金剛石釬焊(上)①

Michacl sang,Jam es C.Sung

1 工具胎體中的金剛石的粘結(jié)

金剛石是已知最硬的材料,但它也是最具惰性的物質(zhì)。由于其活性較低,金剛石磨料可順利高效切割其他各種材料。但是,眾所周知,金剛石也難于固著在工具胎體中,所以,金剛石從胎體中脫落曾是工具壽命受到制約與限制的最主要的原因。用于粘結(jié)金剛石磨料的三種類型的材料中,樹脂結(jié)合劑太弱,不能牢固把持住金剛石;陶瓷結(jié)合劑太脆,不能承受沖擊。從另一方面而言,金屬結(jié)合劑可把持住金剛石使之不易變形與脫落。但是,由于僅為機(jī)械把持,金剛石磨料必然在胎體中固結(jié)很深。因而,金剛石磨料用于切割的突出高度受到限制。結(jié)果,切割速度低。

金屬磨擦工作對(duì)象(巖石)將產(chǎn)生很大的熱量,將使兩種材料都受到損害。

對(duì)于單層金剛石工具,常用工藝是電鍍鎳把持金剛石磨料。由于金剛石具有絕緣特性,鎳層在金剛石周圍形成凹地形貌,如圖1。故對(duì)金剛石的把持力很小,結(jié)果,金剛石磨料常常脫落而在工具表面形成洞穴。

圖1 電鍍鎳在每顆金剛石周圍形成凹形形貌

從1975年開始,磨料工業(yè)推出單層釬焊金剛石工具,釬焊可在界面形成碳化物的化學(xué)連接(圖2),使金剛石和金屬形成無縫隙連接。由于此強(qiáng)力接合,金剛石晶體可凸出很高,而具有高效切割能力。由于工具與工作對(duì)象(巖石)之間磨擦接觸減小,故工作時(shí)功率消耗下降。

圖2 釬焊金剛石磨料的成簇密集傾向使釬焊層局部增厚

注意:由于浸潤(rùn)層急驟爬升,并且太薄,故金剛石在釬焊中把持不牢固。

雖然釬焊的化學(xué)連接很牢固,但其釬焊層通常很薄,因此金剛石可能自基體與附著釬焊層一同碎裂脫落(圖3)。

圖3 在金剛石磨料急劇切割作用下釬焊層自基體碎裂脫落

2 金剛石矩陣排列與厚實(shí)支承的釬焊

在釬焊過程中為防止金剛石磨料的成簇聚集,金剛石磨料必須按預(yù)定的模式排列,1997年作者在世界上首次研制推出金剛石釬焊“鉆石陣”(g rid)排列金剛石產(chǎn)品。這類產(chǎn)品包括:繩鋸串珠,成型磨輪和其他產(chǎn)品,于1998年在意大利維羅拉展會(huì)上筆者展示了這類工具(圖4)。

金剛石釬焊的特色是在每一顆金剛石周圍釬焊形貌具有厚實(shí)的支承。而且還有化學(xué)連接,并且在每一顆金剛石周圍用機(jī)械支承使金剛石連接進(jìn)一步強(qiáng)化,反之,電鍍鎳和燒結(jié)合金不可能形成這種厚實(shí)支承的形貌(圖5上)。

燒結(jié)金剛石具有平坦的形貌,同樣也易使金剛石脫落(圖5下),強(qiáng)力固結(jié)的金剛石(釬焊),具有厚實(shí)支承的形貌,將不使任何金剛石脫落(圖6)。

圖4 各種不同釬焊金剛石“鉆石陣”排列金剛石工具

圖5 電鍍金剛石具有凹面形貌,不能牢固把持住金剛石(上圖左)

與普通金剛石工具使用時(shí)金剛石脫落的不可避免相反,采用“鉆石陣”排列的釬焊金剛石工具不可能發(fā)生金剛石脫落,雖然,若沖擊力過大,金剛石可能被擊碎脫落。由于在界面上形成碳化物和釬焊斜坡,其結(jié)合強(qiáng)度特別大,“鉆石陣”排列的釬焊金剛石和電鍍金剛石工具相比其切割速度會(huì)成倍提高,其工具壽命也可成倍延長(zhǎng)。

圖6 由釬焊厚實(shí)支承的粘結(jié),金剛石的碎裂,在胎體中會(huì)留下殘余部分,故其金剛石脫落是不可能的。

3 加工半導(dǎo)體用金剛石拋光墊修整器

金剛石拋光墊修整器是價(jià)值最昂貴的金剛石磨料工具,一個(gè)典型的金剛石拋光墊修整器是一個(gè)直徑約100mm的平直的圓盤(即用于材料拋光)。這是將金剛石磨料(金剛石粒度150μm)釬焊在圓盤表面上。這種工具若用于石材磨拋,可能買價(jià)要少于10美元。但是,若用于金剛石拋光墊修整器,則每一件可能價(jià)格高于300美元。拋光墊修整器設(shè)計(jì)用于修整柔性的聚氨脂拋光墊。它是普通金剛石工具通常碰到的一種不是很硬的材料。拋光墊用于拋光非常貴的半導(dǎo)體晶圓,它裝有集成電路(IC)的柔性層,任何一點(diǎn)金剛石碎屑將導(dǎo)致在晶圓上產(chǎn)生災(zāi)難性的擦傷與劃痕,也不容許有任何金剛石的碎裂。這樣,拋光墊修整器用于由于磨損而導(dǎo)致金剛石的損耗。這和常規(guī)金剛石工具相反,普通金剛石工具允許金剛石碎裂成小片,比較鋒利,并允許其脫落以便露出下層金剛石。

圖7 價(jià)值昂貴的金剛石拋光墊修整器(圖左)和價(jià)廉的石材磨輪(圖右)的對(duì)比

兩種產(chǎn)品都含有金剛石磨料,并按預(yù)定模式將金剛石固定(Dia Grid金剛石“鉆石陣”產(chǎn)品)。拋光墊修整器還進(jìn)一步鍍覆一層級(jí)度為亞微米厚的類金剛石碳膜(DLC.Diamond Like Carbon)以防止拋光液的化學(xué)物對(duì)金屬的浸蝕。

拋光墊修整器的金剛石“鉆石陣”設(shè)計(jì)使CM P(化學(xué)機(jī)械拋光平坦化)的修整性能更為穩(wěn)定。自1999年首次推出后,幾乎所有CM P拋光墊修整器所包括的金剛石都是按預(yù)定模式分布的。

4 金剛石的化學(xué)結(jié)合

釬焊合金含有溶劑(即Ni或Cu),它可溶解活性元素(即C或T i),在熔融過程中,活性元素將向金剛石一方遷移,并與金剛石反應(yīng)形成碳化物(如C r3C2或T iC)。這種反應(yīng)展示了合金在金剛石表面的潤(rùn)濕現(xiàn)象。毛細(xì)管作用力通常拉動(dòng)向金剛石表面斜面上爬行。而在界面上,強(qiáng)力的碳化物牢固地以原子對(duì)原子的方式把持住金剛石。

掃描電鏡圖像,顯示在N i溶質(zhì)中,C r,Si溶質(zhì)原子優(yōu)先向金剛石擴(kuò)散并在界面上形成碳化物。注意:在金剛石附近C r與Si的互補(bǔ)特性(圖8)。

當(dāng)采用酸浸蝕的方法,將金剛石自釬焊料中脫出,金剛石表面的化學(xué)反應(yīng)是非常明顯的(圖9)。這種反應(yīng)發(fā)生在金剛石和活性溶質(zhì)元素(C r,Si)之間,并形成碳化物,這種碳化物的形成將構(gòu)成對(duì)金剛石的強(qiáng)力結(jié)合與粘結(jié)。

圖8 釬焊金剛石掃描電鏡照片

圖9 在釬焊過程中金剛石表面的一半和熔融的焊料發(fā)生反應(yīng)

5 結(jié)合強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度的兼顧

雖然化學(xué)結(jié)合非常牢固,但界面反應(yīng)也可能有損金剛石的完整性能,結(jié)果是金剛石的沖擊強(qiáng)度有所降低。為調(diào)節(jié)與控制界面上碳化物的形成,在熔融的焊料潤(rùn)濕以前,可在金剛石上鍍覆一薄薄的(10μm)銅鍍層,結(jié)果表明,由熔融釬料在金剛石周圍形成的固著力進(jìn)一步強(qiáng)化,而不用犧牲其沖擊強(qiáng)度。

圖10顯示的是金剛石和釬料焊接之間界面的結(jié)合強(qiáng)度和鍍覆一薄層銅的過渡中間層獲得金剛石晶體的沖擊強(qiáng)度的優(yōu)化可調(diào)節(jié)與控制碳化物形成的反應(yīng)。在圖中,ABCD是由于活性釬焊粘結(jié)金剛石的結(jié)果。

圖10 鍍銅金剛石釬焊

當(dāng)固結(jié)金剛石的胎體已碎裂,構(gòu)成的界面可控制其破裂的路徑。由于化學(xué)結(jié)合力不夠,裸露的金剛石將會(huì)在界面上使胎體分裂。由于焊接反應(yīng)引起的金剛石晶體弱化,熔融焊料包覆的金剛石將會(huì)破碎。由于薄的銅的過渡中間層的調(diào)節(jié)作用,熔融釬焊料包覆的金剛石將會(huì)撕裂鍍覆層本身的最弱連接帶(圖11)。

圖11 三種不同界面的破壞路徑顯示不同位置的最弱連接帶ABCD顯示活性焊接包覆的金剛石

[1] C.M.Sung,"B razed Beads with a Diamond Grid for Wire Sawing"Industrial Diam on Review,(1998)4/98,134-136.

[2] C.M.Sung,"B razed Diamond Grid:a Revolutionary Design fo r D iam ond Saw s"D iam ond and Related Materials,(1999)Vo l.8,p.1540-1543.

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