聚集体金刚石磨料研磨加工性能研究

方伟松　阎秋生　潘继生　路家斌　陈海阳

关键词 聚集体金刚石；多刃切削；自锐特性；研磨机理

中图分类号 TG732; TH162 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）06-0684-09

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0218

收稿日期 2022-12-14 修回日期 2023-01-16

研磨加工是目前实现蓝宝石等硬脆材料高效减薄、平坦化加工的超精密加工方法之一。通常选用金刚石、碳化硼等超硬磨料或者二氧化硅等软磨料作为游离磨料，进行从粗到精的研磨加工[1]。材料去除率（materialremoval rate，MRR）和表面粗糙度（R_a）是评价研磨工艺的关键指标。但随着对加工表面完整性要求的不断提高，传统研磨工艺已经无法满足对高材料去除率和高加工表面质量的要求，因此，需要探索新磨料及相应工艺方法来实现硬脆材料的高效高精研磨加工。

研究发现，使用混合磨料或者对磨料进行改性处理能够提高蓝宝石等硬脆材料的加工质量。CHUNG等[2-3] 研究了混合磨料对游离磨料研磨加工的影响，发现混合磨料能提高材料去除效率。NIU 等[4] 将不同粒径的磨料混合制成固结研磨盘研磨BK7 玻璃，发现混合粒径的固结磨料具有自锐能力，加工效果优于固结单一磨料的研磨盘。ZHANG 等[5] 采用氧化铈液辅助25 μm 金刚石砂轮磨削蓝宝石，采用该方法可获得45 nm的表面粗糙度和141 nm 的亚表面损伤层；与无辅助磨削相比，25 μm 金刚石砂轮辅助磨削表面粗糙度和亚表面损伤分别降低了60.8% 和84.5%。HU 等[6] 分别利用碳化硼和硅溶胶磨料对蓝宝石基片进行研磨和抛光试验，研究表明硬度较高的碳化硼能够有效去除蓝宝石材料，但对工件表面损伤较大，硬度较低的硅溶胶磨料加工效率低，能够获得R_a为1 nm 的加工表面粗糙度。XU 等[7] 使用溶胶-凝胶法制备了金刚石和硅溶胶的混合磨料，并对蓝宝石基片进行化学机械抛光，发现混合磨料实验组的材料去除率相比于单一硬磨料实验组提高了52.6%，表面粗糙度的降低幅度超过单一硬磨料实验组的21.6%。CHEN 等[8] 开发了游离硅磨料辅助固结金刚石磨料抛光蓝宝石工艺，能提高蓝宝石抛光工艺的加工效率和稳定性。HUANG 等[9] 利用一种由纳米氧化铝制成的新型悬浮液研磨加工蓝宝石基片，研磨过程中蓝宝石表面产生了比原始衬底更柔软的氧化层，与传统研磨相比，有利于提高材料去除效率和降低磨料对加工表面的损伤。ZHANG 等[10] 开发了一种含氧化银的二氧化硅胶体磨料，并对蓝宝石基片进行抛光，在抛光过程中会形成氧化银胶体催化加速了浆料与蓝宝石之间的反应，提高材料去除效率，同时提高加工后的表面质量。

从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够有效降低磨料对加工表面的损伤，提升加工表面质量，但是对材料的去除率提升较小，原因是制备的混合磨料和改性磨料仍然无法克服硬脆材料的难加工特性，因此在研究混合磨料和改性磨料的同时，一直在尝试利用烧结金刚石磨料代替传统单晶金刚石磨料进行研磨加工。CHEN 等[11] 制备了一种团簇金刚石磨料，并将其固结在研磨盘中，对蓝宝石基片进行研磨加工，结果表明该团簇金刚石磨料能显著提高蓝宝石材料的去除效率。

本研究利用一种由陶瓷结合剂烧结微细单晶金刚石颗粒制成的聚集体金刚石磨料（尺寸大约为微细磨料的10 倍）对蓝宝石基片进行研磨加工，研究聚集体金刚石磨料的加工特性，并建立材料去除模型揭示聚集体金刚石磨料的材料去除机理。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

聚集体金刚石磨料是以微细单晶金刚石磨料为骨架材料，以陶瓷结合剂为黏结材料，在高温高压状态下烧结而成的复合材料[12]。结合剂为Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-Na₂O 系陶瓷结合剂，微细单晶金刚石质量分數为40%，结合剂和辅助材料质量分数为60%。构成聚集体金刚石磨料的微细单晶金刚石粒径为2～4 μm（记为W3），烧结之后粒径达到20～40 μm（记为W30），通过烧结工艺优化为准球形，并进行筛选分级。图1 显示了经过粒径分级之后的聚集体金刚石磨料形貌。本研究选用微细单晶金刚石粒径为3 μm，烧结粒径为30 μm 的聚集体金刚石磨料作为研究对象。

为对比分析聚集体金刚石磨料的加工性能，选择粒度为W3 和W30 的单晶金刚石磨料进行对比研磨实验。表1 列出了3 种磨料的参数信息。加工工件为C向蓝宝石基片，莫氏硬度为9。为确保研磨加工前蓝宝石基片表面的一致性，使用精密砂轮对蓝宝石基片表面进行粗加工，粗加工后表面粗糙度达R_a0.2 μm。

1.2 研磨实验及加工过程检测

研磨实验在KD15BX 精密平面研磨机上进行，实验装置如图2 所示。为分析不同磨料研磨性能的差异性，研磨盘选择材质相对较软的合成铜盘。研磨液由棕榈油、甘油、活化剂、分散剂、磨料等混合而成。

研磨参数：磨料质量分数为1.5%，研磨压力为50.5 kPa，研磨盘转速为60 r/min，研磨液流速为2 mL/min，蓝宝石基片偏心距为180 mm，研磨时间为120 min，每15 min测量1 次蓝宝石基片的质量和表面粗糙度R_a。

使用白光干涉仪（ContourGT-X）检测蓝宝石基片研磨加工后的表面形貌； 使用扫描电子显微镜（SDU8220）观察研磨加工过程中金刚石磨料形貌的变化；使用激光粒度仪（Mastersizer 3000）检测研磨加工过程中磨料的粒径的变化。

2 实验结果分析

2.1 材料去除率及其变化特征

图3 和图4 分别显示了3 种金刚石磨料在不同阶段材料去除率MRR（Δm）和材料去除率变化Δm_v的变化趋势。由图3 可见： W30 磨料的MRR 最高，聚集体金刚石磨料的MRR 次之，W3 磨料的MRR 最低；同时， 3 种磨料的MRR 均随加工时间延长而下降，在加工初期阶段最大。聚集体金刚石、W3 和W30 等3 种金刚石磨料在加工15 min 时的材料去除率分别达到1.127 μm/min、0.596 μm/min 和5.983 μm/min； 研磨120 min 后，3 种磨料的MRR 分别下降到0.483 μm/min、0.131 μm/min 和1.724 μm/min。由图4 可见：3 种金刚石磨料的Δmv 均为负值并且随时间增加而变小，表明3种金刚石磨料的材料去除性能随加工时间延长而下降。研磨120 min 时，聚集体金刚石磨料MRR 下降幅度为57.14%，W3 单晶金刚石磨料的下降幅度为78.02%，W30单晶金刚石的下降幅度为71.2%。从Δmv 曲线的变化趋势可以看出，聚集体金刚石磨料在120 min 的加工周期内MRR 下降幅度最小，加工过程相对于W3 和W30单晶金刚石更加稳定。

2.2 工件表面粗糙度及形貌特征

图5 所示为研磨过程中Ra 的变化曲线。从图5 中可以看出：使用3 种金刚石磨料在研磨120 min 过程中的Ra 值变化趋势均呈现出先下降后上升的趋势。研磨15 min 时，采用聚集体金刚石磨料、W3 单晶金刚石磨料和W30 单晶金刚石磨料研磨后的工件表面粗糙度R_a分别为9.45 nm， 8.75 nm， 248.27 nm；研磨120 min时，分别为9.89 nm，9.39 nm，267.27 nm。与W30 的单晶金刚石磨料对比，聚集体金刚石磨料和W3 单晶金刚石磨料研磨加工后的蓝宝石表面粗糙变化幅度较小，并且加工后的蓝宝石表面能达到纳米数量级。

图6 分别显示了蓝宝石基片在3 种磨料研磨加工30 min 和120 min 后的表面形貌。由图6 可见： 使用W3 单晶金刚石磨料加工后的蓝宝石基片的表面平整，表面划痕最浅；使用聚集体金刚石磨料加工后的蓝宝石基片的表面形貌与使用W3 单晶金刚石磨料研磨加工的蓝宝石基片表面相近；使用W30 单晶金刚石磨料研磨加工后的工件表面形貌最为粗糙，因为W30 金刚石磨料具有最大的切削刃，在研磨中对工件的切入深度最大，加工后工件表面损伤严重。从加工表面粗糙度Ra 变化趋势（图5）和工件表面形貌的变化（图6）可以看出，加工初期，3 种金刚石磨料均具有锋利的切削刃，对工件的切入深度最深，形成的损伤层最深，因此加工前期测量的表面粗糙度较高，随着加工时间的延长，部分切削刃被磨钝，对蓝宝石材料的切入深度变浅，损伤层变浅，因此表面粗糙度逐渐变小；当金刚石磨料继续磨损后，对工件的切削能力进一步下降，磨损的金刚石磨料在切削过程中，容易对工件表面造成碾压、材料堆积等损伤，表面粗糙度逐渐上升。

2.3 研磨过程磨料形貌变化

W3 和W30 单晶金刚石磨料貌为不规则几何体，具有锋利的棱边；聚集体金刚石磨料形貌为准球体，微细单晶金刚石颗粒包覆在陶瓷结合剂网络结构中。使用扫描电子显微镜观察分析3 种磨料在研磨过程中的形貌变化。3 种磨料原始形貌如图7 所示。

采集研磨120 min 时的研磨液样品，在无水乙醇中超声清洗10 min，去除样品中的杂质，烘干后使用扫描电子显微镜观察磨料表面形貌。图8 显示了3 种金刚石磨料研磨120 min 后的形貌。由图8 可见：与磨料的初始状态相比，聚集体金刚石磨料表面单晶颗粒脱落、破碎情况明显，可以清楚看到破碎的聚集体金刚石碎屑和单晶金刚石颗粒脱落形成的孔洞。聚集体金刚石磨料表面微细金刚石磨粒磨损、脱落、结合剂网络结构破碎现象会使磨料与工件的接触状态发生变化，研磨性能（多刃切削、自锐特性）变差，导致去除率下降；W3 单晶金刚石磨料表面附着了磨屑，棱角和棱边出现钝化现象；W30 单晶金刚石磨料表面附着了大量的碎屑，在高倍率的SEM 图中，其棱边钝化现象明显。单晶金刚石磨料的钝化现象是导致W3 和W30 单晶金刚石材料去除率下降的主要原因。

2.4 聚集体金刚石磨料在加工过程中的自锐现象

图9 显示了加工过程中观察到的各个阶段聚集体金刚石磨料的形貌。从图9 中可以看出：完整的聚集体金刚石磨料为准球体（图9a），微细单晶金刚石磨粒均匀包覆在网络状的陶瓷结合剂中。该结合剂网络结构主要由B-O 键和Si-O 键相互连接构成，键能分别为498 kJ/mol、443 kJ/mol，其中B-O 主要以层状结构互相连接，而层与层之间依靠范德华力连接，连接比较脆弱，增大SiO₂和Al₂O₃的含量，网络结构中的Si-O 连接键数量增多，网络结构由二维转变为三维，结合剂的烧结强度提高。在加工过程中，处于接触表面的微细单晶金刚石磨粒对工件切削时，容易在冲击作用下导致连接键被破坏，致使磨粒周边的陶瓷结合剂产生裂纹或者疲劳性断裂，降低结合剂对磨粒的把持力度，最终导致微细单晶金刚石磨粒脱落，形成孔洞。

钝化的微细单晶金刚石磨粒在研磨过程中力学性能发生变化，会加剧陶瓷结合剂的断裂。失去微细单晶金刚石磨粒支撑的陶瓷结合剂网络结構疏松，无法对工件造成切削作用，在研磨过程中易被磨平或者碾压破碎，使得聚集体金刚石磨料粒径和形貌发生变化。同时，外层的陶瓷结合剂被去除会逐步将包覆在内部的新鲜磨料暴露出来，使其继续投入研磨加工过程中，维持加工过程的动态稳定。聚集体金刚石磨料表面微细单晶金刚石磨粒磨钝脱落过程即切削刃的自锐过程，该过程与金刚石砂轮的自锐过程相似，因此，在理论上可以将聚集体金刚石磨料类比为一个微型砂轮。聚集体金刚石这种自锐能力，保证了研磨过程中磨料对工件材料去除的稳定性，朱永伟等将这种类多晶金刚石磨料的自锐机制称为微破碎理论[13]。

2.5 研磨液粒径统计分析

分别采集研磨前、研磨30 min 时和研磨120 min时的研磨液样品，反复超声清洗后使用激光粒度仪测量其各组分的粒度分布。由图10 可见， 3 种金刚石研磨液粒径在加工前均表现为单峰分布，此时研磨液中只有金刚石磨料，粒径分布均匀。聚集体金刚石研磨液在研磨30 min 时，粒度分布曲线向左迁移，波峰体积分数下降51.5%，同时，在曲线左侧形成由磨屑和脱落的微细单晶磨料组成的梯形波峰，研磨120 min 時，粒度曲线继续向左迁移，粒径进一步变小，左侧的碎屑波峰体积分数有所提升，结合2.3 和2.4 节分析，该变化趋势是由聚集体金刚石磨料特有的自锐特性以及前期较高的材料去除效率所导致。W3 单晶金刚石研磨液的粒度分布曲线与聚集体金刚石磨料的相似，粒度曲线向左迁移， 并在左侧形成矮峰， 但幅度较小， 因为W3 较小的材料去除效率和较高的硬度，导致研磨后的研磨液样品中碎屑浓度较低， 粒度曲线变化较小。W30 单晶金刚石研磨液在加工30 min 时，粒径分布曲线变化最大，波峰体积分数下降了82.8%，并在左侧形成了由碎屑组成的梯形波峰，粒度分布为0～10 μm；研磨120 min 时，粒度曲线趋于单峰分布，波峰对应粒度为1.42 μm，加工前期W30 单晶金刚石磨料具有最大的切削刃，材料去除作用大，磨屑粒径不均匀，加工后期，切削刃磨钝，对基片的材料去除作用较弱，形成的碎屑粒径单一。从上述3 种金刚石研磨液的磨料粒径主峰变化趋势可以看出，聚集体金刚石磨料的粒径在研磨过程中有明显的左迁趋势，符合上述2.3 节和2.4 节粒径变小的分析，同时，3 种研磨液中磨屑样品的粒径尺寸均在向左迁移，形成的碎屑粒径尺寸逐渐变小，表明随着加工过程的进行3 种磨料对蓝宝石基片的材料去除能力在下降。

3 讨论

3.1 研磨过程磨料力学性能分析

单晶金刚石磨料为不规则几何体，将单晶金刚石磨料简化为正八面体，则聚集体金刚石磨料和单晶金刚石磨料对蓝宝石基片切削过程的力学作用过程如图11 所示。单晶金刚石磨料依靠棱角和棱边对蓝宝石基片进行材料去除；聚集体金刚石磨料依靠分布于外层的微细单晶颗粒进行材料去除。从原理上可以推导，聚集体金刚石磨料的微切削和多刃切削有利于提高加工性能。与单晶金刚石切削刃的磨钝失效相比，聚集体金刚石磨料切削能力失效可以归结为微切削刃的丧失[14]。

材料切削过程中，磨料和蓝宝石基片之间符合力的平衡关系，假设磨料和蓝宝石基片之间的作用力为F，则F 可以表示为：

F = PA （2）

其中：P 为接触压强，A 为接触面积。

根据Archard 磨损定律[15]，切削过程的磨料的磨损率与接触压强和相对速度的乘积呈正比，定义dp/dt 为磨料的磨损率，计算方式如式（3）：

3.2 研磨过程磨料磨损对加工性能的影响

聚集体金刚石磨料和单晶金刚石磨料在研磨过程中切削性能的失效形式如图12 所示。在上述3.1 讨论过程中可以知道，单晶金刚石磨料的失效主要是切削刃磨钝，导致研磨过程中负前角绝对值变小，材料去除能力下降，加工表面粗糙度恶化；相比之下，聚集体金刚石磨料由于其特有的微观结构（多刃切削，自锐特性），在研磨过程中切削深度稳定，同时，聚集体金刚石磨料的微破碎特性能将包覆在陶瓷结合剂中的新磨料暴露出来，维持加工过程中磨料切削性能的动态稳定，保证了加工过程的稳定性。聚集体金刚石磨料失效形式主要是分布在表面的微细单晶金刚石颗粒磨钝、脱落，降低整体抗压强度，进而导致磨料形貌变化，最终使聚集体金刚石颗粒破碎失效。

构成聚集体金刚石磨料的微细单晶金刚石颗粒粒径与W3 单晶金刚石磨料粒径相同，但烧结之后聚集体金刚石磨料粒径与W30 单晶金刚石粒径相同。聚集体金刚石磨料具有多切削刃和自锐特性，可以认为在与加工表面的接触过程中其状态是动态稳定的。相比之下，初始的W30 单晶金刚石磨料由于其具有锋利刃口，切削能力最大，但其磨损快，钝化后加工效果变差，材料去除率下降最快；W3 单晶金刚石磨料具有与聚集体金刚石表面磨料一样的棱角，但W3 单晶金刚石磨料尺寸小，容易团聚，在相同的作用面积里，参与切削的磨料浓度大，磨料切削压力小，材料去除效率低。

4 结论

（1）聚集体金刚石磨料能够在保证加工表面质量的前提下，有效提高材料去除效率。在相同的加工条件下， 聚集体金刚石磨料的最大材料去除效率为1.127 μm/min， 相比于初始粒径的W3 单晶金刚石的0.596 μ/min 提升显著，此时使用聚集体金刚石磨料和W3 单晶金刚石磨料的加工表面粗糙度分别为 9.45 nm和8.75 nm。

（2）聚集体金刚石磨料形貌为准球体，具有多刃切削的特性，能够提高加工过程中磨料与加工材料的接触，实现较高材料去除效率；同时，高度一致的切削刃能够获得与初级磨料相近的表面粗糙度。

（3）聚集体金刚石磨料具有自锐特性，并由研磨加工过程中磨料的磨损状态所决定，聚集体金刚石磨料的磨损失效过程为磨粒磨钝、脱落、碎裂，与单晶金刚石磨料的钝化失效相比较，聚集体金刚石磨料的自锐特性保证了研磨加工性能的动态稳定，实现加工表面粗糙度的一致。

作者简介

通信作者： 阎秋生，男，1962 年出生，博士、教授、博士研究生导师。主要研究方向：光电子/微电子硬脆材料超精密加工理论与技术、材料节能节材加工技术等。

E-mail：qsyan@gdut.edu.cn

（编辑：赵兴昊）