腐蚀法测量研磨蓝宝石亚表面损伤的实验研究

马 睿，王建彬，周超群，童勇强，徐义亮

(1.安徽工程大学机械与汽车工程学院，芜湖 241000；2.芜湖恒信汽车内饰制造有限公司，芜湖 241009)

1 引 言

研磨作为蓝宝石加工的关键工序，主要是采用粒度较小的金刚石磨料去除前道工序造成的切痕损伤，减小后序的抛光余量。制定研磨工艺参数的重要依据是前道工序残留的表层/亚表层损伤深度，其主要是由工件表层受到磨粒切入而产生的裂纹来表征，其中径向裂纹长度是衡量亚表面损伤层深度的主要指标[1-2]。实际加工中有效测量蓝宝石亚表面损伤层深度具有重要意义。

蓝宝石亚表面损伤层深度的检测一直是国内外学者的关注，常见的检测方法包括破坏性检测与非破坏性检测。Black等[3]采用了TEM、X射线衍射以及拉曼光谱探测技术对蓝宝石单晶进行亚表面损伤层与损伤深度检测，结果发现：TEM检测虽然能检测样本某个区域的亚表面损伤特征，但是不能反应整体特征。X射线衍射只能穿透并反映出0.01～10 μm的损伤图像。但当X射线与拉曼光谱结合对损伤区域进行表征时，通过测定该区域损伤引起的应变，可以定量的分析亚表面的损伤深度。Randi等[4]对蓝宝石等光学单晶体提出了亚表面损伤深度的估算模型。一种是根据磨粒粒径的尺寸来估测亚表面损伤深度的上下限；另一种是根据实验得出亚表面损伤深度总是低于白光干涉仪所测量的表面粗糙度的1.4倍这一相关性，从而通过测量晶体表面微粗糙度来估算亚表面损伤深度的上限。同时采用磁流变抛光技术对单晶光学材料进行亚表面损伤检测实验，验证了估算模型的可行性。以上对亚表面损伤层深度的检测都属于非破坏性检测，该类检测方法常存在实验精度依赖于操作者、检测系统成本较高、测量精度偏低、测量结果不直观等缺陷。对于蓝宝石这种硬脆材料，采用破坏性的方法检测更为精确。徐晓明等[5]采用双面角度抛光法来检测游离氮化硼研磨后的蓝宝石基片，优化了单面角度抛光常出现的测量误差问题，但该实验对操作者的操作水平要求较高。Kumar等[6]采用的低温刻蚀法来检测蓝宝石基片的亚表面损伤深度，该方法刻蚀液只有在特定的配比下才能完成刻蚀与深度的测量，实验刻蚀液配比不好配置，实验普遍性偏低。谢春等[7]运用了KOH化学腐蚀法来测量游离磨粒研磨后的蓝宝石基片，该方法简单易操作，且测量精度高，但实验过程中易出现双面基片腐蚀不均匀的现象，引起测量误差。

采用金刚石固结磨料研磨加工蓝宝石，磨粒仅切除材料表层凸起部分，从而能够以较小的材料去除量获得优质的加工表面[8-10]。但固结磨料研磨蓝宝石亚表面损伤深度的有效测量仍然缺乏共识，本文采用高温熔融的KOH对研磨后的蓝宝石工件进行化学腐蚀，通过设计耐高温陶瓷夹具提高工件表面腐蚀的均匀性，估算腐蚀速率，观察表面形貌随腐蚀时间的变化规律，揭示亚表面损伤的产生机理，为固结磨料研磨蓝宝石亚表面损伤深度的有效测量奠定基础。

2 实 验

2.1 实验原理

在研磨过程中金刚石磨粒会在蓝宝石工件表面产生划痕、凹坑等缺陷，并且会在工件亚表面产生残余应力与脆性裂纹等损伤[11-13]。蓝宝石常温下化学性质稳定不与任何强酸强碱发生反应，但高温下可以与熔融的KOH溶液发生化学反应。

KOH化学腐蚀法基本原理是：将样件放入熔融KOH腐蚀液中进行300 ℃恒温腐蚀，每隔一小段固定时间间隔取出工件并进行清洗、烘干、称重、测厚度等。假定晶体的密度和腐蚀液腐蚀的工件底面积为定值，可以推出公式(1)[14-15]计算出在这一腐蚀时间内腐蚀的厚度,并求出工件的腐蚀速率，当工件腐蚀速率趋于稳定时，被认为亚表面损伤被完全去除，并确定其腐蚀时间。根据确定的腐蚀时间，估算出该段时间内腐蚀深度即为工件的亚表面损伤深度。

(1)

式中，Δm和Δd分别是特定腐蚀时间内工件样品的质量损失和双面腐蚀深度，M和D为腐蚀前工件样品的质量和厚度。

2.2 样品的制备

本实验采用直径为2英寸，厚度为2 mm的C向蓝宝石基片，采用实验室自制的W40亲水性金刚石固结磨料对蓝宝石基片进行加工，加工的工艺参数如表1所示，研磨液采用用含0.3%OP-10乳化剂的去离子水。研磨后的工件作为本实验的样件，腐蚀液为300 ℃恒温熔融KOH溶液。实验选用200 mL的耐高温陶瓷坩埚，与该坩埚配合使用的新设计的氧化铝陶瓷片如图1所示，且该陶瓷片的厚度为3 mm。该结构的陶瓷片可以实现蓝宝石工件轻松垂直放置在空槽内，工件与陶瓷片两点接触，减小坩埚壁对腐蚀面的影响，满足工件两面充分腐蚀且腐蚀速率相同的要求。另外，在相同的实验条件下对一组未使用陶瓷夹具的蓝宝石工件进行相同的腐蚀实验进行对比。

表1 工件研磨加工工艺参数Table 1 Workpiece grinding process parameters

图1 高温陶瓷夹具
Fig.1 High temperature ceramic fixture

2.3 亚表面损伤检测

实验每次腐蚀10 min后将样品取出，先用去离子水进行超声清洗(KH3200DE)，后在0.5%的稀盐酸中浸泡20～25 min,再用去离子水与酒精分别进行超声清洗,超声清洗后用电吹风吹干。采用型号为FA1604(160 g/0.1 mg)精密天平进行每次腐蚀前后的质量称重，每次测量五次后取平均值。同时使用千分尺(25 mm/0.01 mm)测量工件不同位置腐蚀前后工件的厚度，每次测量五次后取平均值。亚表面形貌的测量采用上海奋业光电仪器设备有限公司的ZL200JT金相显微镜进行腐蚀前后的表面形貌观测，测量过程中尽可能实现不同腐蚀时间段观测同一位置，来提高测量结果的可比性与精确性。为了准确测量腐蚀速率和有效观察工件表面腐蚀形貌的变化，工件每次腐蚀10 min[14],重复上述步骤12次，工件腐蚀的时间共2 h。

3 结果与讨论

3.1 腐蚀厚度和腐蚀速率的变化

高温熔融的KOH溶液对蓝宝石表层进行化学腐蚀，工件表层原子与腐蚀液发生化学反应，生成新物质而脱离基体，从而造成工件质量和厚度的减小[6,16-17]。工件表层减小的厚度即为腐蚀厚度，可通过千分尺直接测量腐蚀前后变化或者通过精密天平测量腐蚀前后质量变化，进一步计算获得。图2所示为两种不同方法测得不同时间的腐蚀厚度变化。两种不同方法得到的腐蚀厚度均随着腐蚀时间的增加而不断减小，在前40 min的，两种方法测得的腐蚀厚度基本一致，而随着腐蚀时间的增加，千分尺直接测量得到的腐蚀厚度明显偏小。造成这一差别的主要原因是腐蚀初期，由于工件表层凹凸不平的损伤较为严重，腐蚀液更易于接触发生化学反应，工件表层被腐蚀掉的厚度较大，两种方法均可以测出这一显著变化。随着腐蚀时间的增加，工件表面损伤层逐步被剥离，腐蚀厚度减小，再加上工件表面局部质量差导致的腐蚀不均匀性，个别部位腐蚀前后的厚度变化不均匀，故采用抽样选点的千分尺直接测量法必然存在较大的误差。天平称重法计算腐蚀厚度虽然忽略了腐蚀表面的不均匀性，但由于蓝宝石工件的表面积相对较大，单点腐蚀误差的影响较小，故采用称重法测量腐蚀厚度较为精确。

蓝宝石在单位时间内被化学腐蚀液腐蚀的厚度即为腐蚀速率，腐蚀过程中腐蚀液与工件的接触面积是影响腐蚀速率的重要因素。为了保持腐蚀面积的稳定，采用高温陶瓷夹具对腐蚀液中的工件进行固定。图3对比了有无夹具时腐蚀速率的变化曲线，其中采用陶瓷夹具固定后的平均腐蚀速率可提高9.21%左右。结果显示两者腐蚀速率曲线的下降趋势基本相同，采用夹具固定工件的腐蚀速率曲线较为平滑，没有上下浮动的情况，说明该工件在腐蚀中的接触面积较为稳定。无夹具固定的工件，其腐蚀速率曲线在90 min以后才趋于稳定状态，两组腐蚀速率曲线拐点不同的原因可能是无夹具固定工件腐蚀不充分导致两面腐蚀速率不同，腐蚀到基体层的时间就会变长。无夹具固定工件的腐蚀速率相对较低，且曲线有明显波动，主要是由于放置于腐蚀液中的工件与坩埚壁接触依靠其表面凸起部位。随着腐蚀时间的增加，工件表层的凸起部位逐渐被腐蚀导致其与坩埚接触和贴合的面积增大，影响腐蚀对工件表层的浸入，实际腐蚀面积减小，故腐蚀速率相对小。

图2 不同方法测得的腐蚀厚度变化
Fig.2 Corrosion thickness variation measured by different method

图3 有无夹具时腐蚀速率曲线对比
Fig.3 Corrosion rate curves comparison with or without fixture

图4 蓝宝石工件的腐蚀速率和腐蚀厚度曲线
Fig.4 Corrosion rate and corrosion thickness curves of sapphire

采用天平称重法测量陶瓷夹具固定的蓝宝石工件腐蚀速率和腐蚀厚度随时间变化规律如图4所示。由图可知，随着腐蚀时间的增加，腐蚀速率和腐蚀厚度不断减小，腐蚀80 min以后，腐蚀速率趋于稳定。从而推断80 min时的腐蚀速率应为曲线的拐点，计算工件初始至此的累计腐蚀厚度8.41 μm即为工件的亚表面损伤层深度。固结磨料研磨后蓝宝石工件的腐蚀速率和厚度曲线变化规律，主要是由于在腐蚀初期，工件亚表面损伤较为严重，裂纹和残余应力等缺陷较为集中，腐蚀液对工件的腐蚀作用较为明显，腐蚀速率和腐蚀厚度相对较大。而随着腐蚀时间的增加，亚表面损伤层逐步被去除，腐蚀液作用的灵敏性降低。当亚表面损伤被完全去除腐蚀到基体层后，腐蚀液对工件的作用趋于恒定，保持一个相对恒定的腐蚀速率和腐蚀厚度。

3.2 表面腐蚀形貌变化

用金相显微镜观测运用两点式接触陶瓷夹具的实验组工件腐蚀前如图5(a)所示,表面有明显的划痕。当腐蚀10 min后由于亚表面损伤的存在，导致不同位置的腐蚀速率不同，腐蚀后的表面出现黑色的凸起或者凹陷。当腐蚀在30～40 min时能看出划痕表面也发生的腐蚀，且表面不平坦划痕较明显。分析整体图像发现工件参与腐蚀的前40 min,金相显微镜图像变化较大，每次观测的图像都有明显差异，而腐蚀时间在40～80 min内，显微图像也发生变化但变化较缓慢。分析产生该结果的原因是工件在腐蚀的前40 min腐蚀速率较快，该时间段内参与腐蚀的亚表面损伤层疏松度较大。工件损伤层的疏松度越大，腐蚀液与工件的接触面积就越大，进而腐蚀的速率就越快。腐蚀时间在50～60 min时，腐蚀表面出现三角形的凸起，其他位置较前段腐蚀时间比较更加光滑，较前段腐蚀时间形貌相比，相差不大，表明工件表面腐蚀速率有所降低。在腐蚀时间为70 min时，工件表面三角形凸起已经十分明显，且部分区域出现较小的三角形凸起。当工件腐蚀达到80 min时，可以观测到工件整个表面出现规则排布的三角形凸起结构，且在80～120 min时间内观测的工件表面形貌几乎无差异，全部都出现紧密排列的三角形凸起，说明工件已经腐蚀到了基体层，基体层腐蚀速率相同，相同时间下对工件的腐蚀效果也几乎相同。金相显微镜观测结果显示，腐蚀时间大约在80 min时腐蚀到蓝宝石工件的基体层，估算出亚表面损伤深度实际腐蚀时间大约为80 min。该金相显微镜分析结果进一步佐证了腐蚀速率曲线计算的可靠性。

图5 工件腐蚀形貌随腐蚀时间的变化
Fig.5 Corrosion morphology changes with corrosion time

3.3 亚表面损伤产生及腐蚀机理

亲水性固结磨料在研磨蓝宝石过程中，工件受到研磨压力等外载荷P0如图6所示，由于磨粒被固结在研磨盘上，其受力后被压入工件的接触表层。当外载荷不断增加时，磨粒与工件接触面产生内应力，当内应力超过材料的断裂极限值时，工件表面开始产生裂纹，随着应力的不断增加，裂纹会持续的延伸与扩展，在塑性变形区的底部会产生水平方向的横向裂纹，同时垂直方向产生径向裂纹。当卸载时，径向裂纹不再增加，而横向裂纹继续扩展，当横向裂纹扩展到工件表面时就会脱落形成一定的凹坑，磨粒与工件表面也会因为摩擦力的作用产生塑性划痕。径向裂纹的深度常常被用来表征亚表面损伤层深度。

图6 单颗磨粒固结磨料研磨示意图
Fig.6 Schematic diagram of single abrasive fixed abrasive lapping

图7 亚表面损伤层模型
Fig.7 Subsurface damage layer model

由亚表面损伤的形成机理可以推测亚表面损伤程度分布结构如图7所示。研磨后的蓝宝石工件表层和亚表层结构应包含裂纹层、变形层与基体层，其中裂纹层是亚表面损伤的主要缺陷层，微裂纹密度和长度分布向内逐渐减弱。变形层是工件表面受到的塑性形变区域，其内部原子结构排列与蓝宝石工件本身的基体层没有明显的界限区别。采用化学腐蚀法对蓝宝石工件进行腐蚀时，腐蚀液通过微裂纹的缝隙渗入工件亚表层，充分与材料接触，必然造成较大的腐蚀速率和腐蚀厚度。而随着腐蚀时间的增加，上层的裂纹区域逐步被腐蚀掉，裂纹的深度和数量减小，其腐蚀速率必然放缓，一直渗入到基体层后，则会保持一个恒定的腐蚀速率。在达到恒定腐蚀速率之前的腐蚀深度即为工件的亚表面损伤层深度，故可以采用腐蚀法实现较为精确地检测蓝宝石工件的亚表面损伤层深度。

4 结 论

本文利用高温熔融的KOH腐蚀液对固结磨料研磨蓝宝石晶体进行化学腐蚀，采用陶瓷夹具对腐蚀液中的夹具进行固定，并利用称重法测算蓝宝石工件腐蚀速率和腐蚀厚度。依据实验研究结果可得到以下结论：

(1)采用陶瓷夹具固定工件，因腐蚀面的均匀性提高，其平均腐蚀速率可提高9.21%。腐蚀腐蚀速率和腐蚀厚度随着腐蚀时间的增加逐渐减小。

(2)腐蚀初期因工件表层/亚表层裂纹密集导致的亚表面损伤严重，腐蚀速率和腐蚀厚度较大，随着亚表面损伤层逐步被腐蚀去除，腐蚀速率和腐蚀厚度逐渐减小，直至腐蚀到基体层后而趋于稳定。

(3)利用化学腐蚀法测算W40固结金刚石磨料研磨后蓝宝石的亚表面损伤层深度，其腐蚀速率曲线在80 min后出现拐点，可进一步计算亚表面损伤层深度为8.41 μm。