关于304 不锈钢的绿色化学机械抛光研究

2024-01-03刘斌

设备管理与维修 2023年22期

刘斌

（大庆石化建设有限公司，黑龙江大庆 163714）

0 引言

304 不锈钢是一种优质的奥氏体不锈钢，具有很强的耐腐蚀性能，在航天、核电、海洋装备等领域应用广泛。例如，柔性显示器的基板一般采用304 不锈钢材料制作，是柔性显示器生产不可或缺的材料之一。与传统显示器相比，柔性显示器的重量更轻、厚度更薄，应用更加灵活，在平板电脑、工业表盘、超薄显示器等方面具有极高的应用价值。不同于传统显示器的是，柔性显示器的设计和安装更加灵活，使其应用范围和适应性获得大大提升，尤其在海洋工程装备方面更显示出强大的优势，不但降低了设备的重量和功耗，还提升了设备的防水性能，特别适合水下作业，在海洋开发和海洋探测中具有广泛的用途。柔性显示器要求基板具有非常高的表面粗糙度，只有这样才能实现屏幕的完整贴合，采用304 不锈钢制作柔性显示器的基板时，应对其表面进行抛光，以达到生产柔性显示器的需求。

国内外研究人员对304 不锈钢表面的抛光材料与工艺进行了广泛研究，并取得许多成果。最具代表性的有机械抛光、化学抛光与电化学抛光3 种，但这3 种抛光技术都有一定缺陷，机械抛光容易形成表面应力、晶格损坏等微观缺陷，其宏观表现为金属变形或裂纹等；化学抛光容易形成表面腐蚀，使金属表面出现凹坑或白斑，影响抛光精度；电化学抛光的表面精度虽然较高，但抛光过程需要使用具有污染性的抛光液，对周围环境造成严重的生态污染，废料处理也较为麻烦，并且能源消耗较大、成本居高不下，不利于大规模推广，在提倡节能环保的现在无法满足相关要求。

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是近年来发展起来的一种新型抛光技术，它结合了化学腐蚀抛光与机械抛光的优点，能够得到非常光滑的抛光表面，在集成电路制造中具有不可替代的作用，是现阶段能够达到较高表面质量和粗糙度要求的最好的工艺。因此，将其应用于304 不锈钢抛光中，具有一定的理论基础和现实意义。经化学机械抛光后的304不锈钢表面非常光滑，可以达到镜面级标准，并且金属表面的应力残留较小，变形能够得到控制。我国技术人员采用化学机械抛光进行不锈钢基板的生产，采用二氧化硅磨料配合硫酸、氢氧化钠等抛光液成功地实现了0.7 nm 级别的不锈钢表面抛光，填补了国内空白。国内科研人员从多个角度对304 不锈钢化学机械抛光技术进行了改进，有些侧重于抛光精度的提高，有些侧重于抛光效率的提高，但抛光液造成的环境污染问题一直没有得到妥善解决。直到国内学者张彤先等人利用果酸、食品添加剂等环保材料合成了低污染性抛光液，并成功地应用于宝石与铜的抛光中，获得了较高的抛光质量，为其他学者提供了新的思路。这也说明低污染弱酸、弱碱合成的抛光液有替代传统强酸、强碱等高污染性抛光液的潜力，并且依然能够得到较高的抛光质量。

本文基于化学机械抛光原理，改良了磨料与抛光液的成分，使其能够符合绿色环保理念。磨料的主要成分为不同直径的三氧化二铝，配合双氧水、L-苹果酸、乳化剂和甘氨酸制成的新型抛光液，在保障抛光效率与质量的前提下，大大降低对环境的污染。为了验证绿色化学机械抛光的应用效果，能采取正交实验法对抛光液的各项参数进行优化，得出304 不锈钢最佳化学机械抛光方案。并通过电化学测试和XPS 表征，进一步探索绿色化学机械抛光的理论机制。

1 试验

1.1 材料

将3 mm 厚度的304 不锈钢板切割成10 mm×10 mm 的试样若干，分别采取7 μm、50 nm 粒径的三氧化铝粉末作为磨料，用浓度为30%的双氧水作为基液，加入乳化剂、甘氨酸、L-苹果酸配置成绿色环保抛光液。

1.2 方法

304 不锈钢试样的抛光工序分为粗抛和化学机械抛光两步，粗抛是为了快速去除304 不锈钢表面的加工痕迹，节约抛光时间，为镜面抛光做好准备。粗抛时采用融化的石蜡将不锈钢粘接在背板上，在抛光机工作台上垫一层聚氨酯抛光垫，本次实验选用的抛光机为沈阳科晶1200S（图1）。

图1 平面抛光机

一切准备就绪后，量取15 g 三氧化二铝磨料，混入500 mL 去离子水，再加入L-苹果酸1200 g，将抛光速度设置为100 r/min，抛光30 min。在抛光过程中不间断地使用搅拌器对抛光液进行搅拌，强制抛光液均匀分布在试样上。抛光完成后用酒精清洗试样并吹干。

粗糙完成后，将抛光垫换成磨砂革材料的，在使用粒径为50 nm 的三氧化二铝进行镜面抛光。量取15 g 三氧化二铝磨料，混入250 mL 去离子水，再加入甘氨酸、乳化剂OP-10 与双氧水制成抛光液，将抛光速度设置为100 r/min、抛光30 min。在抛光过程中不断使用搅拌器对抛光液进行搅拌，强制抛光液均匀分布在试样上。镜面抛光共分为16 组正交试验，将抛光液的酸碱度、双氧水的含量、乳化剂的含量和甘氨酸的含量作为变量进行分析。

2 结果与分析

304 不锈钢粗抛后的表面特征如图2 所示，能够反映出粗抛后不锈钢表面面部细微划痕。通过5 点取样法可知，其表面粗糙度为8 nm，达到了粗抛目的，使304 不锈钢表面的粗糙度成功降至纳米级，为镜面抛光打下了良好的基础。

图2 粗抛后304 不锈钢的光学显微形貌与3D 表面轮廓

醋泡后的304 不锈钢试样共进行16 组绿色化学机械抛光正交试验，抛光后不锈钢表面特征如图3 所示。304 不锈钢经化学机械抛光后形成了光滑镜面，但16 组试验结果有细微差别，其中第1、6、13 组试样的表面抛光效果最佳，第3、7、12、14、15组试样的表面抛光效果较差，第14 组试样表面存在明显划痕。

图3 化学机械抛光后304 不锈钢的3D 表面轮廓

为进一步验证绿色化学机械抛光后304 不锈钢的表面质量，采取五点采样法对各组试样进行测试，测试结果显示第1、6、13 组试样表面的粗糙度值较低，第3、7、12、14、15 组试样表面的粗糙度值较高。为了深入分析抛光液的酸碱度、双氧水的含量、乳化剂的含量和甘氨酸的含量等参数对抛光质量的影响，对16 组试样的抛光结果进行极差分析。

在极差分析中采取与正交试验相同的工艺参数，对304 不锈钢试样分别进行粗抛和化学机械抛光，粗抛时依然采用三氧化二铝磨料以及相同的抛光液，将抛光速度设置为100 r/min，抛光30 min。粗抛完成后进行化学机械抛光。抛光后对所有试样进行五点取样法测试，测量结果为7 nm，可见绿色化学机械抛光不仅拥有更高的抛光效率，而且能够达到更高的抛光质量。