研磨方式对单晶蓝宝石亚表面损伤层深度的影响

研磨方式对单晶蓝宝石亚表面损伤层深度的影响

1非均匀性原则研磨蓝莓是介于切割和研磨之间的一个重要过程。它的主要功能是快速去除切割引起的切割痕迹和凹凸，提高加工材料的平整度，改善加工表面的非均匀性。研磨加工残留的亚表面损伤层深度成为制约抛光时间和抛光质量的关键因素亲水性固结磨料研磨是近年来迅速发展起来的一种研磨加工新工艺本文拟采用差动腐蚀法比较游离磨料和固结磨料两种研磨方式下的蓝宝石单晶亚表面损伤层深度,对比了不同粒径下两种加工方式研磨后的工件表面粗糙度和表面形貌,分析研磨方式对亚表面损伤层深度的影响规律,为优化蓝宝石研磨工艺提供理论和实验依据。2实验2.1研磨盘和固结方式研磨实验用蓝宝石为直径50.8mm,厚度0.5mm的c向(0001)切割片。研磨加工实验在智能型纳米级抛光机(Nanopoli-100)上进行。游离方式研磨时采用铸铁研磨盘,研磨液自制,磨料浓度2wt%,适量六偏磷酸钠作分散剂,机械搅拌均匀。固结方式研磨采用课题组自制的亲水性金刚石固结磨料研磨垫,研磨液为去离子水。两种研磨方式中,金刚石的磨料粒径均分别为W50和W14,研磨液均采用乙二胺调节PH值为10.5,其它工艺条件完全相同,见表1。2.2表面粗糙度和表面粗糙度ra和三维表面形貌测量研磨加工后,使用超声波清洗机将蓝宝石晶片清洗干净,采用美国AEPTechnology公司的接触式三维形貌仪(NanoMap500LS)测量工件表面粗糙度Ra和三维表面形貌,其中测量表面粗糙度Ra,扫描长度1500μm,扫描速度100μm/s,采样频率60pts/s,取五次测量结果的平均值作为工件的表面粗糙度;测量三维表面形貌时,扫描范围500μm×500μm,扫描速度150μm/s,采样频率50pts/s。2.3亚表面损伤层深度的计算利用熔融KOH溶液对蓝宝石单晶的腐蚀,在300℃的高温下采用差动腐蚀法测量研磨后蓝宝石单晶的亚表面损伤层深度。差动腐蚀法的原理:工件研磨后表面和亚表面由于受到应力的作用,其晶界和位错结构与亚表面以下的基体结构相比存在差异,从而导致亚表面损伤层和基体的腐蚀速率不同,因此,可以根据公式(1)~(4)推断工件研磨后的亚表面损伤层深度。其中,H为未腐蚀前的蓝宝石厚度,M为未腐蚀前的蓝宝石重量,Δm为在一定腐蚀时间段内的质量损失,Δh为在一定腐蚀时间段内的双面腐蚀深度,Δh/2即为单面腐蚀深度。V为在第n个时间段内的腐蚀速率,t为腐蚀时间间隔,V工件腐蚀前后的重量变化采用德国赛多利斯(SARTORIUS)BS224S(220g/0.1mg)精密天平计量,腐蚀时间间隔为10min。3结果与讨论3.1工件表面形貌图1为不同研磨方式研磨前后工件的表面粗糙度Ra,研磨前工件(B/L)的表面粗糙度Ra为0.64μm。工件经W50的游离磨料粗磨后(L/W50)的表面粗糙度Ra是固结磨料粗磨(F/W50)的2倍左右,而采用W14游离磨料精磨(L/W14)的表面粗糙度Ra和固结磨料精磨(F/W14)大致相当。当采用大粒径磨料研磨时,游离磨料对工件的滚轧作用明显,而固结磨料由于出露金刚石受基体的把持力作用而固定,对工件表面实现微切削。当磨料粒径较小时,基体与出露金刚石的接触面积小,把持力下降,磨料易脱落,从而对工件表面进行滚轧,与游离磨料相似。故采用大粒径磨料研磨蓝宝石单晶时,固结磨料的研磨方式加工后工件的表面远优于游离磨料加工方式,而采用小粒径的磨料加工时,研磨效果比较接近。图2为工件研磨前后表面的三维形貌图。研磨前工件表面切痕较深,扫描范围内的峰谷(PV)值5.605μm,表面较粗糙。经过游离磨料粗研后蓝宝石工件的表面形貌明显改善,PV降到3.824μm,大于固结磨料粗研的2.022μm。游离磨料精研后的PV值为743nm,也高于固结磨料精磨后的651nm。蓝宝石单晶的研磨加工是磨料在一定压力下相对于工件滚动和滑动摩擦的体现。游离磨料依靠磨料在工件和研磨盘之间滚轧,由于铸铁研磨盘本身的弹性模量较大,导致工件的脆性裂纹加剧,表面损伤严重,磨料粒径越大,这一趋势越明显,体现在较大的表面粗糙度和局总PV值。而固结磨料研磨时,由于磨粒被固定在研磨垫上,仅依靠出露的金刚石对工件进行滑擦切削,且基体弹性模量较小,加工时,出现所谓的“让刀”现象,一定程度上减小了磨料对工件的切削深度,体现在加工后工件的表面粗糙度和局部PV值较小。3.2腐蚀时间终点分析图3为游离磨料研磨后工件的腐蚀速度和差动加速度曲线。从图中可以看出,粗磨后,工件在前20min的腐蚀速率小幅上升,在20~30min的腐蚀时间段,工件腐蚀速率大幅上升,腐蚀掉的表面深度较大,在30min之后的腐蚀速度渐趋平缓。精磨后,工件在前30min腐蚀速率逐步上升,40min后腐蚀速率趋于稳定。通过对试件和基体的差动腐蚀速率进行加速度运算,得出试件和基体的差动腐蚀加速度曲线。当试件的差动加速度腐蚀曲线和基体的加速度腐蚀曲线接近时,即可判定试件的腐蚀时间拐点。从图中可以看出粗磨和精磨工件腐蚀到40min后,其差动腐蚀加速度和基体腐蚀加速度曲线基本重合,40min的腐蚀时间可以认为是腐蚀曲线的拐点。故游离磨料粗磨和精磨蓝宝石单晶的亚表面损伤层深度分别为48.85μm和7.02μm。3.3工件表面质量和磨损图4为固结磨料研磨后蓝宝石工件腐蚀的速度和差动加速度曲线图。从图中可以看出,工件粗磨后工件的腐蚀速率在逐步下降,40min以后趋于稳定。而精磨后工件的腐蚀速率在前20min逐步上升,在20min之后逐步下降,30min之后趋于稳定。精磨时,固结磨料研磨垫中磨料粒径越小,出露磨料在研磨垫基体中嵌入的体积较小,磨料易脱落,从而对工件表面进行滚轧,另外,同等深度下,粒度超细,磨粒的数量大幅增加,故工件表面损伤较为严重。在腐蚀初期,表面损伤层快速被腐蚀掉,继续腐蚀时,其速度逐步减小。按照差动腐蚀法的原理,蓝宝石工件固结磨料粗磨和精磨后的腐蚀时间分别在40min和30min时,差动腐蚀加速度和基体基本一致,故可以推断其表面和亚表面损伤层深度分别为5.47μm和3.25μm。3.4工件材料去除在游离磨料研磨过程中,具有棱角的金刚石磨料在均布载荷的作用下,在研磨盘和工件之间滚动(图5),由于铸铁研磨盘硬度较高,磨粒的棱角对工件表面的滚轧效果显著,造成工件表面裂纹较深,亚表面裂纹形成网络造成表面材料的崩落,因此,材料的去除以三体脆性断裂去除为主。部分磨粒因被嵌入研磨盘形成类似固结磨料的形式,磨粒尖端切入工件实现材料去除。游离磨料研磨蓝宝石单晶的材料去除机理是上述两类方式的共存,以三体脆性断裂去除为主,磨料的粒径越大,亚表面损伤层越深。固结磨料研磨过程中,研磨液不含磨料,主要是依靠研磨垫上出露的金刚石颗粒对工件进行微小切削加工,虽然不排除研磨垫上脱落的金刚石颗粒也会对工件表面有一定滚轧作用,但是由于研磨垫基体较软,脱落的金刚石应优先压入研磨垫基体而不是工件表面,金刚石磨粒滚轧作用的影响非常有限。工件材料的去除主要以磨粒的微小切削加工为主。由于固结磨料研磨时,磨料的出露高度有限,加上基体的退让特性,磨粒切入工件的深度较游离磨料方式小许多,所以,不难理解固结磨料加工造成的亚表面损伤层深度远小于游离磨料的加工方式。磨料粒径大的研磨垫研磨时,其磨粒出露的高度较大,切入工件表面的深度较大,其对工件造成的亚表面损伤层也必然较深。4亚表面损伤层深度(1)粗研蓝宝石晶片时,采用固结磨料加工后的工件表面粗糙度明显优于相同粒径游离磨料的研磨加工;精磨时,两种研磨方式加工的表面粗糙度相差不大。(2)