固結（堆積）磨料的應用

鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖
天鑒碳材料有限公司 張洪濤 李小童

       何謂堆積（固結）磨料？堆積磨料即通過特殊的造粒方式，用高強度粘結劑把細顆粒磨料粘接起來，使其形成一個獨立的堆積組合體，這種組合體通常也具有磨具的三要素---磨料、結合劑和極細小氣孔，可將其稱為一種微型磨具。堆積磨料適用于制作多種涂附磨具，如砂帶、砂紙等，也可制備固結磨具如刃磨砂輪等。將堆積磨料使用有機高分子結合劑及相關材料粘結在布基基體上制備的砂布就是堆積磨料砂布，再將堆積磨料轉換成砂帶就是堆積磨料砂帶。

       使用堆積磨料制造的堆積磨料砂帶是一種新型的柔性磨削工具，它磨削效率高，磨削性能穩定，具有磨削精度好和使用壽命長等優點，不僅能滿足不銹鋼、鈦合金等難磨金屬的磨削要求，而且對金屬表面的拉絲和拋光也有很大的產業優勢。用途十分廣泛，是新型涂附磨具的重要發展趨勢之一。

       傳統普通砂帶為單層植砂，在磨削過程中，會有一些先天客觀的缺陷，如磨粒變鈍，工件切削掉的物質堵塞砂帶表面，散熱性差，壽命有限，磨削前后工件表面切削效果不一致，磨削狀態漸漸由切削變為滑擦，磨削區域溫度上升燒傷工件。對比現階段市場成熟產品，堆積磨料涂附磨具將只有固結磨具才有自銳性這一特點與其自身優勢完美地結合起來。不僅節約了砂帶的換帶時間，制帶基體生產成本，工件生產人工成本，而且提高了加工精度與穩定性，具有無可比擬的優勢。

       劉鵬展等，堆積磨料制備技術及堆積磨料砂帶應用現狀，[J]超硬材料工程2017.3：40--44

       1. 固結磨料應用于砂帶堆積磨料砂帶的主要用途，歸根結底還是由其自身的結構特點和磨削優勢所決定的。根據不同的磨削對象選擇不同造粒材質與粒度組成的堆積磨料制品，已成為新型柔性磨削的一種發展方向。

       金屬材料種類豐富，其中難磨金屬材料指的是又硬又黏的金屬，如鈦合金，鋁合金，高硬度金屬，高溫合金，不銹鋼等。金屬材料的磨削處理根據材料的作用和目的的不同，主要分為表面磨削，即加工材料使其達到規定的尺寸和表面質量，表面打磨，即清除材料表面雜質使其光滑平整達到一定的表面粗糙度，表面拋光，即對材料表面修飾精加工達到光滑表面或鏡面光澤。

       這類材料廣泛用于國民生產各個行業，如電力行業的汽輪機、水輪機葉片、高壓容器、管道;航空行業的發動機的葉片、飛機框架;能源行業的輸油、輸氣管道;日常生活中用到的刀具、運動器材等。這些產品不僅材料特殊，型面復雜難于加工和磨削，而且對表面質量或精度還有很高的要求，使用傳統磨削工具，難以滿足加工工藝要求，而堆積磨料砂帶能很好解決這一難題。

       堆積磨料砂帶不僅具有涂附磨具的柔軟性，高效冷切削，加工表面質量高等磨削特點，同時還具有固結磨具的自銳性和長壽性，從而結束了固結磨具加工效率低，低精度的問題，改變了傳統磨料砂帶使用壽命短的缺點，使葉片加工從傳統的手工打磨轉向了自動化，高效率，高精度，低勞動強度的數控磨削。

       2. 金屬表面拉絲即在工件表面磨削形成線紋，起到裝飾效果的一種表面處理手段。堆積磨料砂帶因磨削一致性高，所以特別適合于金屬拉絲行業。傳統砂帶磨料在剛開始拉絲時，磨粒尖銳鋒利，拉絲線紋深，但拉絲不多久，磨料便開始變鈍，拉出的絲紋就開始變淺，隨著時間的推移，絲紋越來越淺。這樣就產生一個問題，就是同一砂帶拉出的工件，前面的產品與后面的產品拉絲線紋會有明顯的差別，影響工件表面的一致性。目前，堆積磨料砂帶在表面拉絲加工中有著非常廣闊的應用，尤其是在IT電子行業，例如，手機外殼，相機外殼，筆記本電腦外殼等產品的表面拉絲處理。另外，金屬家具，家電外殼，水暖器具等的表面拉絲，也都需要使用堆積磨料砂帶。

       3.對銅材的拋光銅材料的拋光主要有化學拋光，電化學拋光，機械拋光等?；瘜W拋光在加工時會出現NO，NO2等有害氣體，對操作人員及環境危害嚴重，電化學拋光后的工件表面光亮度不均勻，表面會殘留有凹坑和條紋；而機械拋光容易引起金屬表面扭曲和組織性，構造性不規范。化學機械拋光技術（CMP）作為新型的拋光技術，利用機械與化學的復合作用實現對材料的微量去除?；瘜W機械拋光主要有游離磨料的拋光技術和固結磨料的拋光技術。游離磨料加工過程中磨粒分散不均勻，磨粒運動具有不可控性，造成工件面型精度難以保證；同時有磨粒利用率低、污染嚴重，加工成本高等缺點。固結磨料加工技術則克服了以上缺點，將磨料固結在拋光盤上，磨料分散均勻，保證了材料去除的均勻性；拋光液中只添加少量的簡單化學試劑，大大減少了對環境的污染。

       Nguyen等人在保證相同去除率的情況下，利用傳統的游離磨料CMP，AFCMP（無磨料化學機械拋光），FACMP（固結磨料化學機械拋光）分別拋光銅晶圓，固結磨料化學機械拋光技術平坦化效率最高，且對晶圓的形貌及特征尺寸無選擇性。

       王成等人利用堿性拋光液實現對銅材料的拋光加工，探索拋光液組分對銅材表面質量及材料去除率的影響，實現對銅材的超精加工。

       王成等,固結磨料拋光中不同拋光液組分對銅的加工性能的影響，[J]金剛石與磨料磨具工程2013.6：1--6

       4. 脆性材料在光學元器件行業、半導體、光伏產業、石材行業等領域有著重要的應用。脆性材料既包含單晶硅、藍寶石等高硬度、高脆性材料，也包括KDP、DKDP等低硬度、高脆性材料。切割加工是脆性材料的首道加工工藝，其成本占生產總成本的40%以上。脆性材料傳統切割時，材料表面質量差、亞表面損傷增大，甚至出現大尺寸裂痕等，因而多采用低應力切割技術來加工脆性材料。

       帶鋸切割常用于石材的切割，根據切割工具不同可分為鋼帶鋸和金剛石帶。鋼帶鋸采用游離磨料來研磨加工，由于加工過程中使用大量的鋼砂和石灰等，嚴重污染環境，而金剛石帶鋸采用固結金剛石磨料磨削加工，切削效率高、環境污染少。但帶鋸切割硬脆材料，切口大，損傷層大，不適合用來切割貴重和切割要求高的硬脆材料。

       相比帶鋸切割，鋼絲線直徑小，剛度低，切割過程中切口小、損傷層小，大大降低了由于機床震動帶來的低硬度脆性材料崩片的概率。但同屬于研磨加工范疇，其切割效率低，且使用大量研磨液對環境污染比較大。而用固結金剛石線經來切割，可以很大程度地避免上述問題。

       高航等脆性材料用固結金剛石線切割技術研究進展[J]金剛石與磨料磨具工程2019.4.97--102

       5. 高效研磨氧化鋯陶瓷背板

       氧化鋯是一種具有穩定化學性質,耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的無機非金屬材料。由于氧化鋯及其復合材料在不同條件下具有半導體特性、增韌性和良好的化學穩定性等,在電子陶瓷、功能陶瓷、結構陶瓷和生物陶瓷等高新技術領域的應用非常廣泛。隨著工業技術的快速發展,尤其是下一代手機背板的高性能要求,對其高效率、低損傷加工提出了更高的要求。

       氧化鋯陶瓷屬于高硬脆(硬度與藍寶石相當)難加工材料，常用的加工方法難以進行高效精密加工,因此出現了各種輔助加工方式。于思遠等使用激光預熱輔助磨削加工氧化鋯陶瓷,加工后表面粗糙度Ra為0.2μm；陳明君等采用ELID磨削技術對陶瓷材料進行磨削加工,實現了鏡面磨削，而且磨削表面質量也大幅度提高；ZHAO等論述了超聲波磨削加工技術的優越性；柴晶富等采用旋轉超聲方法加工氧化鋯陶瓷,最終表面粗糙度Ra為3.2μm，但是氧化鋯在磨削過程中出現大量的磨削熱，使得加工后的陶瓷工件表面存在組織變化、殘余應力及燒傷現象，嚴重影響后續的超精密加工；紀洪波等進行了氧化鋯陶瓷超精密研磨實驗研究，但加工效率極低，難以解決在短時間內去除由磨削加工帶來的表面層損傷問題。

       針對手機背板加工提出的高效、低損傷加工要求,本研究采用親水性固結磨料研磨技術研磨氧化鋯陶瓷背板。磨料和研磨液是固結磨料研磨加工的兩個決定性因素,能顯著影響工件的材料去除率和表面質量。實驗采用金剛石聚集體作為磨料固結在研磨墊中,并在研磨液中輔助添加碳化硅顆粒,利用金剛石聚集體磨料的微破碎性能和砂漿的磨蝕性能提高研磨加工中研磨墊的自修整性能,為親水性固結磨料研磨技術在加工氧化鋯陶瓷中的應用提供探索和參考。

       6. 研磨TC4鈦合金

       航空發動機制造中最核心的是葉片的制造，在整個發動機的制造過程中，葉片制造一直占據著三分之一以上的工作量。作為航空發動機輪葉片的主要材料之一，TC4鈦合金具有優良的綜合力學性能，同時密度低，耐高腐蝕。但是TC4鈦合金金難切削、導熱系數低、彈性模量低，在傳統加工中，容易出現加工變形，刀具損耗快、工件表面燒傷等問題。固結磨料研磨通過磨料露出結合劑層的部位與工件產生機械作用，對工件材料產生塑性或類塑性去除，可以顯著降低表面及亞表面損傷，同時由于加工中磨粒硬度高、切削應力小，可有效解決TC4鈦合金難切削，工件表面容易燒傷等問題。

       王健杰等球形固結磨料磨頭研磨TC4鈦合金的工藝探索，[J]金剛石與磨料磨具工程2019，3：23--28

       7.研磨石英玻璃

       石英玻璃因具有透光性好、光譜頻帶寬、硬度高、耐腐蝕性強、絕緣性好以及化學穩定性等一系列優異的物理化學性能，成為光電子、微電子、光學以及光纖技術行業的重要材料之一。但是石英玻璃同時具有較大的脆性、較低的斷裂韌性等，傳統的游離木料加工很容易在其表面產生裂紋，凹坑等缺陷，嚴重影響其產品的使用性能。因此，如何改善其表面加工質量，提高其加工效率，是石英玻璃超精密加工技術亟待解決的瓶頸問題。

       固結磨料加工作為新型的超精密加工技術之一，在很多難材料加工特別是光學玻璃的加工中得到了廣泛的應用。該技術可顯著提高石英玻璃加工的材料去除率并改善其表面質量。對固結磨料加工而言，研磨墊和工藝參數是影響其加工效率和表面質量的關鍵因素，因而是當前固結磨料加工研究的熱點。

       王占奎等，固結磨料研磨石英玻璃的工藝參責優化，金剛石與磨料磨具工程，2020.5：，90--95

       8.拋光YAG晶體

       釔鋁石榴石（YAG）晶體的透光性好、熔點高、熱導率高、光轉效率高，長時間工作不產生色心、吸收系數大，可進行高濃度摻雜等。YAG晶體固態激光器在雷達測風、激光測距、導彈攔截、軌道空間碎片清除、氫鎂能量循環、激光核聚變、激光點火等領域具有廣泛的應用前景。但YAG晶體硬度高、脆性大，是典型的難加工材料，加工過程中易出現去除率低，加工表面不均勻崩邊等現象。然而，應用于高能激光器的YAG晶體表面則要求超光滑，無損傷。

       固結磨料拋光技術具有選擇性強，平坦化效率高，工件表面不易釉化，環保等優點，代表著光加工未來的發展方向。采用固結磨料拋光YAG晶體，旨在探索新的加工方法，提高磨料的利用率，工藝的可控性。

       明舜等，磨粒尺寸和基體硬度對固結磨料拋光YAG晶體的影響，金剛石與磨料磨具工程2020.3：86--90

       9.研磨SiC工件

       SiC材料具有密度適當、彈性模量高、耐熱沖擊性好、導熱系數高、熱膨脹系數小、比剛度高以及各向同性等優點，廣泛應用于兵器、低溫反射鏡、激光鏡等精密儀器中，逐漸發展成為新一代空間光學材料。

       SiC材料超高的硬度，使其成為一種典型的難加工材料。常規精密加工工藝容易產生裂紋和缺陷，不易得到超光滑表面限制了其在高性能光學領域的應用。為此，金振弘等人提出了碳化硅砂漿輔助固結磨具研磨墊精研SiC思路，利用砂漿對研磨墊的沖蝕磨損實現研磨墊的自修整，并探索砂漿的濃度和磨料尺寸對固結磨具研磨墊研磨碳化硅性能的影響。結論是能有效提高親水性固結磨具研磨墊的自修整能力，其修整能力隨著砂漿中碳化硅的尺寸和質量分數增大而增強，材料的去除率提高，工件表面質量略降。

       金振弘,砂漿對固結磨具研磨墊研磨SiC工件的影響，[J]金剛石與磨料磨具工程，2018.6--54--6

       10.研磨氟化鈣晶體

       CaF2晶體具有優異的物理性能，光學性能和物化穩定性，使其具有低色散性、低雙折射率、極高的透射率、較寬的透光范圍等，因而被廣泛應用于航空、航天、光刻、激光等領域。但氟化鈣（CaF2）晶體脆性大、硬度低，對其進行精密加工面臨巨大挑戰。

       深紫外投影光刻機最重要的部件是深紫外光光刻物鏡，該物鏡可以明顯提高光刻機的成像功能，因此對其光學材料的設計、加工、鍍膜和裝調等方面都有極高的技術要求，而目前只有融石英和氟化鈣晶體材料能滿足投影光刻物鏡這些嚴苛要求。

       CaF2晶體的軟脆特性很容易導致其晶體表面在研磨拋光過程中產生凹坑、微裂紋、劃痕和表面/亞表面損傷等缺陷，且拋光液里的各種雜質很容易嵌入或殘留在晶體表面上，進而影響CaF2晶體的表面質量和其材料去除率。因此，要對其精密拋光難度很大。CaF2晶體研磨常用的磨料是單晶金剛石磨料和聚集體金剛石磨料，但2種磨料被固定在樹脂基體中形成研磨墊后，2種FAP的性能差異很大，如單晶金剛石固結磨料墊的材料去除率隨著加工時間的延長有持續走低的現象，且總體效率較低。

       沈功明的研究結果表明，采用聚集體金剛石磨料制備的固結磨料墊(FAP)研磨效率明顯高于單晶金剛石FAP的，且其材料去除率更穩定，同時聚集體金剛石FAP的自修整能力要優于單晶金剛石FAP的。

       沈功明，固結磨料墊高效研磨氟化鈣晶體研究，[J]金剛石與磨料磨具工程2019.5：67--72

       11.拋光鍺片

       Ge單晶在太陽能電池襯底材料中的應用成為當前的研究熱門。太陽能電池必須具備重量輕、精度高等特點，而作為襯底的Ge拋光片在滿足強度的前提下，必須盡量降低厚度，而且對拋光片的表面質量、表面晶格完整性、平整度有很高要求，這就給拋光的加工帶來了難度。目前，國際上常用的Ge拋光厚度在200um以下，硬度根據晶向不同介于莫氏5.5--6.5之間，加之Ge本身脆性較大，因此，控制各加工工序的成品率成為技術難點。已有研究表咱，冰結合劑固結磨料拋光技術在減小己加工表面的殘余應力、微觀裂紋、表面損傷等方面具有優勢。

       冰粒型固結磨具拋光墊具有分布均勻、自銳性好等優點，但拋光過程中冰盤表層融化速率控制至關重要。一方面冰粒型拋光盤表層融化會使舊的磨具脫落，新的磨具露出，從而實現其自銳性和提高拋光效率;另一方面，冰粒型拋光盤的融化速度過快，會導致磨具浪費，縮短其使用壽命。影響冰凍固結磨具拋光盤表層融化速度的因素包括：拋光區域摩擦產生的熱量，環境溫度產生的對流熱。

       王勇冰 粒型固結磨具拋光錆鍺片的溫度場仿真與實驗研究，[J]金剛石與磨料磨具工程2016.3：17--22

       12.研磨藍寶石晶片藍寶石是一種集優良的光學性能、物理性能和化學性能于一體的多功能氧化物晶體。單晶藍寶石具有硬度高（莫氏9級）、熔點高（2450C）、透光性好、導熱性和電絕緣性優良、化學性能穩定等特點，廣泛應用于光電子、通信、國防、航空航天等領域，如用作紅外透光材料、激光器的窗口和反射鏡、絕緣襯底的集成芯片等。隨著科學技術的發展，上述應用領域對藍寶石晶體的超光滑無損傷加工及加工效率提出了更高的要求，而藍寶石作為典型的難加工材料，還沒有非常成熟的高效低損傷加工工藝，這也成為藍寶石工業應用的主要障礙。

       研磨是藍寶石晶片拋光之前的重要工序，研磨質量的好壞直接影響到后續的拋光時間和表面質量。單晶藍寶石的研磨一般利用逐級減小研磨液中磨料粒度尺寸，控制磨料進給量，來獲得比較好的表面粗糙度。其特點是，利用研磨墊，研磨液以及工件三者之間的機械和化學作用共同完成材料的去除，對研磨液的性質依賴性較大，研磨過程中磨料運動的不可控影響研磨效果，磨料利用率低，耗費大，污染環境。固結磨料拋光依靠凸起的磨料實現材料的微量切除而成為高效低損傷的加工手段。

       鄭方志 固結磨料研磨藍寶石晶片的工藝優化[J]金剛石與磨料磨具工程2016.1：11--15

       13.與游離磨料研磨拋光相比，固結磨料拋光的諸多優點如下：

       （1）磨粒固結鑲嵌在基體中，無需拋光過程對拋光液進行磨料懸浮處理，親水性拋光墊還具備自修整功能，避免了拋光墊修整所帶來的停機問題。

       （2）磨料凸起呈一定規律排列固定在拋光墊表面，突起間的溝槽結構便于拋光液的輸送和廢屑的排除，避免了傳統游離磨料拋光中常見的釉化現象。

       （3）固結磨料拋光是基于二體磨損原理，對拋光液的依賴性較小，而對工件的形貌具有很高的選擇性，在拋光過程中能很快去除凸出部分，凹處基本不受機械作用，具有優越的平坦化能力。

       （4）固結磨料拋光過程中，拋光液中不含磨料，加工表面容易清洗，廢液處理簡單，是一種綠色環保的加工技術。

       李立明等，固結磨料研磨與拋光的研究現狀與展望，[J]金剛石與磨料磨具工程2009.517--22