料更高的RMR和更好的表面质量，其RMR为343.441 nm/min，Rav为0.018 μm，Rmax为0.222 μm，Sm为25.967 μm。

(3)考虑到金刚石磨料价格昂贵，在硬质合金刀片粗加工时可以选用氧化铝磨料，精加工时选用金刚石磨料。