新型碳化硅基體單層CVD金剛石磨盤的制備

申笑天，孫方宏

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

1 引 言

金剛石磨具具有優良的磨削性能，被廣泛應用在石材、玻璃、陶瓷、半導體材料、光學晶體等脆硬材料的精密磨削加工中，可以滿足加工過程中對高的表面質量和低的表面磨損的要求［1］。

金剛石砂輪按其磨料與基體的結合劑不同主要分為三類：樹脂結合劑砂輪、陶瓷結合劑砂輪和金屬結合劑砂輪。其中金屬結合劑砂輪又分為燒結金屬結合劑砂輪、電鍍金屬結合劑砂輪和單層高溫釬焊砂輪。樹脂結合劑砂輪的磨料范圍涵蓋低粒度金剛石微粉，制造簡單、磨削效率高、磨削效果好，但耐磨性差，不適合高負荷磨削［2］。陶瓷結合劑砂輪化學穩定性好、彈性變形小、硬度高、不易造成磨具堵塞和工件燒傷，但脆性大、抗沖擊韌性和抗疲勞強度低，使用后回收金剛石困難。電鍍金屬結合劑砂輪成型性好、使用壽命長、能夠滿足高速磨削和超精密磨削技術的要求，但基體和結合劑僅通過機械鑲嵌作用連結，結合力差，加工負荷較大時容易脫落［3］，同時自銳性差，磨削過程中易發生堵塞和發熱。高溫釬焊單層金剛石磨粒砂輪磨粒與基體結合力強，可以形成強的化學冶金結合、適合超高速磨削、壽命長、容屑空間大，但加工時1000℃以上的釬焊溫度會促使金剛石發生石墨化，同時難以避免結合劑中的元素對金剛石的腐蝕作用［4］，并且小粒度金剛石砂輪很難進行高溫釬焊制備。

化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，CVD）加工而成的金剛石微粉具有晶形完整、表面光潔、品級高等優點，且制備工藝簡單易控［5］。但目前針對CVD金剛石的研究主要仍集中在金剛石薄膜及寶石級大單晶的制備及應用上。對CVD金剛石薄膜的應用也主要是利用了金剛石高導熱率、高硬度等特性。而本文利用CVD金剛石涂層作為連接介質，將金剛石磨粒固結在碳化硅磨盤上，制備出新型碳化硅基體單層CVD金剛石磨盤。

CVD金剛石磨盤采用CVD技術連接磨料與基體，具有以下優點：（1）CVD金剛石磨盤磨粒純度高，雜質和缺陷極少。只要使用高純的氣體，原則上就能生長高純度金剛石。沉積條件利于金剛石的形成并能抑制石墨生長。（2）在金剛石涂層沉積過程中，磨料的表面發生金剛石的同質外延生長，金剛石磨料變得晶形優良，具有清晰的金剛石自行面，且晶形飽滿、強度高，在高溫下更難被石墨化。還可以修復人造金剛石磨料尖銳的棱角和針狀、片狀形貌，在精密磨削中避免對被加工材料表面的劃傷［6］。（3）SiC基體和金剛石磨料與沉積的金剛石涂層分子間可以形成牢固的共價鍵，結合強度比通過機械鑲嵌作用形成的結合力強。（4）電鍍砂輪磨粒只有40%以下裸露在鍍層金屬的外面，而CVD砂輪由于磨料、基體、涂層三者間的結合力強，磨粒僅有30%～40%被埋在涂層中，裸露部分高達60%～70%，容屑空間大，冷卻好。（5）采用金剛石涂層連接磨料與基體，避免了結合劑與金剛石磨料熱膨脹系數不同對加工過程的影響，金剛石涂層導熱率高，且耐油性、耐水性、耐酸堿腐蝕性均較強。（6）該方法可用于制備磨料粒度在W20以細的低粒度單層金剛石磨輪。

2 試驗方法

金剛石磨盤的制備分為兩步。第一步是將作為磨料的金剛石籽晶均勻散布在碳化硅基體表面，第二步是在微粉和碳化硅基體間生長一層金剛石涂層將二者連接起來。首先將少量金剛石微粉混入光刻膠溶液中，本次制備使用的微粉粒度分別為W7、W14，微粉在光刻膠溶液中的濃度均為20mg／ml。加熱光刻膠與微粉的懸濁液至50℃并超聲震蕩30min以上，可以分散金剛石微粉間的團簇，使得微粉均勻地散布在光刻膠中，再利用甩膠臺（型號為：德國Karl Suss公司的RC8）將混合好的微粉溶液在高速離心的作用下均勻地散布在基體表面，甩膠臺的轉速設定在4000r／min，時長約為30～60s。最后烘干碳化硅基體，即可進行金剛石涂層的沉積。光刻膠的揮發溫度為400℃～500℃，而CVD金剛石的生長通常在800℃以上，因此基體表面殘留的光刻膠不會對金剛石生長產生影響。

本文采用偏壓增強熱絲化學氣相沉積法（Biasenhanced Hot Filament Chemical Vapor Deposition，HFCVD）合成金剛石涂層。試驗中的熱絲采用3根0．3mm的鉭絲絞制而成。共使用6根絞制熱絲均勻布置在銅臺基座表面，熱絲間距12mm，熱絲與銅臺基座距離14mm，碳化硅基體直徑為Φ50mm，厚度為5mm，基體放置于銅基座上。為保證金剛石涂層均勻生長，沉積過程中銅基座自動旋轉，并施加偏壓以提高金剛石薄膜的生長速度。實驗中需要控制的工藝參數主要有：氣源的溫度、壓力、成分，熱絲的溫度、排布、功率，形核和生長的時間，偏流大小等，部分具體參數如表1所示。

表1 金剛石涂層的沉積參數Table 1 Deposition parameters of CVD diamond films

對磨試驗設備采用聚晶金剛石研磨機，對磨試驗如圖1所示。將制備的單層CVD金剛石磨盤和電鍍金剛石磨盤分別與研磨機的金剛石砂輪對磨，通過對比在相同對磨條件下單層CVD金剛石磨盤與電鍍金剛石磨盤磨損后的表面形貌，測試單層CVD金剛石磨盤的對磨性能、磨料強度、磨粒把持力。在對磨試驗中，單層CVD金剛石磨盤被膠粘在上層可緩慢旋轉的夾具上，夾具以10r／min的轉速旋轉以保證磨盤磨損均勻。與磨盤對磨的金剛石砂輪被固定在下層，該砂輪尺寸為Φ250×36×Φ50．8mm，轉速設為900r／min。兩磨盤之間施加15N的軸向載荷，對磨時間為180s。

圖1 對磨試驗設備示意圖Fig．1 Diagram of grinding test

3 試驗結果與分析

利用掃描電鏡（SEM）觀察制備完成的碳化硅磨盤。播種籽晶時磨料使用W7、W14微粉的CVD金剛石磨盤以及與1200目普通電鍍金剛石磨盤的對比如圖2所示。其中磨料粒度為W14的磨盤磨粒密度較低，可以通過增大光刻膠內的微粉濃度來提高。在CVD沉積過程中，碳化硅基體上會通過異質外延生長的方式沉積一層金剛石薄膜，這層薄膜會將磨粒與基體連接起來，同時金剛石磨粒進行同質外延生長，使得金剛石磨料粒度增大。W7的金剛石微粉生長后的平均尺寸約為15μm，W14的金剛石微粉生長后的平均尺寸約為20μm。

圖2 CVD金剛石磨盤與電鍍金剛石磨盤對比Fig．2 Comparison of CVD diamond grinding disc and electroplated diamond grinding disc

圖3 CVD金剛石磨粒與機械破碎法磨粒對比Fig．3 Comparasion of CVD diamond abrasive and abrasive processed by mechanical attrition

原磨盤上的通過機械破碎法加工而成的金剛石晶粒經過CVD法生長后晶形得到了修補，變為CVD金剛石磨料，機械破碎法金剛石磨料與經過CVD法生長的金剛石磨料的形貌對比如圖3所示。機械破碎法磨料呈現出脆性的大塊金剛石碎裂的痕跡，磨粒形貌不規則，棱角多而尖銳，針刺或片狀形貌較多，比表面積大，晶粒飽滿度值低，即便經過CVD技術生長6h后，還可以看到小部分原始磨粒的突出部分。原始的片狀或針狀形貌的金剛石磨粒在精密加工過程中很容易劃傷工件表面［7］。金剛石磨粒在CVD反應設備中經過6h同質外延生長后，可以觀察到金剛石晶粒得到了明顯的生長，表面不規則的凹凸和針刺狀、片狀形貌得到了顯著修復，晶形更接近理想的立方－八面體聚形的高品級金剛石顆粒。經過CVD技術生長的磨粒表面光滑，晶形飽滿，可以觀察到金剛石自形面（111）和（100）面。金剛石磨料的強度由磨粒表面狀況、形狀、缺陷等決定［8］，修復后的金剛石晶粒強度比原始磨粒高，有資料認為表面光滑、晶形飽滿的金剛石晶粒強度比片狀或針狀磨粒強度高約40%［9］。CVD金剛石磨盤的截面形貌如圖4所示。金剛石涂層的厚度為3．5～4．2μm，磨粒高度在14μm左右，磨粒裸露度在70%以上。金剛石涂層為柱狀生長的MCD薄膜，薄膜厚度均勻，在形核階段形核密度高，說明涂層與基體具有良好的膜基結合力。

圖4 CVD金剛石磨盤截面形貌Fig．4 Cross－sectional morphology ofCVD diamond grinding disc

圖5 碳化硅基體單層CVD金剛石磨盤的Micro－Raman譜圖Fig．5 Micro－Raman spectra of SiC matrix monolayer CVD diamond grinding disc

拉曼光譜（Raman）測試被用在CVD金剛石的檢測和質量評價上。本次試驗制備的原始粒度為W7和W14的磨盤的金剛石磨粒拉曼光譜檢測如圖5所示。兩個磨盤的拉曼光譜在1332．5cm－1處都有尖銳的金剛石峰，有一寬峰中心位于1530cm－1處，歸屬于金剛石膜內非金剛石組份，它反映不同結構的鍵合能和態密度，也有資料認為這表示非晶碳的存在。從這個峰的強度可以看出W14磨粒的金剛石經過生長后非金剛石碳含量比W7磨粒略高。金剛石特征拉曼峰的半高寬FWHW值大小隨CVD金剛石內金剛石結晶度、缺陷、雜質、非金剛石碳（sp2態碳）含量等因素的變化而變化，可以綜合體現CVD金剛石的純度。W14微粉的半高寬略寬，也說明粒度為W14的金剛石磨粒經過CVD技術生長后的純度略低于粒度為W7的金剛石磨粒。

利用W14微粉制備的單層CVD碳化硅磨盤與粒度相近的1200目電鍍金剛石磨盤做對比，與聚晶金剛石研磨機的砂輪對磨，以比較單層CVD碳化硅磨盤與普通電鍍磨盤的對磨性能。對磨試驗結果如圖6所示。金剛石磨粒磨損后的形貌主要有完整、微觀破碎、宏觀破碎、脫落、磨平等類型［10］。電鍍金剛石磨盤在對磨后，出現大量磨粒脫落區域，保留的磨粒大部分被磨平或被磨屑填平，而單層CVD金剛石磨盤中很少出現磨粒脫落現象，被磨平的程度也遠遠低于電鍍磨盤，并未出現完全磨平的磨粒。單層CVD金剛石磨盤的磨粒裸露度在74%～80%，遠高于電鍍砂輪，從圖6中可以看出單層CVD碳化硅磨盤切屑堵塞較少，電鍍磨盤很容易被切屑填平。單層CVD金剛石磨盤發生的微觀破碎、宏觀破碎現象遠少于電鍍磨盤的磨粒，金剛石自行面僅有微弱的磨損痕跡。這是由于CVD金剛石磨料具有光滑完整的自形面，強度高，且磨粒高度均勻，在對磨過程中受力平均。而電鍍磨盤磨粒由于存在針狀或片狀形貌，強度不高，在與其它金剛石砂輪對磨過程中磨粒很容易被磨平，使得磨削能力喪失，需要進一步修整后才能使用。

圖6 單層CVD金剛石磨盤與電鍍金剛石磨盤的對磨性能對比Fig．6 Grinding performance comparison of monolayer CVD diamond grinding disc and electroplated diamond grinding disc

4 結 論

通過將混有均勻分散的金剛石磨料的光刻膠溶液散布在碳化硅基體表面的方式，將磨料均勻散布在碳化硅基體表面，然后利用CVD技術將磨料的金剛石分子和基體的碳化硅分子通過共價鍵與金剛石涂層緊密結合起來，制備成具有強磨料把持力的單層CVD金剛石磨盤。經過生長后的金剛石涂層形核密度高，與碳化硅基體結合力強。CVD金剛石磨粒純度高，雜質和缺陷含量少，晶粒飽滿度值高，接近理想的立方－八面體形貌，有利于在精密磨削加工中減少工件表面劃傷。同時晶形飽滿的磨粒在對磨試驗中的強度要遠遠高于機械破碎法的金剛石磨粒，發生的磨損現象少。由于磨粒和基體間存在牢固的化學鍵結合，使得單層CVD金剛石磨盤的磨料裸露可以提高到74%～80%，提高了磨盤的容屑空間和散熱能力，且在對磨試驗中磨料與基體表現出良好的結合力。

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