金刚石与磨料磨具工程

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环境控制与等离子体技术融合对未来高精密抛光难加工材料所构成的挑战

土肥俊郎, 會田英雄, 大西修, 尹韶辉, 任莹晖

2022, 42(6): 637-649. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.7001

摘要(1454)

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PDF 9820KB(211)

摘要:
以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料是典型的难加工材料。本研究中，设计2种基于化学机械抛光（CMP）的加工设备，以开发高效高质量加工此类晶体衬底的新技术，并研究讨论使用新设备时的加工机理和难加工衬底的加工特征。加工设备的原型机分别为封闭箱式（closed chamber-type）环境控制CMP设备和等离子体熔融（plasma fusion）CMP设备。在前者中引入光催化反应，并在高压氧气环境下增加紫外辐射，试图提高加工效率。在后者中预期实现常压等离子体化学蒸发加工（P-CVM）和CMP各自优势的协同效应，尤其适合高硬度、极稳定的金刚石衬底。在验证设备加工机理的过程中，随加工过程进行，在极限表面（extreme surface）上形成了如水合物膜或氧化物膜的反应产物。因此，引入紫外辐射的箱式CMP设备在高压氧气环境下效率极高；而对等离子熔融CMP设备，在氧气氛围下，同时开展P-CVM和CMP时可实现对金刚石晶片的高效加工。通过对加工机理进行研究，提出由伪自由基场（pseudo radical filed）/反应产物形成和新表面接触磁流变抛光这两步构成的“循环处理方法”，可实现对难加工材料的高效率加工。

2022年上半年中国超硬行业经济运行情况

李利娟, 李志宏, 张贝贝, 赵兴昊, 李炫极, 王洁, 孙兆达

2022, 42(6): 650-655. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.4002

摘要(704)

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PDF 1964KB(115)

摘要:
根据采购经理指数、超硬材料行业相关数据、中国海关的超硬商品进出口数据、美国和日本海关的进口数据，汇总成6个数据表及8个图解析超硬行业2022年上半年的经济运行情况。数据表明：超硬行业统计的工业增加值增长率为27.4%，高于国家规模以上企业增长率23.0个百分点；利润增长率为65.0%，高于国家规模以上企业增长率64.0个百分点（相比于制造业下降的10.4%，高出74.4个百分点）；出口交货值增长率为10.2%（海关总署统计的超硬商品出口额同比增长为20.6%，高于全国出口额7.4个百分点）；中国主导着美国和日本的超硬商品进口市场。在国家宏观经济发展困局中，超硬材料行业主要经济指标远高于国家相应指标，展示了超硬行业蓬勃发展的趋势。

孕镶钻头胎体对金刚石机械把持力的评价方法

赵小军, 段隆臣, 谭松成, 方小红

2022, 42(6): 656-661. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3005

摘要(486)

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PDF 2140KB(70)

摘要:
传统的孕镶钻头胎体对金刚石的把持力来源于机械把持力。金刚石表面的残余压应力是评价胎体对金刚石机械把持力的重要指标。本文中，对现有的金刚石表面压应力计算方法进行比较和评价，发现经验公式、弹性力学方程表征公式的计算结果与实际值差别很大，公式形式不够合理，而基于弹塑性力学理论的力学计算公式与有限元数值模拟方法具有很好的有效性。对WC基金刚石复合材料烧结后的冷却过程分析发现，钻头胎体在烧结后的冷却过程中发生了塑性变形，金刚石颗粒周围形成塑性变形区域；塑性变形吸收了一部分能量，缓解了金刚石—胎体之间的热错配应力，释放了一部分金刚石表面的静压应力；冷却完成后，金刚石表面会产生残余压应力，而这种残余压应力是胎体对金刚石机械把持力的主要来源。

金刚石钻头高效破岩技术新进展

沈立娜, 贾美玲, 蔡家品, 吴海霞, 李春, 刘海龙

2022, 42(6): 662-666. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3009

摘要(710)

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PDF 2546KB(94)

摘要:
金刚石钻头是钻进破岩的重要工具。近些年来，随着新型复合材料的应用及精密加工技术的不断进步，结合钻井装备的不断创新，金刚石钻头取得了迅速发展。本文简要介绍了金刚石钻头高效破岩技术的一些新进展，并提出了今后可能的发展方向。

气压熔渗法制备高导热金刚石/Cu–B合金复合材料

康翱龙, 康惠元, 焦增凯, 王熹, 周科朝, 马莉, 邓泽军, 王一佳, 余志明, 魏秋平

2022, 42(6): 667-675. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0017

摘要(728)

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PDF 4591KB(80)

摘要:
以硼质量分数为0.5%的Cu–B合金为金属基体以及平均粒径为500 μm的金刚石颗粒为增强体，采用气压熔渗法制备金刚石/Cu–B合金复合材料，研究气压参数对其组织结构和热物理性能的影响规律。结果表明：随着气压升高，金刚石与Cu–B合金之间的界面结合效果、导热性能均增强，热膨胀系数减小；当气压为10 MPa时，其界面结合效果最优，界面处生成的碳化物层将金刚石完全覆盖，且100 ℃时的样品热导率为680.3 W/(m·K)，热膨胀系数为5.038×10⁻⁶ K⁻¹，满足电子封装材料的热膨胀系数要求。

硼掺杂梯度对硬质合金金刚石涂层的影响

夏鑫, 余寒, 花腾宇, 马莉, 陈玉柏, 汤昌仁, 梁瑜, 王一佳, 邓泽军, 周科朝, 余志明, 魏秋平

2022, 42(6): 676-684. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0014

摘要(593)

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PDF 4467KB(41)

摘要:
为提高硬质合金刀具上金刚石涂层的结合性能，采用热丝化学气相沉积法在YG 8硬质合金基体上沉积高、低梯度硼掺杂微米金刚石（high gradient boron-doped micron crystal diamond, HGBMCD；low gradient boron-doped micron crystal diamond, LGBMCD）涂层和无硼掺杂的微米金刚石（micrometer crystal diamond, MCD）涂层，探究沉积过程中硼掺杂浓度的梯度大小对金刚石涂层的形核和生长性能的影响。结果表明：随着硼的掺入，金刚石的形核密度增大，生长6 h后的金刚石晶粒更均匀细小，其中LGBMCD的晶粒尺寸大部分在2～3 μm；而石墨相在梯度硼掺杂金刚石涂层中的生长会被抑制，HGBMCD中I_Dia/I_G高达14.65，残余应力仅为–0.255 GPa，且Co₂B、CoB等硼钴化合物含量随硼掺杂梯度的减小而增大；金刚石涂层的残余应力因硼的掺入逐渐从压应力转变成拉应力，残余应力大小先减小后增大；洛氏压痕显示，随着硼的掺入，金刚石涂层的结合性能提高，LGBMCD的结合性能最好，在1 470 N下可达到HF2级。因此，适当的硼掺杂梯度有利于提高金刚石涂层的质量和结合性能。

室温脱钴对PCD微观结构及力学性能的影响

张鹏, 杨雪峰, 陈冰威, 黄雷波, 骈小璇, 栗正新, 闫宁, 王孝琪, 孙冠男, 张鹏飞, 李志尧, 司治华, 陈强, 宜娟, 李金鑫

2022, 42(6): 685-691. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0052

摘要(891)

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PDF 3890KB(69)

摘要:
为提高PCD使用过程中的热稳定性，选用硫酸-过氧化氢混合溶液在室温下对PCD进行脱钴处理，研究其脱钴机理及脱钴对PCD微观结构及力学性能的影响。通过SEM观察到PCD在室温脱钴48 h后表面出现较大深度的腐蚀坑，钴相基本被去除，上下表面脱钴深度分别为176 μm和162 μm；通过EDS可确定脱钴层剩余钴的质量分数为0.93%，而未脱钴层钴的质量分数为7.64%，表明87.83%的钴在实验中被硫酸-过氧化氢混合溶液溶解而去除。对PCD样品进行残余应力测量，脱钴之前的残余压应力为483.91 MPa，脱钴之后的残余压应力为330.35 MPa，后者相对前者减少31.73%，说明脱钴可以有效降低PCD内部残余压应力。

Cr/Al/B/diamond体系中金刚石表面的热爆反应涂层

韩警贤, 刘嘉霖

2022, 42(6): 692-698. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0059

摘要(494)

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PDF 3787KB(32)

摘要:
采用Cr/Al/B/diamond粉体为原料，并添加少量Cr₂O₃或B₂O₃以诱发热爆反应。结果表明：在高纯Ar保护下，热爆反应后的试样粉末化严重，易将结合剂与金刚石颗粒分离。添加Cr₂O₃的原料体系发生热爆反应后，结合剂中的主相为Cr₂AlB₂，金刚石表面会形成含Cr₃C₂和Al的复合涂层，涂层的晶粒大小为0.5～7.0 µm。当金刚石质量分数为10%和20%时，试样中的金刚石颗粒表面涂覆良好，其起始和终止氧化温度都显著高于未涂覆金刚石的；而在金刚石质量分数较高时，其表面涂覆效果略差。添加B₂O₃的原料体系发生热爆反应后，金刚石表面的涂覆效果不佳，只有半数或以下数量的金刚石颗粒被涂覆。

PCBN材料的组织结构与力学性能

张彬, 郭宏毅

2022, 42(6): 699-704. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0078

摘要(647)

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PDF 2600KB(74)

摘要:
以CBN-TiN-Ti-Al₂O₃为初始原料，采用高温高压法在1500 ℃不同保温时间下制备PCBN材料，探讨其在不同保温时间下的物相组成、显微结构、力学性能和切削性能。结果表明：保温时间对PCBN材料物相组成无明显影响，但有助于提高其结晶度，实现其烧结均匀化和致密化；在保温时间为9.00 min时，能获得综合性能最佳的PCBN材料，其相对密度为99.1%，抗弯强度为910.9 MPa，磨耗比为7120，显微硬度为33.5 GPa；用此PCBN做成的刀具加工模具钢零件，最多可加工365个。

MPCVD多晶金刚石片的研磨均匀性分析

徐钰淳, 朱建辉, 王宁昌, 师超钰, 赵延军, 邵俊永, 徐帅

2022, 42(6): 705-712. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0162

摘要(711)

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PDF 2985KB(91)

摘要:
在游离磨料研磨过程中，研磨的驱动方式及工艺参数等直接影响加工后工件的平面度和表面粗糙度。为了探究基于旋摆式驱动的游离磨料研磨工艺参数对MPCVD多晶金刚石片平整化的影响，建立旋摆式驱动平面研磨过程中的单磨粒运动学模型，根据实际研磨过程采用多磨粒随机分布模型进行计算机仿真计算，引入多磨粒轨迹的均匀性离散系数对磨粒轨迹均匀性进行分析。结果表明：当转速比取值等于0.5时，磨粒轨迹离散系数最大；当转速比小于等于0.5时，离散系数与转速比为正相关；研磨盘摆动弧线的弦长大于金刚石片直径时，磨粒相对于整个金刚石片表面的运动轨迹分布较为均匀；计算机仿真计算得到了研磨最优参数，并通过2英寸MPCVD多晶金刚石片研磨试验验证了仿真结果的有效性。研磨后金刚石片表面PV值为2.4 μm，表面粗糙度R_a达到139 nm，材料去除率d_MRR为10.1 μm/h。

SiCp/Al复合材料超声振动研磨工艺研究

孙宝玉, 付兴豹, 袁旭, 谷岩

2022, 42(6): 713-719. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0016

摘要(567)

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PDF 4386KB(76)

摘要:
针对SiCp/Al材料传统研磨方法加工困难，研磨工具磨损快，加工后难以获得高质量表面等问题，采用超声振动研磨加工方法可以显著改善其加工效果。通过对单磨粒的超声振动轨迹进行分析，得出其运动轨迹为空间椭圆形，可实现磨粒与工件间歇性的接触加工；采用树脂结合剂金刚石磨头对SiC体积分数为40%的SiCp/Al材料进行超声振动研磨加工试验，在不同的主轴转速n、进给速度v和研磨深度a_p以及磨料粒度d下，利用单因素试验法对工件进行研磨，检测加工后工件表面粗糙度，得出各工艺参数对工件表面粗糙度S_a值的影响规律。结果表明：超声振动研磨后的工件表面粗糙度S_a值相较于普通研磨后的79 nm下降为45 nm；超声振动研磨后工件表面粗糙度随n的增大先减小后增大，转速为1 800 r/min时，粗糙度值最小；工件表面粗糙度随v和a_p的增大而增大，随着d的减小而减小。并得出试验参数内的最优参数组合为：n=1 800 r/min，v=5 mm/min，a_p=1 μm，d=4.5 μm。

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

吴成, 李军, 侯天逸, 于宁斌, 高秀娟

2022, 42(6): 720-727. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0043

摘要(696)

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PDF 3314KB(65)

摘要:
氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点，是最具代表性的第四代半导体材料之一，具有广阔地应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷，难以实现高质量表面加工，无法满足相应器件的使用要求，且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体，探究抛光垫基体硬度、磨料浓度和抛光液添加剂对被抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明：当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒浓度为100%、抛光液添加剂为草酸时，固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min，表面粗糙度S_a为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。

基于单颗磨粒切削的CBN铰珩工具磨粒磨损研究

杨长勇, 张念辉, 苏浩, 丁文锋

2022, 42(6): 728-737. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0022

摘要(671)

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PDF 5147KB(74)

摘要:
采用单颗磨粒试验方法，以4Cr13不锈钢为修整材料，研究大长径比CBN铰珩工具修整过程中的磨粒磨损特性。试验结果显示：与普通切削相比，超声切削时的平均切削力降低60%～80%，但磨粒在短时间内大块破碎，磨削比严重下降。超声切削时的磨粒−工件接触比在0.6～0.8，磨粒主要处于断续切削过程，其最大切削宽度比普通切削时的增加2.7倍，且磨粒受到的最大瞬时切削力增加。根据点云信息对磨粒进行逆向建模，并对建立的单颗磨粒切削仿真模型的瞬时切削力进行定量分析。仿真结果显示：超声切削时的最大切向力比普通切削时的增加20%以上，且力的波动幅度超过80%。

磨粒有序化砂轮磨削微沟槽减阻表面的研究

王俊博, 吕玉山, 慕丽, 李兴山

2022, 42(6): 738-744. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0031

摘要(596)

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PDF 2714KB(46)

摘要:
为研究砂轮磨粒排布样式对磨削结构化沟槽表面的影响，使用叶序、错位和阵列3种磨粒有序化排布的砂轮磨削工件平面。首先，建立3种有序化排布的数学模型；其次，根据结构化沟槽表面减阻的特性参数，设计砂轮磨削参数，并使用MATLAB软件进行磨削运动仿真，将仿真结果与理论计算值进行比较；最后，使用磨削试验验证数学模型与仿真结果的可靠性。结果表明：3种磨粒排布有序化的砂轮均能磨削出微沟槽表面，此时相邻两行磨粒的轴向间距分别为0.04 mm（叶序排布）、0.40 mm（错位排布）和0.80 mm（阵列排布），对应的磨削深度均为0.050 0 mm；磨粒阵列和错位排布的砂轮磨削出的沟槽表面更加稳定，但沟槽的参数比未能达到0.200～1.000的要求；磨粒叶序排布的砂轮加工出的沟槽，能满足表面减阻特性的要求。

基于响应面法的单晶硅CMP抛光工艺参数优化

卞达, 宋恩敏, 倪自丰, 钱善华, 赵永武

2022, 42(6): 745-752. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0081

摘要(930)

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PDF 3636KB(86)

摘要:
为提高单晶硅化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)的表面质量和抛光速度，通过响应面法优化CMP抛光压力、抛光盘转速和抛光液流量3个工艺参数，结果表明抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响依次减小。通过数学模型和试验验证获得最优的工艺参数为：抛光压力，48.3 kPa；抛光盘转速，70 r/min；抛光液流量，65 mL/min。在此工艺下，单晶硅CMP的材料去除率为1 058.2 nm/min，表面粗糙度为0.771 nm，其抛光速度和表面质量得到显著提高。

络合剂对316L不锈钢化学机械抛光效果的影响

陈国美, 杜春宽, 倪自丰, 卞达, 王浩, 章平, 张鑫

2022, 42(6): 753-759. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0047

摘要(770)

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PDF 2648KB(50)

摘要:
为提高316L不锈钢化学机械抛光（chemical-mechanical polishing，CMP）效率，针对络合剂类型对316L不锈钢加工效果的影响及影响机制进行研究。以材料去除率（material removal rate，MRR）和表面粗糙度（R_a）为指标，探究络合剂类型（甘氨酸、草酸和柠檬酸）及浓度对抛光效果的影响。利用电化学工作站、接触角测量仪和X射线光电子能谱仪（XPS）分析络合剂对316L不锈钢CMP加工影响机制。结果表明：当甘氨酸质量分数为0.2%时，能够同时获得较高的材料去除率和较低的R_a，分别为210 nm/min和1.613 nm。高浓度的络合剂对316L不锈钢材料去除率的抑制作用来源于络合剂增强了316L不锈钢表面耐蚀性，降低了表面氧化速度。XPS分析表明部分甘氨酸络合物会吸附于316L不锈钢表面产生缓蚀作用。