不同磨料對硬質(zhì)合金刀片化學(xué)機(jī)械拋光的影響*

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(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南湘潭 411105；2.湘潭大學(xué)復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心 湖南湘潭 411105；3.湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心 湖南長沙 410082)

硬質(zhì)合金以其強度和硬度高、耐磨性好、紅硬性好、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)良性能，已成為現(xiàn)代社會和新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的刀具材料[1-2]。硬質(zhì)合金刀具在生產(chǎn)制造過程中，其前刀面的表面加工質(zhì)量是影響刀具切削性能、使用壽命和生產(chǎn)效率等的重要指標(biāo)之一[1]?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(Chemical mechanical polishing，CMP)作為一種超精密加工方法，其目的是通過降低表面粗糙度、去除研磨和磨削后的機(jī)械損傷層來獲得高質(zhì)量的表面[3-5]。因此在硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)時通過CMP改善前刀面表面質(zhì)量，為提高刀具整體性能提供了新的思路和方法[6-8]。

目前一些學(xué)者研究了不同硬度磨料對CMP拋光材料去除率及表面質(zhì)量的影響。YUAN等[9]研究了不同硬度磨料對碳化硅球化學(xué)機(jī)械拋光的影響，結(jié)果表明：接近氧化層硬度的氧化鈰磨料和氧化鋯磨料拋光效果最好，拋光后的碳化硅球表面粗糙度Ra為10 nm，其次是氧化鐵磨料和氧化鉻磨料。王金普等[10]研究了4種磨料(Al2O3、SiO2、CeO2、Fe2O3)在相同條件下對微晶玻璃化學(xué)機(jī)械拋光的影響，結(jié)果表明，采用氧化鋯磨料的拋光液得到的微晶玻璃表面質(zhì)量最好，其材料去除率達(dá)到100.4 nm/min，表面粗糙度Ra為0.4 nm。這些研究表明，磨料硬度是CMP拋光材料去除率及表面質(zhì)量的重要影響因素之一。目前，對硬質(zhì)合金刀片CMP的研究大多采用碳化硅磨料和氧化鋁磨料，通過優(yōu)化工序和工藝參數(shù)來獲得好的拋光質(zhì)量[11-12]。另外，對硬質(zhì)合金刀片CMP拋光機(jī)制研究較少，且所使用的磨料為經(jīng)驗選取，在拋光過程中發(fā)現(xiàn)拋光時間較長、效率低。因此，本文作者通過實驗研究不同硬度的磨料對硬質(zhì)合金刀片CMP加工后的材料去除率和表面質(zhì)量的影響，為硬質(zhì)合金刀具CMP材料去除機(jī)制的研究，同時也為提高硬質(zhì)合金刀片CMP拋光質(zhì)量和效率提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和材料

硬質(zhì)合金刀片前刀面表面由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成，采用JB-1C表面粗糙度測量儀測量輪廓算術(shù)平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax、中線截距平均值Sm[13]，如圖1所示。利用VHX-200超景深三維顯微系統(tǒng)觀察拋光前后刀片的表面形貌，如圖2所示。

圖1 JB-1C表面粗糙度測量儀Fig 1 JB-1C surface roughness measuring instrument

圖2 超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-2000 系列Fig 2 VHX-2000 series of three dimensional microscopic system of super depth of field

實驗采用的6種微納米磨料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[9]。實驗樣品為牌號YG10的硬質(zhì)合金刀片，所有樣品經(jīng)過磨削工藝，其力學(xué)性能如表2所示。

表1 不同微納米磨料的力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical properties of different micro and nanoscale abrasives

表2 硬質(zhì)合金刀片的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of cemented carbide tool

1.2 拋光實驗

在Nanopoli-100型拋光機(jī)(如圖3所示)上進(jìn)行YG10刀具前刀面CMP加工實驗。拋光墊采用聚氨酯拋光墊，拋光工藝參數(shù)如表3所示。采用精度為0.001 g的電子分析天平BS200S測量實驗前后硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量。

表3 拋光工藝參數(shù)Table 3 Polishing process parameters

圖3 Nanopoli-100型拋光機(jī)Fig 3 A polishing machine of Nanopoli-100

通過如下公式計算硬質(zhì)合金刀片的材料去除率：

(1)

式中:RMR為硬質(zhì)合金刀片的材料去除率(nm/min);m0為拋光前硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量(mg);m1為拋光后硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量(mg);ρ為硬質(zhì)合金刀片的密度(g/cm3);S1為硬質(zhì)合金刀片前刀面表面積(mm3);t為拋光時間(min)。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨料對硬質(zhì)合金刀片CMP材料去除率的影響

6種不同硬度磨料對硬質(zhì)合金刀片表面材料去除率如圖4所示，無磨料拋光液對硬質(zhì)合金刀片的材料去除率最低；隨著磨料硬度H0的增加，有磨料拋光液對硬質(zhì)合金刀片的材料去除率存在上升的趨勢；金剛石磨料顯微硬度遠(yuǎn)大于其他磨料顯微硬度，其材料去除率也遠(yuǎn)大于其他磨料。這是因為硬質(zhì)合金刀片表面與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)速率很慢，磨料的機(jī)械作用可以促進(jìn)硬質(zhì)合金刀片表面化學(xué)反應(yīng)；而高硬度金剛石磨料的加入進(jìn)一步促進(jìn)了CMP過程中的化學(xué)反應(yīng)，提高了硬質(zhì)合金刀片CMP材料去除率。

圖4 不同磨料對硬質(zhì)合金刀片前刀面材料去除率的影響Fig 4 The in fluence of the material removal rate of cemented carbide blade front face by different abrasives

2.2 磨料對硬質(zhì)合金刀片拋光前后表面質(zhì)量的影響

使用JB-1C表面粗糙度測量儀測量硬質(zhì)合金刀片表面輪廓算術(shù)平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax和中線截距平均值Sm。圖5顯示了不同磨料對硬質(zhì)合金刀片表面粗糙度的影響。

圖5 6種磨料對硬質(zhì)合金刀片拋光后的表面粗糙度的影響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

由圖5可知，與氧化硅磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料相比，顯微硬度最大的金剛石磨料拋光YG10硬質(zhì)合金刀片后的Rav、Rmax和Sm最小，分別為0.018、0.222和25.967 μm；氧化鋁磨料次之，Rav=0.039 μm、Rmax=0.405 μm和Sm=35.163 μm；其次是氧化鋯磨料、氧化硅磨料、碳化硅磨料；碳化硼磨料拋光硬質(zhì)合金刀片后，其表面質(zhì)量比拋光前更差，Rav、Rmax和Sm都非常大，這是因為碳化硼磨料存在粒徑分散性大的缺點，在拋光過程中不易控制硬質(zhì)合金刀片最終表面粗糙度以及容易造成硬質(zhì)合金刀片表面劃痕較多[15]，如圖6(g)所示。

圖6 不同磨料拋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

拋光前后硬質(zhì)合金刀片前刀面表面形貌如圖6所示。圖6(a)所示是拋光前(磨削)刀片表面形貌，圖6(b)所示是無磨料拋光后的表面形貌，與磨削刀片相比較，無磨料拋光產(chǎn)生的亞表面劃痕明顯減少；氧化硅磨料硬度小于刀片表面硬度，不能完全去除氧化層，拋光后的刀片表面質(zhì)量較差，如圖6(c)所示；而碳化硅磨料硬度大于刀片表面硬度，磨料穿過刀片表面氧化層，劃傷刀片表面，造成刀片表面質(zhì)量很差，如圖6(f)所示；由于氧化鋯和氧化鋁磨料的顯微硬度接近硬質(zhì)合金刀片硬度，只去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層，而且磨料的機(jī)械作用不會損傷硬質(zhì)合金刀片表面，獲得較好的表面質(zhì)量[9]，如圖6(d)、(e)所示。

由2.1節(jié)可知，氧化鋯和氧化鋁磨料顯微硬度比金剛石磨料顯微硬度小得多。由于硬質(zhì)合金刀片的表面與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率很慢，材料去除率較低，而磨料的機(jī)械作用可以促進(jìn)硬質(zhì)合金刀片表面化學(xué)反應(yīng)，所以低硬度的氧化鋯和氧化鋁磨料難以達(dá)到最佳RMR和表面質(zhì)量。

LEE等[16]研究發(fā)現(xiàn)，金剛石磨料比其他磨料具有更高的RMR和優(yōu)異的劃痕能力，金剛石磨料的加入增加CMP過程中的化學(xué)反應(yīng)，并在CMP過程中增加了機(jī)械應(yīng)力，因此金剛石磨料拋光后的刀片表面質(zhì)量最佳，如圖6(h)所示。

從劃痕結(jié)果和表面形貌結(jié)果可以看出，氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料和碳化硅磨料只是去除硬質(zhì)合金刀片劃痕周圍氧化層，減少了表面劃痕等缺陷；而金剛石磨料整體降低劃痕深度，獲得最佳表面粗糙度。

2.3 討論與分析

由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知，碳化硼磨料存在粒徑分散性大的缺點，在硬質(zhì)合金刀片CMP過程中，對磨削刀片表面造成更大的機(jī)械損傷；在氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料和碳化硅磨料CMP過程中，刀片表面材料去除率較低，但得到比磨削刀片好的表面質(zhì)量，并且刀片表面劃痕明顯去除；在金剛石磨料CMP過程中，刀片表面材料去除率最高，表面形貌最佳。低硬度磨料對硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7所示，金剛石磨料對硬質(zhì)合金刀片表面整體的拋光機(jī)制如圖8所示。

氧化硅磨料對硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(a)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；氧化硅磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層；由于氧化硅磨料硬度小于硬質(zhì)合金刀片硬度，無法完全去除刀片表面氧化層，留下殘余氧化層，拋光的表面質(zhì)量較差。

氧化鋯和氧化鋁磨料對硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(b)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層，而硬度接近硬質(zhì)合金刀片的氧化鋯和氧化鋁磨料，去除劃痕周圍區(qū)域的氧化層時，不會損傷硬質(zhì)合金刀片表面，又能剛好去除刀片表面氧化層，獲得較好的表面質(zhì)量。

碳化硅磨料對硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(c)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層，而碳化硅磨料的硬度大于硬質(zhì)合金刀片的硬度，去除劃痕周圍區(qū)域的氧化層時，磨料穿透硬質(zhì)合金刀片表面氧化層，對刀片表面造成機(jī)械損傷，拋光后的表面質(zhì)量很差。

圖7 低硬度磨料對硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光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

如圖8所示金剛石磨料是整體去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層。首先，金剛石磨料通過CMP中的機(jī)械作用去除刀片表面的氧化層，如圖8(a)所示，硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；金剛石磨料的機(jī)械作用去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層后，并在整個硬質(zhì)合金刀片表面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，如圖8(b)所示；然后，化學(xué)物質(zhì)在CMP拋光中的擴(kuò)散隨著磨料在工件上施加的機(jī)械應(yīng)力增加[17]，在機(jī)械應(yīng)力區(qū)域的表面與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如圖8(b)所示，最后金剛石磨料通過機(jī)械作用去除由機(jī)械應(yīng)力引起的化學(xué)反應(yīng)層，如圖8(c)、(d)所示。因此金剛石磨料比其他低硬度磨料能更快地去除應(yīng)力區(qū)域，獲得高材料去除率，并有效地降低了硬質(zhì)合金刀片整體劃痕深度，得到了更好的表面質(zhì)量。

圖8 金剛石磨料對硬質(zhì)合金刀片表面整體的拋光Fig 8 Polishing of carbide blade surface with diamond abrasive

3 結(jié)論

(1)低硬度氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料的機(jī)械作用，只能去除硬質(zhì)合金刀片表面局部劃痕區(qū)域；接近硬質(zhì)合金刀片硬度的氧化鋁磨料，獲得了較好的表面質(zhì)量，其RMR為98.126 nm/min，Rav為0.039 μm，Rmax為0.405 μm，Sm為35.163 μm。

(2)硬度最大的金剛石磨料，在硬質(zhì)合金刀片表面上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，能更快地去除刀片表面材料。因此，金剛石磨料可以達(dá)到比其他磨料更高的RMR和更好的表面質(zhì)量，其RMR為343.441 nm/min，Rav為0.018 μm，Rmax為0.222 μm，Sm為25.967 μm。

(3)考慮到金剛石磨料價格昂貴，在硬質(zhì)合金刀片粗加工時可以選用氧化鋁磨料，精加工時選用金剛石磨料。