摘要：為提高研磨液加工效率，改進工件表面加工質量，采用表面改性技術、助劑復配技術、超聲分散工藝技術制備了一種藍寶石加工用高效水基金剛石研磨液，應用該研磨液對藍寶石進行研磨加工，可實現材料去除速率1.35μm/min、表面粗糙度Ra值16nm、表面無明顯劃痕的優異研磨加工效果。并將自制的研磨液與國內外同類研磨液產品的使用性能進行對比分析，結果表明自制的金剛石研磨液在材料去除速率、加工后工件表面粗糙度Ra值以及表面劃痕方面均優于其他同類產品。
關鍵詞：藍寶石；金剛石研磨液；去除速率；粗糙度；表面劃痕；研磨加工

　　0前言
　　人工生長的藍寶石是單晶α-Al2O3，材料透明，與天然寶石具有相同的光學特性和力學性能，對紅外線透過率高，有很好的耐磨性，硬度僅次于金剛石，莫氏硬度達9級，熔點為2030℃，且在高溫下仍具有較好的穩定性，因此廣泛用作固體激光、紅外窗口、半導體芯片的襯底、精密耐磨軸承等高技術領域中零件的制造材料，同時還被制成永不磨損表鏡及各種精美華貴的飾品[1-2]。
藍寶石在以上領域應用的一個關鍵因素是其表面加工質量如：表面粗糙度Ra值、表面劃痕。若藍寶石表面加工質量不能滿足具體要求，則很難發揮其自身優越的功能，因此良好的表面加工質量是其獲得廣泛應用的基礎。
金剛石研磨液作為藍寶石研磨加工環節的關鍵耗材，對其表面的加工質量起重要作用[3]。本文就金剛石研磨液的制備方法進行簡單介紹，與國內外同類產品使用性能進行對比分析。
　　1試驗
1.1金剛石研磨液的制備
　　具體過程如下：
①取潤濕劑加入金剛石微粉中，攪拌后超聲分散。
②取去離子水、表面活性劑、分散劑，加入上述潤濕后的金剛石微粉中，攪拌并超聲分散，制備成金剛石混合液體。
③取上述金剛石混合液體，加入懸浮劑，攪拌并超聲分散后制得金剛石研磨液。
　　1.2 特征參數對比
　　將國外某廠家的產品標注為研磨液L1，國內某廠家的產品標注為研磨液L2，自制的產品標注為研磨液ZZSM，下表1是三種研磨液特征參數： 　　1.3 研磨試驗
　　研磨試驗在YM-18LX單面研磨機上進行，銅材質研磨盤，直徑460mm，加液方式為噴液管氣動加壓噴液。分別應用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM進行研磨試驗，并對試驗結果（去除速率、表面粗糙度Ra值、表面劃痕）進行對比分析。
研磨工藝參數：研磨盤的轉速為80rpm，研磨壓力為3psi，加液速度為5ml/min，研磨時間為10min。在研磨液特征參數中，優選磨料徑距、摩擦系數、磨料分散性三個參數驗證對材料去除速率、表面粗糙度Ra值以及表面劃痕的影響。
　　1.4檢測方法
1.4.1去除速率檢測方法
　　應用日本三豐543-691測厚儀在平面度為0級大理石平臺上分別測量初始藍寶石基片5點平均厚度δ1，研磨加工后的藍寶石基片5點平均厚度δ2，以上工件厚度值的單位為µm，研磨時間為t，單位為min，材料的去除速率為V=（δ1-δ2）/t，單位為µm/min。
　　1.4.2表面粗糙度Ra值檢測方法
　　應用SJ-210型粗糙度儀測量藍寶石基片表面粗糙度Ra值，分別在其中心位置、離中心2cm圓周位置選取4點，測量4次，然后取其平均值作為該藍寶石表面粗糙度Ra值。
　　1.4.3 表面劃痕檢測方法
　　應用Olympus公司CX21型號光學顯微鏡，放大800倍對藍寶石基片表面劃痕進行檢測；另外采用原子力顯微鏡對工件表面形貌進行檢測。
　　2 結果與分析
2.1不同研磨液對材料去除速率影響對比分析
　　下圖1是采用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM在相同的研磨試驗條件下，各做兩次研磨試驗，得到的材料去除速率柱形對比圖，具體如下： 由圖1可以看出，研磨液L1去除速率為1.2µm/min；研磨液L2去除速率為1.0µm/min；而應用研磨液ZZSM時，去除速率可達到1.35µm/min，研磨液ZZSM的去除速率分別比研磨液L1、研磨液L2去除速率提高了12%、35%。
分析其原因，有兩點：
（1）在研磨液ZZSM中磨料徑距比研磨液L1、研磨液L2分別減小12.5%、16.7%，由于磨料的徑距越小，其粒徑分布越集中，在具體研磨過程中，參與有效磨削的磨料顆粒數量就越多，從而可以提高研磨去除速率.
（2）研磨液ZZSM磨擦系數比研磨液L1、研磨液L2分別降低20%、33.3%，由于研磨液摩擦系數越小，潤滑性越好，在具體加工過程中可以減小磨料與工件之間的摩擦力，減緩金剛石磨削刃口鈍化的速度，延長金剛石磨削作用的時間，提高研磨去除速率。　　
綜上分析研磨液ZZSM的去除速率優于研磨液L1、研磨液L2。
　　2.2 不同研磨液加工后工件表面粗糙度Ra值對比分析
　　下圖2為分別采用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM，在相同的研磨條件下，得出藍寶石表面粗糙度Ra值，并對粗糙度Ra值進行對比分析，具體如下所示： 由圖2可以看出，應用研磨液L1加工后，藍寶石表面粗糙度Ra值為18nm；用研磨液L2加工后，表面粗糙度Ra為25nm；應用研磨液ZZSM加工后，表面粗糙度Ra值16nm。與研磨液L1相比基本相當，還略有下降；比研磨液L2粗糙度Ra值降低36%。
通過對以上粗糙度值差異的分析，我們認為是由于研磨液ZZSM中磨料徑距比研磨液L1與研磨液L2分別降低了12.5%、16.7%的原因造成的，因為磨料徑距越大，則磨料顆粒尺寸分布越寬，粒度組成中大顆粒尺寸偏大，在具體加工過程中，大顆粒會相應增大工件表面粗糙度值；另外，由于研磨液L2中磨料出現局部團聚現象，團聚磨料會大大增加工件表面粗糙度值。綜上分析研磨液ZZSM加工后工件表面粗糙度好于研磨液L1與研磨液L2。
　　2.3 不同研磨液加工后工件表面劃痕對比分析
2.3.1光學顯微鏡檢測結果
　　下圖3為加工前后的藍寶石表面形貌圖，其中圖a是未加工時藍寶石表面形貌圖，圖b是采用研磨液L1加工后藍寶石表面形貌圖，圖c是采用研磨液L2加工后藍寶石表面形貌圖，圖d是采用研磨液ZZSM加工后藍寶石表面形貌圖。 從圖（a）中可以看出，藍寶石基片在研磨加工前，表面是凸凹不平。研磨加工后，表面變得平整光滑，只有細微的劃痕。
通過對圖（b）、圖（c）、圖（d）對比分析得知，在圖（b）、（c）中，由于所用研磨液中磨料徑距大于圖（d），由于磨料的徑距越大，其組成中的大顆粒會對工件表面造成劃痕；圖（c）中所用研磨液中有磨料團聚現象，團聚的磨料會對工件表面產生深劃痕嚴重加工缺陷。因此圖（b）、圖（c）表面的劃痕相對較多且明顯；（d）中表面的劃痕最少且深度淺，效果好于圖（b）與圖（c）。
　　2.3.2原子力顯微鏡微檢測結果
　　為了進一步對比分析研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM加工后工件表面形貌圖，對以上三種研磨液加工后的工件采用原子力顯微鏡進行檢測，其中圖a是工件表面形貌圖，圖b是工件表面劃痕深度測量圖，圖c是劃痕深度值統計結果。具體如下圖所示： 從圖4中可以看出，研磨液L1加工后，工件表面劃痕較少，劃痕深度最大值為1.406μm；從圖5中看出，研磨液L2加工后，由于研磨液中有磨料團聚現象，導致工件表面出現深劃痕嚴重加工缺陷，其最大值達到2.140μm；從圖6中看出，研磨液ZZSM加工后，工件表面劃痕較少，劃痕深度最大值為僅為0.0879μm。
以上研磨加工后劃痕深度值的不同，是因為在研磨液ZZSM中磨料徑距小于研磨液L1，磨料粒徑分布集中，粗顆粒粒徑小于研磨液L1中的粗顆粒粒徑，因此研磨液ZZSM的研磨加工后，工件表面劃痕深度值優于研磨液L1。
　　3 結論
　　通過以上具體研磨液試驗得知，研磨液ZZSM在具體研磨加工過程中，能實現高效的去除速率和良好的表面加工質量的結合，其中材料去除速率可以達到1.35μm/min，藍寶石表面粗糙度Ra值達到16nm，并且表面無明顯劃痕。
參考文獻
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