納米金剛石用于光整加工

張書(shū)達(dá), 張文剛, 劉美華

(1.天津乾宇超硬科技股份有限公司;2.天津商業(yè)大學(xué) 300384)

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納米金剛石用于光整加工

張書(shū)達(dá)1, 張文剛1, 劉美華2

(1.天津乾宇超硬科技股份有限公司;2.天津商業(yè)大學(xué) 300384)

文章介紹了金剛石用于光整加工的良好效果，著重闡述納米金剛石用于碳化硅晶體、金屬摩擦副以及發(fā)動(dòng)機(jī)的光整加工，尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的光整加工是其它方法無(wú)法比擬的。

納米金剛石；光整加工；綜述

一般說(shuō)來(lái)光整加工是指以減小工件表面粗糙度為目的的加工方法，但這種加工方法同時(shí)也會(huì)提高表面質(zhì)量。為大幅減少前道工序殘留的劃痕，少量的材料去除是必須的。可以認(rèn)為它包括精密研磨和拋光。光整加工可直接加工出鏡面零件，表面粗糙度Ra達(dá)0.05μm以下。

目前研磨常用裝有細(xì)磨粒、低硬度油石的磨頭，在一定壓力下對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工。常在油石和工件之間注入光磨液，或在高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上涂以磨膏(含有氧化鉻、氧化鐵等磨料)。

隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，表面粗糙度要求越來(lái)越高，并且要求表面性能越來(lái)越好。納米金剛石的推廣應(yīng)用符合這一潮流。為大幅提高功效，人們已經(jīng)越來(lái)越多地使用以金剛石為主的高級(jí)超硬磨料。近幾年來(lái)，我國(guó)的超硬材料產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，金剛石的產(chǎn)量已占世界的八成以上。金剛石的粒度分布精度高且價(jià)格逐漸降低，推廣應(yīng)用能給用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，在對(duì)碳化硅、藍(lán)寶石等硬脆晶體材料光整加工時(shí)，只能用高精度金剛石了。從發(fā)展前景分析，金剛石用于光整加工會(huì)更加廣泛。進(jìn)一步發(fā)展，若使用納米金剛石進(jìn)行光整加工，可使表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)。

1 微米金剛石用于光整加工之精密研磨

研磨拋光液發(fā)展的總趨勢(shì)是：提高拋光速率；降低工件的表面粗糙度；有利環(huán)保；加工后工件便于清洗，減少研磨拋光液對(duì)工件的污染；降低成本等。

以加工硅片為例，拋光步驟通常分為粗拋光、細(xì)拋光、精拋光和最終拋光，拋光速率相應(yīng)由0.8～1.2μm/min逐步降到<0.2μm/min。金剛石研磨液和金剛石拋光液的主要區(qū)分在于金剛石微粉的粒度不同，因而應(yīng)用范圍不同。前者主要由較粗的微粉制作，用于快速研磨；而后者主要由較細(xì)的微粉制作，用于降低工件表面的粗糙度。拋光液是機(jī)械拋光技術(shù)中的關(guān)鍵要素，其性能直接影響拋光后的表面質(zhì)量。 隨著精密加工的迅速發(fā)展，近年來(lái)金剛石拋光液產(chǎn)品發(fā)展很快。與研磨膏相比，由于它能迅速帶走加工過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量及研磨屑，因而更適宜于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 金剛石拋光液與硅溶膠相比，拋光效率能提高幾倍， 而表面粗糙度則顯著降低，因此人們常用它拋光多種難加工的硬脆材料，例 如：SiC,Al2O3,Si,SiO2,CaF2,BeF2,Li3AlO3,Li3GaO3,Tb3GaO12,GeO2,Si3N4,ZrO2等多種晶體及硬盤(pán)磁頭、微晶玻璃等工件。對(duì)金剛石拋光液性能的要求是較嚴(yán)格的，它應(yīng)具有研磨、拋光、浸潤(rùn)、黏附、潤(rùn)滑、冷卻等多種性能。

金剛石的粒度越小工件越硬拋光后工件的粗糙度越小，但加工效率相應(yīng)低。表1列出了金剛石研磨拋光液光整加工硬脆晶體和硬質(zhì)合金的表面粗糙度。由于設(shè)備、工藝、環(huán)境及操作人員的不同，使用同樣的研磨液也會(huì)使Ra值差別較大。為達(dá)到所要的Ra值，表1列出相應(yīng)的金剛石粒度可供參考。拋光液根據(jù)不同的用途亦有油溶性和水溶性之分。油溶性拋光液常用來(lái)加工硬質(zhì)合金、不銹鋼、磨具、刃具等較硬的金屬。水溶性拋光液大多用于加工非金屬硬脆材料，如各種晶體、寶石、陶瓷、玻璃等。

表1 部分金剛石研磨液光整加工硬質(zhì)合金及硬脆晶體可達(dá)到的粗糙度

2 納米金剛石用于光整加工之超精拋光

2.1 光整加工碳化硅和其它晶體

碳化硅晶體是用途極廣的第三代半導(dǎo)體，晶片的主要應(yīng)用領(lǐng)域有LED固體照明和高頻率器件。該材料具有高的禁帶寬度、漂移速度、擊穿電壓、熱導(dǎo)率、耐高溫等優(yōu)良特性，在高溫、高壓、高頻、大功率、光電、抗輻射、微波性等電子應(yīng)用領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。目前已成功制備出3英寸超大寶石級(jí)SiC。碳化硅由于其優(yōu)良的性能而可能取代硅作芯片，將給電子工業(yè)帶來(lái)顛覆性的變革。

可以說(shuō)在所有晶體光整加工中，碳化硅是最難加工的材料之一。它的光整加工只能用金剛石研磨拋光液。某權(quán)威單位對(duì)我們研制的納米金剛石研磨拋光液進(jìn)行測(cè)試：型號(hào)為PDW-100 1μm的金剛石研磨拋光液用于拋光硬度為9.3的晶體，Ra可以從80nm達(dá)到0.91nm，而所用英國(guó)產(chǎn)的拋光機(jī)的出廠指標(biāo)為2.0～3.0nm。圖1給出了光整加工后SiC晶片測(cè)試結(jié)果。型號(hào)為PDW的納米金剛石研磨拋光液pH值呈中性、顆粒分布均勻、懸濁度好、長(zhǎng)時(shí)間存放基本不產(chǎn)生沉淀，拋光質(zhì)量穩(wěn)定，拋光效率遠(yuǎn)高于同類(lèi)國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，拋光時(shí)間較國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品降低50%以上。用W0.1(100nm)的水基金剛石研磨拋光液拋光碳化硅晶體，Ra可以達(dá)到0.1～0.3nm，可替代國(guó)外進(jìn)口的研磨拋光液。

由于1g納米金剛石約含有4×1018個(gè)微粒，比表面積可高達(dá)400m2/g左右,因而它的團(tuán)聚是很難避免的。此外，表面懸空鍵非常多，故其所攜帶的官能團(tuán)亦非常多；并且官能團(tuán)的成分變化很大，即便是同一單位同一工藝不同批次的產(chǎn)品也是如此。只有經(jīng)特殊的表面改性使其呈現(xiàn)穩(wěn)定的超分散狀態(tài)才能使其特長(zhǎng)得到正常發(fā)揮。這也是推廣應(yīng)用納米金剛石的主要瓶頸之一。

納米金剛石已廣泛用于對(duì)其它晶體的加工。劉學(xué)璋等人采用分散好的納米金剛石對(duì)磁盤(pán)微晶玻璃基板進(jìn)行了拋光, 加工出面型良好Ra為0.618nm的亞納米級(jí)表面[1]。周海用粒徑<50μm的金剛石研磨液對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行加工，Ra<0.01μm[2]。工作[3,4]對(duì)納米金剛石拋光的應(yīng)用領(lǐng)域做了綜述介紹。

圖1 1μm金剛石拋光液光整加工SiC晶片Ra達(dá)0.91nmFig.1 Ra can be up to 0.91nm when using 1um diamond polishing liquid for the finishing machining of SiC wafer

2.2 光整加工金屬

納米金剛石不僅對(duì)硬脆的晶體材料光整加工效果很好，而且對(duì)某些金屬光整加工亦很好。它可對(duì)摩擦副進(jìn)行最精密的拋光，其光整加工后的工件表面粗糙度大幅降低，可以說(shuō)已達(dá)到最佳。試驗(yàn)使用MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)。上試件：45號(hào)鋼，淬火處理，硬度45～50HRC。下試件：1)黃銅ZQSn10-1、Ra=1.6μm；2)45號(hào)鋼，淬火處理，硬度45～50HRC。上試件不動(dòng)，下試件以200r/min轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦副的平均滑動(dòng)速度為1047.2mm/s，兩試件接觸半角為0.4115弧度，接觸面積為205.75mm2，在相同的壓力(100～300N)、相同的摩擦條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，均磨3h。圖2和圖3示出了摩擦表面的電鏡照。潤(rùn)滑油中加入納米金剛石后，可使摩擦副表面粗糙度大幅降低。從圖2可看出，用不含納米金剛石的油磨合后與未磨合的原樣幾近相同。

圖3 鋼/鋼摩擦副表面形貌對(duì)比Fig.3 Surface topography contrast of steel/steel rubbing pairs

2.3 光整加工發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)在出廠前均需磨合——光整加工。如用納米金剛石磨合油則可提高功效，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。我們?cè)谀炒笮迯S對(duì)柴油機(jī)的磨合保養(yǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Z12V-190型柴油機(jī)，額定功率882kW。原用CD 15W/40機(jī)油磨合，首先加入240L，平均每磨合一臺(tái)需消耗10L機(jī)油，磨合5臺(tái)后必須換油(太臟)。改用納米金剛石磨合油后，磨合10臺(tái)以上才換油。使用普通發(fā)動(dòng)機(jī)油，燃油消耗率平均225.25g/kw·h，磨合加載功率882kw，磨合時(shí)間45分鐘。使用納米金剛石磨合油，燃油消耗率平均210.72g/kw·h，磨合加載功率882kw，磨合時(shí)間27分鐘。綜合效益見(jiàn)表2。經(jīng)權(quán)威單位電鏡檢測(cè)納米金剛石的粒度為4.8～5.4nm。

使用納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油可以達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)邊使用邊光整加工，它不僅可使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性明顯改善[5]，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的粗糙度大幅降低和表面硬度大幅提高。缸套表面硬度由345 HV0.1提高到377 HV0.1；軸瓦粗糙度由737.489nm降至529.863nm；進(jìn)氣門(mén)搖臂粗糙度由487.143nm降至364.391nm。試驗(yàn)表明摩擦副表面已經(jīng)形成碳化物，

表2 納米金剛石磨合油經(jīng)濟(jì)效益

這導(dǎo)致硬度增加摩擦系數(shù)降低。即使用納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油可使發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和活塞環(huán)均得到表面改性，使它們的表面強(qiáng)化；而對(duì)缸套、活塞環(huán)、軸瓦、進(jìn)氣門(mén)搖臂和排氣門(mén)搖臂的光整加工效果遠(yuǎn)超出人們的預(yù)料。表3列出了使用100h后發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部性能改善的具體數(shù)據(jù)。

表3 使用納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油100h后發(fā)動(dòng)機(jī)的變化

張家璽曾測(cè)試了專(zhuān)用納米金剛石磨合油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套粗糙度的影響，并用電鏡照片顯示了粗糙度的降低[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)磨合的最后一步是由用戶進(jìn)行的。浙江省一輛別克2.5新車(chē)就是使用了我們研制的納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油，行駛2千多公里需強(qiáng)保換油時(shí)，維修技師檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)油非常清凈，決定5千多公里再換。這是因?yàn)槟Σ粮钡拇植诙群湍p量均大大降低，發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用周期可延長(zhǎng)幾倍，故對(duì)新車(chē)磨合效果甚佳。

納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副進(jìn)行極佳的光整加工，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到節(jié)能減排減震降噪之奇特功效，降低大氣污染尤其顯著[7]。關(guān)于納米金剛石潤(rùn)滑油的某些特性，可參考工作[8-10]。

3 結(jié)論

隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)表面粗糙度的要求越來(lái)越高，并且要求表面性能越來(lái)越好。使用納米金剛石進(jìn)行光整加工，可使表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)。它對(duì)碳化硅、金屬摩擦副和發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)行高效的比較理想的光整加工，尤其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的光整加工是其它方法無(wú)法比擬的。

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The Application of Nano-Diamond on Finishing Machining

ZHANG Shu-da1, ZHANG Wen-gang1, LIU Mei-hua2

(TianjinChanyuSuperhardSci-TechCo.,Ltd.; 2.TianjinUniversityofCommerce,China300384)

Excellent result of the application of diamond on finishing machining has been introduced in this article and the application of nano-diamond on finishing machining for silicon carbide crystal, metallic rubbing pairs and engine is emphatically elaborated. The finishing machining for engine by nano-diamond is beyond comparison.

nano-diamond; finishing machining; overview

2016-06-15

張書(shū)達(dá)(1941-)，男，漢族，天津人，國(guó)務(wù)院特貼專(zhuān)家，教授級(jí)高工。主要從事納米金剛石及金剛石微粉-單晶、聚晶的研究、生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，是納米金剛業(yè)行標(biāo)的第一起草人。

張書(shū)達(dá), 張文剛, 劉美華.納米金剛石用于光整加工[J].超硬材料工程，2016，28(5)：27-31.

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1673-1433(2016)05-0027-05