藍(lán)寶石磨削表面微觀形貌特征研究*

楊海成，王銀惠，梁志強，蘇 瑛，許增奇，郭 芮，王西彬

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710100；2.北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京 100081)

藍(lán)寶石單晶具有優(yōu)良的物理性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能和力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于窗口、照明和半導(dǎo)體襯底等領(lǐng)域[1]。藍(lán)寶石的硬脆性及其難加工性是限制其廣泛應(yīng)用的主要瓶頸[2]。為保證藍(lán)寶石加工表面低損傷，常采用磨削加工的方式。藍(lán)寶石被用于一些晶體生長襯底，其加工工件的表面形貌特征直接影響其他材料生長情況[3-4]。磨削表面質(zhì)量對后續(xù)加工有很大影響，其產(chǎn)生的凹坑及劃痕增加了精磨精拋光整時間，增加了加工成本。因此，不同加工條件下的藍(lán)寶石表面形貌特征研究對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

吳濤[5]對藍(lán)寶石單晶ELID磨削表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，對比了ELID磨削表面與傳統(tǒng)磨削表面的缺陷情況。孟慶平[6]利用工件旋轉(zhuǎn)磨床對藍(lán)寶石單晶進(jìn)行加工，并對其表面損傷進(jìn)行了檢測分析。王秋燕等[7]利用分形方法對藍(lán)寶石表面形貌特征進(jìn)行研究，從分形維數(shù)的角度對晶體表面質(zhì)量進(jìn)行了評價。此外，一些學(xué)者對不同結(jié)合劑固結(jié)金剛石磨具性能進(jìn)行了研究。高尚等[8-9]對樹脂、陶瓷及樹脂陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石研磨盤加工基片藍(lán)寶石的磨削性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)陶瓷樹脂復(fù)合結(jié)合劑研磨盤加工綜合性能最好。史林峰等[10]對不同材質(zhì)磨盤磨削藍(lán)寶石晶片性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷復(fù)合盤在粗糙度和磨削效率方面均優(yōu)于鑄鐵盤。在研磨過程中，游離研磨磨粒的參與對不同結(jié)合劑磨具的性能分析有一定影響。目前，對不同結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削藍(lán)寶石的相關(guān)研究還較少，對不同磨削條件下的藍(lán)寶石表面形貌特征還需進(jìn)一步完善；因此，應(yīng)針對藍(lán)寶石磨削表面微觀特性進(jìn)行研究，通過分析不同磨粒大小、不同結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削加工藍(lán)寶石表面形貌特征，對實際生產(chǎn)加工提供一定指導(dǎo)。

1 磨削試驗條件

藍(lán)寶石單晶為哈爾濱奧瑞德公司所生產(chǎn)的C面晶塊，其長晶方式為泡生法，尺寸為30 mm×25 mm×20 mm。磨削試驗在NAS520X—CNC長島精密磨床上進(jìn)行，試驗裝置及加工方向如圖1和圖2所示。選用金屬結(jié)合劑(MD)和樹脂結(jié)合劑(SD)金剛石砂輪對藍(lán)寶石單晶進(jìn)行磨削加工。由于磨削深度小，為保證良好的冷卻效果，加工方式為順磨濕式，砂輪及磨削工藝參數(shù)見表1。每次磨削加工都用白剛玉油石進(jìn)行修整，以保證試驗合理性。

圖1 磨削試驗裝置

圖2 藍(lán)寶石單晶磨削示意圖

砂輪參數(shù)冷卻液工件磨削深度ap/μm砂輪速度vs/m·s-1 400#、800#MD,14A1(250D-5X-10U-50.8H-25T)、 800#SD,14A1(250D-3X-15U-50.8H-25T) 尤希路SC-25AC水基冷卻液C面藍(lán)寶石 0.5、1、1.5、2 10.5、19.7、32.8

2 磨削表面質(zhì)量分析

2.1 不同加工因素對藍(lán)寶石表面粗糙度的影響

使用400#、800# MD砂輪對藍(lán)寶石單晶進(jìn)行不同砂輪速度、不同磨削深度的試驗，使用無水乙醇對磨削后的藍(lán)寶石加工表面進(jìn)行清洗，烘干后，利用Talysurf CCI Lite白光干涉儀測量工件表面粗糙度，繪制不同砂輪速度下磨削深度與工件表面粗糙度的關(guān)系曲線(見圖3)。

a) 400# MD砂輪

b) 800# MD砂輪圖3 藍(lán)寶石磨削表面粗糙度

由圖3可以看出，當(dāng)磨削深度為0.5 μm時，不同轉(zhuǎn)速下的磨削表面粗糙度值差異都較小，之后，隨著磨削深度的增大，表面粗糙度差異增大。對比圖3a和圖3b可知，800# MD砂輪加工藍(lán)寶石表面粗糙度值小于400# MD砂輪加工表面。

對于400# MD砂輪加工表面，在所設(shè)置磨削深度范圍內(nèi)，砂輪速度為10.5 m/s的情況下，表面粗糙度隨著磨削深度的增加而增大；對于800# MD砂輪加工表面，在所設(shè)置磨削深度范圍內(nèi)，砂輪速度為32.8 m/s的情況下，表面粗糙度變化趨勢與400# MD砂輪加工表面趨勢一致，砂輪速度為19.7 m/s的情況下，加工表面粗糙度值最大，砂輪速度為10.5m/s的情況下，加工表面粗糙度值最小。

對于砂輪轉(zhuǎn)速對藍(lán)寶石表面粗糙度的影響，與金屬材料加工不同的是，對于脆性材料的加工，隨著磨削速度的增大，并沒有呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，而砂輪轉(zhuǎn)速為10.5 m/s時，表面粗糙度值最小。雖然隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，單位時間內(nèi)參與切削的有效磨粒數(shù)增加，但是對于硬脆性材料，其材料斷裂去除特性不同，其加工表面在一定的臨界磨削速度下其粗糙度能夠達(dá)到某一最佳值。

2.2 不同加工因素對藍(lán)寶石表面形貌的影響

為更直觀分析不同磨削加工因素對藍(lán)寶石表面形貌的影響，利用PHENOM XL掃描電子顯微鏡觀察分析其表面形貌。

2.2.1 磨粒大小對磨削表面形貌的影響

當(dāng)砂輪速度為10.5 m/s時，不同粒度的MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面形貌如圖4所示。由圖4可以看出，400#MD砂輪磨削表面存在大量不規(guī)則斷裂凹坑，磨削溝痕不明顯，而800#MD砂輪磨削的表面有明顯的磨削痕跡，磨削溝痕平直，溝痕兩側(cè)形成了材料塑性變形形成的脊，相比400#MD砂輪磨削表面，磨削表面脆性斷裂凹坑顯著減少，磨削工件表面質(zhì)量相對更好，這與表面粗糙度分析結(jié)果一致。

圖4 不同粒度MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面形貌

砂輪磨削過程實際上是磨粒負(fù)前角切削工件表面的過程，400# MD砂輪平均粒徑為46 μm，800# MD砂輪平均粒徑為20 μm，在同樣切深條件下，直徑小的磨粒切削負(fù)前角絕對值小，更有利于獲得質(zhì)量高的表面。此外，800# MD砂輪單位面積有效切削磨粒數(shù)更多，其磨削加工殘留高度相對更小。

2.2.2 砂輪速度對磨削表面形貌的影響

當(dāng)磨削深度為0.5 μm時，不同磨削速度下800# MD砂輪磨削藍(lán)寶石單晶表面形貌特征如圖5所示。對比不同磨削速度下的加工表面發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨削速度為10.5 m/s時，崩脆面積最少；當(dāng)磨削速度為19.7 m/s時，脆性斷裂區(qū)域最多；當(dāng)磨削深度>10.5 m/s時，磨削表面脆性斷裂比例增加，表面質(zhì)量變差，這主要是由于磨削速度增加使得磨粒對藍(lán)寶石材料沖擊作用增強，加劇了材料的壓饋去除。

圖5 800# MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面形貌(2 500×)

2.2.3 磨削深度對磨削表面形貌的影響

當(dāng)砂輪速度為19.7 m/s時，不同磨削深度下400# MD砂輪磨削藍(lán)寶石單晶的表面形貌如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)磨削深度為0.5 μm時，磨削表面存在些許凹坑，凹坑中粘附許多小顆粒碎屑，這是由于在砂輪沖擊作用下，磨粒對工件材料產(chǎn)生劃擦、耕犁作用，表層晶體材料在摩擦力、熱的作用下，發(fā)生塑性變形和脆性斷裂，磨屑粘附在凹坑當(dāng)中；隨著磨削深度的增加，磨削表面脆性斷裂更加明顯，當(dāng)磨削深度>1.5 μm時，加工表面有大面積脆性斷裂剝落，磨削痕跡不明顯。

圖6 400# MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面形貌(2 500×)

2.3 不同結(jié)合劑砂輪磨削藍(lán)寶石表面微觀形貌分析

當(dāng)砂輪速度為10.5 m/s時，分別使用800# SD、MD砂輪磨削藍(lán)寶石，獲得不同磨削深度下的磨削表面(見圖7)。從圖7中可以看出，當(dāng)磨削深度為0.5 μm時，MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面存在大量斷裂凹坑，材料以脆性去除為主，而SD砂輪磨削表面存在光滑平直的磨痕，局部存在少量脆性斷裂，材料以塑性方式為主；在小切削深度條件下，磨刃平均切削截面積較小，單位切削力較大，MD砂輪剛性較大，磨粒對于工件表面的沖擊強度大，而SD砂輪彈性好、易吸振，磨粒在較大切削力作用下發(fā)生微位移，對于切削沖擊有吸收作用，更易獲得高質(zhì)量的加工表面，當(dāng)磨削深度略微增大時，MD砂輪磨削表面脆性斷裂區(qū)域有所減少，表面質(zhì)量有所提高，而SD砂輪磨削表面脆性斷裂凹坑有些許增大，表面質(zhì)量有所降低。

圖7 不同結(jié)合劑砂輪磨削藍(lán)寶石微觀形貌(2 000×)

2.4 磨削表面微觀斷裂分析

為進(jìn)一步分析C面藍(lán)寶石材料脆性斷裂特性，對砂輪磨削速度為10.5 m/s，磨削深度分別為1和2 μm的磨削表面進(jìn)行分析(見圖8)。從圖8可以看出，磨削深度為1 μm的表面有一定的撕裂，材料脆性斷裂區(qū)域不光滑，材料斷裂剝落呈不規(guī)則狀；當(dāng)磨削深度為2 μm時，藍(lán)寶石磨削表面有光滑的臺階狀凹坑出現(xiàn)，材料呈現(xiàn)明顯的解理斷裂特征，磨痕分布區(qū)域減小，藍(lán)寶石工件表面脆性斷裂趨勢更加明顯。藍(lán)寶石在磨粒作用下，材料脆性去除的主要形式是通過裂紋的反復(fù)形成和接合，形成小顆粒碎屑，從而從工件脫落。藍(lán)寶石表面質(zhì)量隨磨削深度的增加，脆性斷裂趨勢更加明顯，解理斷裂特征顯著。

圖8 400# MD砂輪磨削藍(lán)寶石表面微觀斷裂形貌

3 結(jié)語

通過上述研究得出如下結(jié)論。

1)磨粒尺寸小的砂輪更易獲得質(zhì)量高的藍(lán)寶石加工表面；在所設(shè)置工藝參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)磨削速度為10.5 m/s時，更易獲得質(zhì)量高的磨削表面，較高砂輪速度不利于獲得表面粗糙度值小的加工表面。

2)藍(lán)寶石材料脆性斷裂剝落易形成不規(guī)則形狀凹坑，臺階狀斷裂面與藍(lán)寶石單晶解理斷裂有關(guān)，并且隨著磨削深度的增大，加工表面解理斷裂特征更加顯著。

3)當(dāng)磨削深度處于亞微米級范圍時，相比MD砂輪，SD砂輪加工藍(lán)寶石表面質(zhì)量更高。

[1] Pawar P, Ballav R, Kumar A. Machining processes of sapphire:An overview[J]. International Journal of Modern Manufacturing Technologies, 2017(1):2067-3604.

[2] 張保國，劉玉嶺. 藍(lán)寶石晶片加工中的技術(shù)關(guān)鍵和對策[J]. 人工晶體學(xué)報，2016，45(4):859-867.

[3] Salem J A, Quinn G D. Fractographic analysis of large single crystal sapphire refractive secondary concentrators[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(14):3271-3281.

[4] 李鵬鵬, 李軍, 王建彬, 等. 固結(jié)磨料研磨藍(lán)寶石襯底的工藝研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2013, 42(11):2258-2264.

[5] 吳濤. 藍(lán)寶石單晶ELID磨削表面質(zhì)量研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2006.

[6] 孟慶平. 藍(lán)寶石高效超精密磨削技術(shù)及損傷檢測研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2009.

[7] 王秋燕, 梁志強, 王西彬, 等. 藍(lán)寶石單晶精密磨削表面形貌的分形行為研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2015, 51(19):174-181.

[8] Gao S, Kang R K, Dong Z G, et al. Surface integrity and removal mechanism in grinding sapphire wafers with novel vitrified bond diamond plates[J]. Advanced Manufacturing Processes, 2016, 32(2):121-126.

[9] 林智富, 高尚, 康仁科, 等. 固結(jié)金剛石研磨盤加工藍(lán)寶石基片的磨削性能研究[J]. 人工晶體學(xué)報，2016, 45(5):1317-1322.

[10] 史林峰, 韓雪, 郜永娟, 等. 不同材質(zhì)磨盤對藍(lán)寶石晶片研磨性能的影響[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2017, 37(1):78-80.