（机械电子工程专业论文）磁头研抛去除机理及工艺规律研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 在计算机硬盘磁头加工中，磁头、磁盘的表面粗糙度、凹坑和 纳米划痕不仅影响磁头的飞行稳定性，而且影响表面的抗腐蚀性能。 因此，高精度超光滑无缺陷的磁头表面成为磁头加工追求的目标。 现有技术难以达到下一代计算机硬盘质量所提出的要求。因此， 本文针对磁头加工过程中的纳米粒子行为、物理化学作用、材料微 观去除机理、加工变形规律、表面损伤和缺陷产生机理等科学问题 展开研究，在全面分析研磨抛光技术后，优化了其制造工艺参数， 进而实现了多组元材料的研抛技术的突破，为实现纳米精度无损伤 表面的加工提供理论基础。本文主要研究内容如下： 1 基于脆性材料的压痕断裂力学理论，分析了磁头在平面研抛 过程中的物质去除方式和转变方式，解析了粗磨和精磨时材料去除 方式的不同，并推导了磁头材料脆性塑性机理转变的临界条件，计 算了磁头基体材料的塑性去除临界深度。 2 通过三体研抛与二体磨削特性的比较，利用材料塑性变形原 理，建立了三体研抛材料去除模型和多组元表面的材料去除模型， 并通过实验验证了模型的正确性。 3 通过实验，研究了研抛液粒度对磁头表面粗糙度的影响，揭 示了磁头表面缺陷的形成与其的关系；发现了研抛液粒度、压力对 材料去除率影响，解析了研抛液粒度与极尖沉降之间的规律。 4 经过理论与实验研究，发现了一个边界粒度，使得所加工的 磁头具有较好的表面粗糙度和较小的极尖沉降，同时具有了较高的 去除效率。 - ， 关键词磁头，纳米金刚石，表面粗糙度，研抛 中南大学顾七学位论文 a b s t r a c t 。m a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yh a v eb e i n gi m p r o v e d t om e e tf o rt h ev a r i o u sh i 曲一t e c hp r o d u c ti nc o m p u t e rm a n u f a c t u r i n g m a g n e t i ch e a d ，a st h ee s s e n c eo ft h eh a r dd i s kd r i v e ( h d d ) ，c a l l sf o r u l t r a - s m o o t hs u r f a c e st or e d u c et h ef l yh e i g h t s 、s c r a t c h e st ot h ed i s ka n d i m p r o v e t h es t a b i l i t i e so f t h es l i d e r , a n dt oe n h a n c e dt h ew e a rr e s i s t a n c e t h u s ，af l a w l e s su l t r a - s m o o t hs u r f a c em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yb e c a m e a l lu r g e n tn e e df o rt h eh i g h - t e c hm a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s ( v e r ys m o o t h s u r f a c e sa n du l t r a - l o wh e i g h t sr e q u i r e df o ru l t r a h i g hr e c o r d i n gd e n s i t i e s p r e s e n tc h a l l e n g e s a n d o p p o r t u n i t i e s t o t r i b o l o g i s t s a n dm a t e r i a l s c i e n t i s t su n p a r a l l e l e di na n yo t h e ri n d u s t r y ) t ob r e a kt h r o u g hc u r r e n tp r o c e s s ，w h i c hs e e m sh a r dt or e a c ht h e c r i t i c a lq u a l i t y , r e q u i r e di nt h em a n u f a c t u r i n go ft h en e x tg e n e r a t i o no f c o m p u t e r , w em u s tp u to nb a s i cr e a c h e so nt h e 鲥n d i i l gb e h a v i o ra n d r e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so f n a n o - p a r t i c l e 、t h ep h y s i c a lc h e m i s t r ye f f e c to f t h ea b r a s i v eo nt h em a t e r i a lo ft h em a g n e t i ch e a d 、t h es h a p i n ga n d r e f o r m i n gr u l e so fas u r f a c ea n dt h ef o r m i n gm o d eo ft h ef l a w , m a k e a f u l l - s c a l ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no nt h ec u r r e n t 鲥n d i n gp r o c e s sa n d t e c h n o l o g y t h u sw ec a nl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf l a w l e s sn a n o m e t e r s m o o t hs u r f a c e si nt h ef u t u r e t h em a i nc o n t e n ta n di n n o v a t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 a p p l y i n gf r a c t u r em e c h a n i c so fs u b s t r a t eo f t h em a g n e t i ch e a d , w eh a ds t u d i e dt h er e m o v i n gf e a t u r ea n dd i s p l a y e dt h em e c h a n i c so f m a t e r i a lr e m o v a l ：f r a c t u r e 、d u c t i l er e g i m er e m o v a la n dt h es u bc r i t i c a l f r a c t u r e w ea l s od e d u c et h ee r i t i c a ls t r e s sa n dc r i t i c a lc u a i n gd e p t ho f t h ef r a c t u r e 2 c o m p a r i n gw i t ht w o b o d yg r i n d i n g , w e h a dp r e s e n t e da n a n a l y t i c a lw e a rr a t em o d e lf o rt h et h r e e - b o d yp o l i s h i n go ft h em a g n e t i c h e a db ya p p l y i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r y , a n dp r o v e dt ob ec a p a c i b l e f o r t h ep r a t i c eb yc a r r y i n go u tw e a l r a t ee x p e r i m e n t n 中南大学硕士学位论文 3 b yc a r r y i n go u ta ne x p e r i m e n to nl a p p i n gt h em a g n e t i ch e a d w i t hd i f f e r e n ta b r a s i v es i z e ，w eh a df o u n dt h er e l a t i o nb e t w e e n g e n e r a t i o no ft h ef l a wo rt h ep 豫a n dt h ea b r a s i v es i z e a n dt h e r o u g h n e s so f t h es u r f a c eo nt h em a g n e t i ci n c r e a s ew i t ht h ea b r a s i v es i z e 4 t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s w e df o u n das e t o fo p t i m a la b r a s i v es i z ef o rt h em a g n e t i ch e a dp o l i s h i n g ，w h i c hh a sa h i g h e rw e a l r a t ea n dm a k e ss m o o t h e rs u r f a c e k e y w o r d s m a g n e t i ch e a d ，n a n o - d i a m o n d ，s u r f a c er o u g h r l e s s ， l a p p i n g 1 1 1 中南大学硕七学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着计算机技术的发展，对磁记录系统的记录密度、存储容量要求变得越 来越高。提高磁存储密度的途径有：发展w i n c h e s t e r 技术、改进磁头、提高磁 头定位精度，降低磁头磁盘之间的间隙、提高磁道密度和改进磁记录方式等。 其中，在各种方法里，磁头磁盘之间磁间隙的降低是磁记录密度不断发展的重 要因素“。 图卜l 磁头飞行高度与磁间隙。 在近年来硬盘数据存储面密度的爆炸性增长中，记录的磁信号线宽己达纳 米尺度，这就要求磁头飞行高度降低至l o n m 以下，才能实现其写入和读出，图 卜l 所示为磁头飞行高度与磁场间隙示意图。而且，磁头磁盘间隙的降低势必 使磁记录从近接触读写向准接触读写乃至直接接触读写方向发展，从而带来磁 头磁盘界面的摩擦、磨损、润滑等一系列问题。特别是对于计算机磁头，它是 一个复杂的三维纳米构造而成的高技术集成，所有的读写功能都在从基层到边 缘3 5 m 宽的面积内完成 还特别需要指出，上述磁头在硬碟表面高速飞行的高度。净空间”之说仅 为理想值，还没有考虑磁头磁盘两个表面的粗糙度。实际上，这一飞行高度对 磁头硬碟两个表面的机械抛光精度提出了极为苛刻的要求：表面粗糙度不超过 0 5 n m 。如果考虑到读写传感器结构中包括了极其精密分布的铁镍等软磁、钻铬 等硬磁金属材料，以及作为纳米导线的非常软的金，还有超硬衬底和绝缘层材 中南大学硕士学位论文第一章绪论 料碳化钛和氧化铝。不难想象，在这样复杂的复合材料精密器件表面上，要实 现各种材料的均匀抛光，来获得纳米级精度表面，是何等的困难【2 1 。 面对下一代计算机硬盘磁头加工日益增长的需求，现有的加工技术已经很 难满足这方面的要求，必须对现在的加工技术进行改善或应用更为先进的纳米 加工技术。因此，本文针对磁头、硬盘加工过程中纳米粒子行为，物理化学作 用、材料微观去除机理、加工变形规律、平整化原理、表面损伤和缺陷产生原 理、表面颗粒和杂质污染机理等科学问题展开基础研究，进而实现关键技术的 突破，取得源头创新成果，为计算机硬盘磁头的制造提供技术支持。 1 1 1 硬盘磁头3 a t 的研究现状 从6 0 年代开始，国外各个生产厂家都在致力于磁头表面的精密加工。1 9 5 7 年，i b m3 5 0 磁盘机将磁头的浮动间隙定为2 0 u m ，1 9 7 3 年i b m3 3 7 0 磁盘机的 磁头浮动间隙就已经减小到0 3 3 u m ，而且近年来还在不断地减小，浮动间隙为 亚微米级，而磁盘的润滑层之厚度仅为几个纳米甚至更小，薄膜磁头的垂直作 用力约为1 0 n 量级。在这种微负荷作用下，滑动表面的磨损起因主要是两相 对运动表面之间的相互作用，以及表面的物理和化学性质，而不再是负荷【3 1 。 因此，磁头表面的硬度、抗磨抗腐蚀性能、残余应力状况以及其表面粗糙度直 接决定磁头运行状况，任何一个颗粒或表面的一个突峰都有可能使整个磁头失 效，甚至报废 4 1 。 为实现低损耗，高精度的磁头表面。国内外很多机构和学者都开展了磁记 录纳米摩擦学的研究。大型计算机公司如i b m 公司和硬磁盘厂家，如昆腾 ( q u a n t u m ) 、希捷( s e a g a t e ) 和迈拓( m a x t o r ) 也成立了相应机构，对磁记录摩擦 学展开了深入的研究。 在我国，上海大学应用数学和力学研究所研究了油基金刚石悬浮液用作磁 头抛光材料的抛光性能，得到的表面粗糙度最高为0 2 r i m 。该实验证明了纳米 金刚石是一种理想的抛光材料，用于超高精度表面加工，其表面抛光质量要明 显优于单用国外同类金刚石悬浮液抛光磁头的质量，纳米颗粒的作用十分明显， 证实了纳米材料可用于超精抛光材料【5 1 。高宏刚等人用实验介绍和分析了浮法 抛光表面加工技术，说明运用浮法抛光能得到比一般抛光方法更平整、形状精 度很好的表面【6 l 。韩荣久、张云等人把抛光液冷冻成低温抛光模层，并对单晶 硅片做抛光实验，获得了粗糙度为l n m 的超精表面 7 1 ，而且该方法可以达到固 着磨料抛光和散粒磨料抛光的两种效果，提高了抛光效率嗍。 2 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 在日本，浮法抛光技术广泛应用于磁记录系统的加工领域，尤其是用于计 算机磁头生产，每年有2 5 0 0 万个磁头就是采用这项技术制造的【9 】。近年来，德 国也在研究类似抛光技术。u l m 大学的欧威( o w e i s ) 研究表明，对白宝石材料 的0 7 m m 的工件进行抛光，3 0 分钟后达到表面粗糙度小于0 0 5 r i m 的结裂1 0 1 。 将浮法抛光样品与普通抛光样品比较可以发现浮法抛光有许多优点。普通 抛光使用硬度大于工件的磨料，也可以获得所谓超光滑表面的粗糙度指标，但 对磨盘的平面度的修正很有讲究，这影响到被抛光工件的面形。普通抛光后的 工件，其边缘几何尺寸总不太好，经常有塌边或翘边现象；并且在高倍显微镜 下可以看到表面有塑性畸变层。应用浮法抛光技术获得的超光滑表面，不仅具 有较好的表面粗糙度和边缘几何形状，而且抛光晶体面有理想完好的晶格，亚 表面没有破坏层，并且由抛光引起的表面残余应力极小。因此，浮法抛光已经 成为磁头加工中普遍采用的重要技术之一1 1 l 。 1 1 2 磁头材料的使用现状 现代计算机产业的迅速发展，要求硬盘驱动器小型化，高记录密度。4 0 年 来，硬盘面记录密度迅速提高，1 9 9 0 年达到l g b i n 2 ，1 9 9 6 年达到5 g b i n 2 ， 到2 0 0 4 年则达到4 0 6 b i n 2 ，到2 0 1 0 年将向1 0 0 g b i n 2 发起挑战【1 2 1 这么高的面密度，对磁记录介质的要求为：矫顽力士l * 2 4 0 k a m ，矩形比 sm o 9 ，很细的晶粒( 约1 0 n m ) ，极低的噪声能满足这些要求的磁记录介质己 经有了，如c o c r p t c r c o c r p t 多层膜，达到上l = 2 9 6 翩m ，s = o 9 ，晶粒尺寸 8 r i m 。 硬磁盘存储密度的提高主要是采取了以下的措施：采用具有很大矫顽力的 连续磁性薄膜介质，如c o c r p t ，c o c r t a 合金膜；采用薄膜磁头等。其次，需采 用具有更高磁矩的写头和自旋阀磁电阻的读头。后者的一典型材料为，n i f e c u n i f e f e m n 的多层结构。在这一结构中，f e m n 和近邻n i f e 层是反铁磁耦合， 而相邻n i f e 层之间常为弱耦合，最后在合适的外加磁场下，这一多层结构具有 大的磁电阻效应。值得注意的是，近年来在巨磁阻效应和新材料方面研究获得 了非常大的进展，在f e c r 和c o c u 多层膜中发现了室温时的a r r 分别超过 2 5 和7 0 ，其中r 为零磁场时的电阻值，a r 为零场和加场时的电阻差值。然 而，它们显示巨磁阻需外加很大的磁场，分别为2 5 和l o 千奥斯特。所以，它 们在磁阻磁头应用方面受到了限止。而上面叙述的自旋阀磁电阻头的a r r 虽 然相比之下较小，但外加场非常小，通常1 0 - 2 0 奥斯特左右。顺便提一下，磁 中南大学硕士学位论文第一章绪论 性颗粒膜也显示巨磁阻效应。尤其在近年来发现的l a c a _ m n - o 薄膜中，在低温 下具有超巨大的磁阻效应，在7 7 k ，外场为6 0 奥斯特时，a r r - - 9 9 9 0 3 】。 磁头磁极材料要求具有高磁导率、商矫顽力、高饱和磁通密度、低损耗、 高居咀点和耐蚀性好的特性。除此以外，材料的均匀性、加工工艺以及与磁记 录介质相适应等也是极其重要的。 对于接触起停式硬盘，磁头需要从盘片起停区起飞和降落，所以，起动摩 擦力以及起停阶段的磨损对于磁头磁盘界面的稳定具有重要作用。因此，占有 磁头绝大部分体积的基体材料的物理性能就显得非常重要，该部分承受着磁头 起停时候与磁盘之间的摩擦和磨损，同时兼顾着保证磁极层正常工作的重任， 因而其刚度的要求会很严格，如图卜2 所示。 图卜2 磁头与磁盘之间的接触 同时，计算机磁头是用复合材料将磁性材料和非磁性陶瓷粘在一起，使两 种不同的材料组成一个刚性的整体。如果陶瓷与磁性材料的热膨胀系数不同， 则在磁头的加工过程中使磁头破裂，或者在制成品中残留畸变，产生应力，从 而使磁头产生变形或者破碎【1 4 1 。此外，要求陶瓷材料的表观密度达到理论密度 的9 8 以上，气孔率要低，空洞要小，否则在磁头与盘面接触工作时，磁粉被 刮下粘附在空洞上，会刮伤磁头和磁盘。而且，为了要让薄膜均匀地涂在基体 材料上，就要求基体材料的致密性高，硬度大，抗磨损，工程陶瓷就刚好能满 足这个需要。工程陶瓷因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、 导热性能好等优点，在担当磁头基体材料中得到了广泛的应用【1 5 l 。现在在用的 磁头基体材料包括有如下几种工程陶瓷：c a t i 0 3 ，a i t i c 和a 1 2 0 3 等等。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 纳米表面特征检测技术的研究现状 产品的性能和质量由许多因素决定，而零部件的表面粗糙度和形状精度是 重要的因素之一，为此往往对零件提出各种严格要求，最近为了在加工中实现 高精度化与高效率化，更提出了要求纳米、亚纳米表面的检测技术。为解决这 些问题，近年来研究开发了各种非接触测量装置。例如：光触针测量、扫描隧 道显微镜( s c a m n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 、原子力显微镜( a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ，a f m ) 、摩擦力显微镜( f r i c t i o nf o r c em i c r o s c o p e ，f f m ) 和扫描探 计显微镜( s p m ) 等。 原子力显微镜其原理示意图见图卜3 ，当微悬臂探针接近样品时，它首先 受到吸引力，当探针离样品越来越近，样品和探针表面原子的电子轨道开始互 相重叠，并产生排斥，排斥力增长很快，迅速超过吸引力而处于支配地位。原 子力显微镜是靠固定在富有弹性的微悬臂上的金字塔形尖端来感知这个力的。 微悬臂在排斥力作用下会产生偏转，当样品在其下面扫描时，微悬臂的偏转大 小反映了样品表面的形貌。而半导体激光经透镜聚焦后照到悬臂尖端上反射后， 经反射镜后被二象限光强探测器接收，压电陶瓷管固定在底座上，样品放在压 图1 - 3 原子力显微镜示意图 电陶瓷管上面，显微镜内部的反馈装置根据控测器得到的光强变化来控制压电 陶瓷管的正向电压，进而控制之向长度的伸缩，同时扫描发生器控制压电陶瓷 管x y 方向偏转，根据x y 扫描电压和正方向电压变化或微悬臂偏转的大小可以 在显示器上成像。因而，原子力显微镜可以获取纳米级超精表面的粗糙度信息 和表面缺陷形状，形成了一种强大的表面检测工具。 自扫描隧道显微镜( s t m ) 诞生后，各种与s t m 相似原理成像的扫描探针显 中南大学硕士学静论文 第一章绪论 微镜( s p m ) 相继问世，它们的共同特点是突破了传统的光学和电子光学成像原 理，以各种测针和纳米级的间隙扫描样品表面，从而使人类以原子尺度或分子 尺度测量各种物理量成为可能。所谓s p m 是s t m 和a f m ( a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ) f l g , 营, 称。如前所述s p m 的原理是探针与试料间在保持一定的距离 ( f l m 级) 时，通过电流相互发生作用，用传感器在x y 方向扫描即可在屏幕上显 示出按反馈信号强度构成的三维图像。这种方法的特征是具有极高的分辩力， 可迅速的摄取信息和画出三维图像。 扫描探针显微技术的发展与空间精密进给定位以及高精度的控制s p m 的探 针和试料间，间隙的反馈控制器等密切相关。为此，近年来各国学者围绕着提 高扫描精度，在研究高精度伺服控制回路，提高装置的刚性和除振、防音机构 等方面做了大量的研究工作1 1 6 1 。 用它们来测量表面原子尺度的形貌和力学性能，揭示摩擦过程中表面微观 动态行为。这些仪器在微摩擦和粘着机理及其与形貌的相关性、表面微划痕、 磨损与超精加工以及分子膜边界润滑等的研究中，已经发挥巨大的作用f 】”。 1 1 4 纳米金刚石抛光液的研究现状 正是由于磁头表面要求有这么高的表面质量要求，人们都致力于高精度、 无缺陷表面的获得途径探索上其中，应用纳米金刚石改性抛光液来加工磁头 表面成为当前最有效的方法。 要加工以工程陶瓷为基体的磁头。目前试用的各种抛光液，目前所用的抛 光液大都是含有m o s 2 、s i 0 2 、a h 0 3 和c r 2 0 3 等油介质纳米粒子的抛光液因其 硬度都小于或接近工程陶瓷，所以无法对其进行有效的研磨和难以获得高精度 表面，惟有纳米金刚石抛光液不受该限制。因为，金刚石硬度在所有材料中最 大，不易破碎，其化学稳定性也很高，几乎可以用于加工所有其他的材料，包 括工程陶瓷材料。纳米金刚石它不但具有了金刚石弹性模量大，稳定性好等特 性，同时具有了纳米颗粒的所固有的一些性质：表面( 界面) 效应、小尺寸效应 等1 1 刖。要研究磁头表面的加工，就要先了解作为加工的工具：纳米金刚石和其 纳米金刚石抛光液的配制。 纳米金刚石主要由纳米晶粒和纳米晶界两部分组成。纳米晶粒内部的微观 结构与传统的晶体结构基本一致，只是由于每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶 格点阵必然发生一定程度的弹性变形，尽管每个晶粒都非常小，但与传统粗晶 材料类似，其内部同样会存在着各种点阵缺陷，如点缺陷、位错、孪晶界等【1 9 1 。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 纳米会刚石的晶粒尺寸极小而均匀，且晶粒表面清洁对于力学性质的提高 都是有利的，因此纳米材料的力学性质与常规的大晶体材料相比有许多优点。 目前，关于纳米材料的力学性质研究，已经涉及硬度、断裂韧性、压缩等方面： ( 1 ) 弹性模量的物理本质表征着原子间结合力，研究认为纳米晶体材料的 弹性模量明显低于相应的粗晶材料。 ( 2 ) 普通多晶体材料中的位错理论已经成熟并由实验所验证。晶体的塑性 变形一般是通过晶格位错移动或扩散蠕变而发生的。当晶格位错固定不动时， 材料在低温下就易发生脆断。许多常规陶瓷材料即属这种情况。在纳米晶体中， 位错不再被约束在纳米晶体内部，一旦产生就迅速地扩散到晶界上，这是与普 通多晶体不同的地方。 纳米材料的特殊结构使它具有宏观物体所不具有的四大效应：表面( 界面) 效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所 不具备的物理化学特性。 ( 1 ) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质 变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米 颗粒而言，尺寸变小，导致周期性边界条件被破坏，同时其比表面积亦显著增 加，从而产生一系列新奇的性质。 ( 2 ) 表面( 界面) 效应：所谓表面效应是由于球形颗粒的表面积与直径的平方 成正比；其体积与直径的立方成正比，故其比表面积( 表面积体积) 与直径成反 比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加。这么高的比表面积使处 于表面( 界面) 的原子数越来越多，原子配位不足，同时表面能及界面结合能迅 速增加，从而使这些表面( 界面) 原于具有高的活性极不稳定，这些表面原子一 遇到其它原子很快结合使其稳定化。而且，界面上的原子排列是相当混乱的， 原子在外力变形的条件下很容易迁移，由此表现出很好的韧性与一定的延展性， 使材料具有新奇的界面效应。 纳米金刚石在晶粒尺寸小到纳米量级时，表面积结构体积迅速增大。当晶 体尺寸为4 r i m 时表面结构体积达到5 2 ，也就是说5 0 以上的原子处于表面结 构之中，这些原子一般都带有悬键，且周围晶场也与常规大块金刚石碳原子周 围的周期性晶场不同，因而具有较大的化学活性。正是由于纳米粒子比表面大， 比表面能高，处于热力学不稳，使得纳米金刚石的表面结合能比原来的大大增 加，容易发生团聚，从而造成了配置抛光液的困难。由于计算机磁头加工的特 殊要求，抛光介质必须选择油类。而纳米金刚石在油类介质中很难分散的，因 7 2 l 中南大学硕十学何论文 第一章绪论 此，纳米金刚石在油中的分散技术是制备抛光液的关键技术。 正由于纳米粒子的强大活性能，团聚后的纳米颗粒容易对磁头表面造成划 伤，表面划痕不易去掉，且有镶嵌的金刚石颗粒，形成缺陷。于是，热衷于制 造纳米金刚石悬浮液的分散技术遍布全球，研究员都祈求通过减小抛光液中的 纳米粒子的粒度来减轻其在加工时对磁头表面造成的损伤，新一代的抛光液分 散技术也逐渐被采用。 在国内，许向阳等用r d c - 2 5 s 这种含有羧基极性基的表面活性剂和非离子 型高分子表面活性剂r g n - i o 组合，对纳米金刚石进行表面改性，所得分散体 系的粒度在3 0 n m 左右1 2 0 ! 。胡志孟等人用聚氧乙烯型非离子表面活性剂可有效分 散粒度为5 r i m 左右的金刚石于油介质中，由此制得了纳米金刚石抛光液分散降 低计算机磁头表面粗糙度5 0 以上【4 】。高宏刚，王建明用i j f d 配制的抛光液能加 工出粗糙度小于r a 0 5 r i m 的晶体表面，其抛光液中纳米粒子粒度只有2 4 r i m 之 大【2 ”。 但是，正随着抛光液粒子粒度的逐步下降，磁头加工效率也随之逐步下降， 且其所造成的极尖沉降( 读写部分低于基体材料的那部分) 也有所增大，影响了 磁头的读写性能。为获得较好的读写能力的磁头，企业用各种方法来减少极尖 沉降的形成，从而引起了磁头高昂的加工成本。而且，研究该方面的文章目前 在国内仍然很缺乏，为此，本文通过研究不同抛光液粒子粒度对磁头加工效率、 表面粗糙度以及磁头极尖沉降的影响，预期找出一个边界粒度，以此粒度加工 的磁头具有较小的极尖沉降和表面粗糙度，而且能保持一定高效的加工效率。 1 2 课题来源及研究意义 1 2 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重大项目，先进电子制造技术“超精抛光 中纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”( 课题编号：5 0 3 9 0 0 6 2 ) 中的子 课题的目标是针对磁头表面的纳米研抛特点及影响因素进行深入研究， 米加工中磁头与表面损伤和缺陷产生机制，在此基础上采用确定量研抛 超光滑抛光工艺对磁头进行加工，使其表面形状精度、表面粗糙度进一 提高，同时大幅提高加工效率，为以后加工出无损伤磁头表面提供理论 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 2 研究意义 在电子产品制造行业里，随着产品性能的不断提高，加工精度和表面质量 的要求也愈来愈高。在计算机硬盘中，磁头磁盘的表面粗糙度、波纹度和纳米 划痕不仅影响磁头的飞行稳定性，而且影响表面的抗腐蚀性。因此，高精度超 光滑无缺陷的表面成为高技术产品追求的目标。下一代磁头要求表面粗糙度助 - 0 2 n m ，磁盘要求表面划痕小于l 珊，粗糙度小于0 1 n m 。然而，当表面粗糙 度达到埃量级时，任何非均匀为流动和物理化学作用的不匹配都可能导致较大 的表面波动，任何一个微小硬质颗粒就可能造成较大的划痕从而导致大量的废 品。因此，该方面的研究无论在技术上还是理论上都是国际公认的难题。特别 是对于计算机磁头，它是一个复杂的三维纳米构造而成高技术集成。所有的读 写功能都在从基层到边缘3 5 l j i n 宽的面积内完成。磁头一般由7 到9 层不同的 材料组成，每一层的厚度只有几个到几十纳米，要保证均匀研磨是非常困难。 同时，现有的磁头加工方法成本高昂，效率低下，增加了产品的成本，不 利于企业的发展。因此，必须针对磁头加工过程中纳米粒子行为，物理化学作 用、材料微观去除机理、加工变形规律、平整化原理、表面损伤和缺陷产生原 理、表面颗粒和杂质污染机理等科学问题开展研究，进而实现研抛技术的突破， 去得源头创新成果，为计算机硬盘磁头的制造提供理论支持。 1 3 研究内容 本论文以e n g i n s 公司的超精密平面研磨机为平台，对计算机磁头研抛过程 中的去除特点及影响因素进行研究，并通过实验分析了加工参数对表面粗糙度 的影响；应用扫描电子显微镜( s e m ) 和原子力显微镜( a f m ) 检测已加工表面， 解析了工艺参数对磁头缺陷形成的影响。全文的结构安排如下： 第一章介绍了纳米金刚石的应用现状及其良好的抛光性质，说明了计算机 磁头材料的使用现状，论述了纳米金刚石的物理性质和纳米效应，述说了课题 研究的背景与意义。 第二章基于脆性材料的压痕断裂力学理论，分析了磁头在平面研抛过程中 的物质去除方式和转变方式，解析了粗磨和精磨时材料去除方式的不同，并推 导了磁头材料脆性塑性机理转变的临界条件，计算了磁头基体材料的塑性去除 临界深度。 9 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 第三章通过三体研抛与二体磨削特性的比较，利用材料塑性变形原理，对 磁头加工建立了三体研抛材料去除模型和多组元表面的材料去除模型，并解析 了磁头极尖沉降的形成规律。 第四章通过实验，通过实验，研究了研抛液粒度对磁头表面粗糙度的影响， 揭示了磁头表面缺陷的形成与其的关系；发现了研抛液粒度、压力对材料去除 率影响，解析了研抛液粒度与极尖沉降之间的规律。验证了三体研抛材料去除 模型的正确性。 第五章为结论与展望，对本文的主要研究结论和成果进行了总结，指出有 待解决的问题，并展望了下一步的研究工作。 1i；_，!-，j，；1；1；，i i，j r，!】 中南大学硕士学位论文第二章纳米金刚石加r 磁头的超精研抛理论 第二章纳米金刚石加工磁头的超精研抛理论 在常规加工技术中，能够获得最低表面粗糙度的方法是光学抛光。研磨、 抛光属于自由磨粒加工范畴，也是最常用的制造光滑镜面的技术。面对磁头表 面的高精度、高表面质量的要求和磁头材料的多样性、多层性、难加工性，浮 法抛光加工技术是目前最常用的磁头加工方法。利用该方法，可以用精度比较 低加工设备来加工出高精度的工件阎。 磁头抛光的目的是要获得超精平面，让后序加涂的抗磨损耐腐蚀膜更平整， 从而减少磁头的飞行高度。对超精密研抛机理的研究有助于明确超精密磨削工 艺对机床、关键工艺，工件材料和环境等因素的具体要求，是进一步改善和提 高超精密研抛质量的前提和理论基础。本章将从微观角度研究表面的材料剥离 和切屑的形成，揭示加工过程中表面相互作用、物理化学变化以及去除机理。 2 1 超精研抛加工 超精研抛加工技术是历史最久而又不断发展的n i 方法。在加工中研磨剂、 研磨液、抛光剂中的各种磨粒、微粉或超微粉呈游离状态( 自由状态) ，它的切 削是由游离分散的磨粒作自由滑动、滚动和冲击来完成的，通过切除极薄的材 料层来降低工件表面粗糙度值，从而获得超光滑表面阿。 2 1 1 超精研抛加工的特性 超精研抛加工是一种具有均匀复杂轨迹的光整加工方法。它利用研磨剂中 悬浮的磨粒，在一定刚性的软质研具上，通过研具向磨粒施加一定压力，磨粒 作滚动与滑动，从被研磨工件上去除极薄的余量，以提高工件的精度和降低表 面粗糙度值的加工方法。超精研抛加工具有如下特点四l ： 磨粒及研磨荆可在工件与研具之间不停地旋转及相对滑动，形成对工件 的切削运动。 去除量小，加工效率低，有利于进行高精度加工。 适应性好。能加工金属材料、非金属材料等固体材料。 研抛时，研磨剂混杂着磨粒及切屑，对研磨剂的控制较为复杂。 中南大学硕士学位论文第二章纳米金刚石加= 磁头的超精研抛理论 基于超精研抛的这些特点，对磁头的多层材料的超精加工成为可能，而且 容易得到较好的表面粗糙度值和高质量的表面。 按磨粒的不同作用，超精研抛可分为四个阶段，见图2 - 1 ： ( 1 ) 自由研抛阶段。加工面是经过处理的材料，组织有良好的修整刚性， 微观结构为凹凸状，能浸含和携带大量游离磨粒一起运动。加工时加工面自由 推挤加工液及游离磨粒。一些游离磨粒钻到加工端面空隙中，起摩擦切削作用； 一些游离磨粒在加工面和工件之间滑动和滚动。对工件材料切除量不大。 ( 2 ) 镶嵌研抛阶段。随着加工的进行，镶嵌到加工面孔隙中的磨粒增多，游 离磨粒同时也在破碎，但主要趋势是磨粒被镶嵌而处于半固定状态。回转的磨 盘在旋转运动中带着磨粒撞击和摩擦工件被加工面，进行有效的切削，材料去 除率增大。 a ) 自由研抛阶段b ) 镶嵌研抛阶段 c ) 饱和钝化研抛阶段d ) 。壳膜化研抛阶段 图2 - 1 研抛的四个阶段 ( 3 ) 饱和钝化研抛阶段。磨粒嵌入增多，逐渐趋向饱和，由于不断受到挤压 和冲击而被压实，“填平”加工面，呈半固结状态，是加工面硬度进一步提高。 在研抛运动中，加工面带着无数镶嵌磨粒和自由磨粒在工件被加工表面上强烈 地滑动和滚动，使其光滑。同时，加工面在研抛中也被修整，变得平整光滑， 使切削能力下降。 ( 4 ) “壳膜化”研抛阶段。加工端面进一步被更微小磨粒“填平”，逐渐形 中南大学硕十学位论文第二章纳米金刚石加工磁头的超精研抛理论 成一层被称为。壳膜化”的极其致密、已饱和钝化但仍具有不少极小孔隙的硬 壳层。其表面光滑明亮，呈深褐色或黑色暗光镜面，他具有极高的使工件被加 工表面快速形成高质量镜面的能力。 在这四个阶段中，第二阶段、第三阶段的去除效率是最高的，而且磨粒运 动也在这两个阶段趋于稳定，所加工出来的表面质量比较稳定。第四阶段是最 容易形成表面加工硬化和表面残余应力的时间阶段，为了使表面有着较高的质 量和避免缺陷的发生，一般要从时间上控制第四阶段的出现。 2 1 2 超精研抛加工的机理 通常抛光对工件表面的去除被认为是机械切削的延续。抛光过程中，磨料 微粒嵌人弹性磨盘中，象无数微小的车刀切削工件表面，极少量地去除材料 2 5 1 这种情况下，磨料微粒与工件的接触点之间的压强应很小，否则会在工件表面 形成划痕。一般光滑表面主要是磨料对工件切削作用的结果，因为通常的抛光 使用较硬的材料作磨料，并且在高倍显微镜下可以发现抛光表面有无数的划痕， 如图2 - 2 所示。 a ) 塑性材料表面划痕x2 0 0 0 0b ) 胞i 生材料表面划痕x2 0 0 0 0 图2 - 2 表面划痕 浮法抛光属于非接触抛光，抛光液中处于悬浮状态的微细磨粒以一定的速 度对加工表面进行反复碰撞并有微切削作用，故能得到极小的表面粗糙度和较 高的面型精度。工件与磨盘的相对旋转，抛光液运动产生的动压力，使工件与 磨盘之间有数微米厚的液膜，磨料微粒在这层液膜中运动，一部分在工件表面 上滚动，工件表面原子在磨料微粒的冲击作用下脱离工件主体，从而被去除； 一部分被嵌入较软的磨盘中的孔隙中，形成微小切削刃来切削表面，这部分一 般只占磨粒去除率的1 0 2 6 1 。 中南大学硕士学位论文第二章纳米金刚石加r 磁头的超精研抛理论 应用浮抛法研抛塑性材料时，磨粒在工件和磨盘之阳j 滚动，并受到磨盘施 加的一定压力作用，工件表面受到弹性、塑性变形，工件表面上微小凸起部位 受到微小刻痕和擦痕，形成切屑生成，工件表面产生加工变质层，加工硬化， 且极易产生残余应力。在加工硬脆材料时，磨粒向工件表面交错的进行切削和 划擦，产生微小裂纹，生成微小碎片切屑。在工件表面产生变质层是从工件表 面向内的微小裂纹，裂纹的终端是塑性领域，接着进入弹性领埘2 “。 在实施研抛时，为保证工件表面上均匀地被切削，获得良好的加工质量， 要求工件相对磨盘平面作平行运动，保证工件表面上各点研抛行程一样；工件 的运动应遍及整个磨盘表面，以利于磨盘的均匀研磨；研抛运动应尽量平衡，。 且工件上任一点的运动轨迹应尽量不出现周期性的重复。 2 1 3 超精研抛加工的去除类型 超精研抛加工中材料是由研磨液中的粒子通过微小切削、冲击和滚压来实 现材料的去除的，这种方式与三体材料磨损机理是非常相像的。在磨损领域中， 按动力学过程的特点来区分磨损类型：如滑动磨损、滚动磨损等等。在不同类 型磨损中，磨损副的界面上可能存在多种作用机制。目前，磨损机制按材料的 脱离方式可分为：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、 微动磨损和冲击磨损。若按力的作用方式来分又可以把表面损伤原理分为三大 类：即表面的机械损伤作用、表面物理损伤作用、表面化学反应作用j 。 图2 - 3 磁头抛光的三体摩擦体系 对于用金刚石抛光磁头该过程中，磁头表面、纳米金刚石颗粒、研磨盘衷 面三者之间形成了一个三体摩擦体系，如图2 3 所示。在用纳米金刚石加工磁 头表面时，纳米金刚石与磁头表面之间形成的配对偶产生相对运动时，即硬的 磨粒( 颗粒) 或硬的凸出物在摩擦表面相互接触运动过程中，就发生磨粒磨削作 1 4 中南大学硕十学付论文 第二章纳米金刚石加工磁头的超精研抛理论 用。它包括硬的粗糙面上硬的微凸体对相对较软的摩擦配对偶表面的划伤和材 料的工作表面受硬质颗粒的压入和摩擦所造成的材料损失。 由于磁头材料为多层材料的复合机构体，当用纳米金刚石抛光液加工磁头 表面时，磁头表面就可能出现多种不同的情况：对基体材料为工程陶瓷脆性材 料来说，可能是以脆性断裂的方式被去除；而对一些金属材料和合金材料来说， 其良好的加工塑性决定了它只能以塑性方式被去除。按照这个原则，可以把加 工磁头材料中的磨粒损伤机制再细分为：微观切削作用、显微塑性变形作用、 微观脆性断裂和摩擦化学反应。 三体磨粒作用效果与磨粒的运动状态有关，滑动的磨粒很可能造成切削材 料，而滚动的磨粒则主要引起材料的显微塑变。为了更清晰地理解磁头加工中 材料的去除及其形貌的形成原理，把磨削中的材料去除机理分为三种：塑性变 形去除、断裂去除和塑脆混合去除。通过分析每个机理的作用方式和条件，达 到控制去除方式来加工出高精度无缺陷的表面。 2 2 磁头材料的去除理论 磁头基体材料一般占有整个磁头接触表面的绝大部分，其材料一般为工程 陶瓷。陶瓷类硬脆材料加工机理与金属材料加工机理有着显著的差别，硬脆材 料的硬度高、脆性大，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料的相比有 很大差异，一般硬脆材料用断裂韧性和断裂强度表征材料属性。在硬脆材料的 普通加工过程中，材料以断裂方式去除为主，其加工机理研究工作都是建立在 断裂力学基础上；在硬脆材料的超精密机械加工过程中，材料以塑性方式去除 为主，材料的去除机理将从微观角度来分析研究。 脆性材料的定义一般有两种方法，一种方法是根据材料的拉伸断裂强度和 屈服强度的比值来判别的。当材料的拉伸断裂强度盯，小于剪切屈服强度盯，的 两倍时，认为材料是脆性的；而当材料的拉伸断裂强度仃，大于剪切屈服强度c r i 的两倍时，则认为材料是塑性的。对磁头材料中的磁性层材料来说，它们的拉 伸断裂强度都大于其剪切屈服强度，运用纳米金刚石对其进行加工时，都能实 现塑性去除。而磁头的基体材料的拉伸断裂强度却远远小于其剪切屈服强度， 材料的塑性变形能力很差。 另一种定义方法是用材料的拉伸断裂强度盯，和维氏硬度日，的比值h 判别 的【2 9 】： 中南大学硕士学位论文第二章纳米金刚石加- r 磁头的超精研抛理论 2 芒( 2 - 1 ) 日。 当上式中h 的值大于l 时，认为材料是塑性的：小于1 时为脆性的。而材 料的维氏硬度也是表明材料是否易于产生塑性变形的指标，材料的维氏硬度越 大，越不容易产生塑性变形；材料的维氏硬度越小，越容易产生塑性变形。因 此从脆性材料的定义可以看出，脆性材料实质上是一个宏观上的相对概念。任 何材料都应该包含塑性和脆性两个方面，只是在不同条件下表现出不同的特性。 而工程陶瓷脆性材料的特点就是断裂强度和屈服强度比较接近，在一定的应力 状态下，在产生塑性变形之前极易产生脆性断裂破坏。而在达到这个应力之前， 工程陶瓷材料是以一个塑性变形的方式被加工的。由此可知，对工程陶瓷材料 进行塑性加工是可行的。 2 2 1 磁头材料的压痕断裂力学理论 要想获得磁头脆性材料的迥性加工，就必须先对脆性材料的断裂特性和韧 性作分析，并以此