金振弘， 朱永偉， 墨洪磊， 王子琨

(1. 南京航空航天大學 機電學院， 江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室， 南京 210016) (2. 航天八院803研究所， 上海 201109)

SiC材料具有密度適當、彈性模量高、耐熱沖擊性好、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、比剛度高以及各向同性等特點，廣泛應用于兵器、低溫反射鏡、激光鏡等精密儀器中，逐漸發(fā)展成為新一代空間光學材料[1-2]。

SiC材料超高的硬度，使其成為一種典型的難加工材料。常規(guī)精密加工工藝容易產(chǎn)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[3]。為此，業(yè)內(nèi)進行了許多研究：李寶珠[4]使用碳化硼磨料三級研磨SiC，去除了不規(guī)則劃痕以及亞損傷層等缺陷；MURATA等[5]使用聚氨酯電化學機械拋光獲得了超光滑表面；LI等[6]采用集群磁流變研磨加工得到表面粗糙度Ra為25 nm的SiC，且材料去除率達到300 mg/h；ZHAO等[7]在研磨中引入超聲振動輔助，得到表面粗糙度Ra為4.3 nm的工件；KATAHIRA等[8]用聚晶金剛石工具實現(xiàn)了碳化硅的延性域加工，工件的表面粗糙度Ra達到1.7 nm。但固結磨具研磨墊精密加工SiC的效率不高，如：蘇建修等[9]使用固結磨具研磨墊研磨單晶SiC，材料去除率為86.07 nm/min，表面粗糙度為13.367 μm；張竹青[10]用固結磨具研磨墊化學機械拋光SiC單晶片，獲得了473 nm/min的材料去除率。

在固結磨具研磨墊研磨過程中，磨料研磨墊的自修整能力是影響其加工效率的關鍵因素。其自修整能力的獲得是通過磨屑沖蝕磨損樹脂基體使新鮮磨粒出露而實現(xiàn)的，但碳化硅是硬脆材料，磨削產(chǎn)生的磨屑極小，對樹脂基體的磨損有限，無法保證研磨墊的自修整能力。因此，需要使用砂漿輔助以實現(xiàn)研磨墊的修整。KIM等[11]利用氧化鋁磨粒砂漿輔助金剛石固結磨具研磨墊雙面研磨藍寶石工件，獲得了1 μm/min的材料去除率；王凱等[12]利用游離碳化硅砂漿輔助固結磨具研磨墊研磨藍寶石工件，可以提高研磨墊的自修整能力，進而穩(wěn)定材料去除率。

本研究提出碳化硅砂漿輔助固結磨具研磨墊精研SiC的思路，利用砂漿對研磨墊的沖蝕磨損實現(xiàn)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。

1 實驗設計

1.1 實驗與檢測設備

研磨實驗在NANOPOLI-100型環(huán)拋機上進行。通過稱量工件加工前后的質(zhì)量差來計算材料去除率VMRR(μm/min)，其計算公式如下：

(1)

其中：M0和M1分別為加工前后的工件質(zhì)量，g；h為工件的初始厚度，mm；t為研磨加工時間，min。

使用梅特勒托利多精密分析天平稱量加工前后工件的質(zhì)量，用NanoMap-500LS表面輪廓儀測量加工后的表面粗糙度，用金相顯微鏡觀測研磨后工件的二維形貌，用GTK型布魯克白光干涉儀觀察工件的三維形貌。

1.2 實驗方案設計

實驗工件為燒結SiC工件(硬度2902 HV 0.3)，固結磨具研磨墊(fixed abrasive pad，F(xiàn)AP)[13]基體為親水性樹脂，磨料為單晶金剛石(粒度尺寸20～40 μm，質(zhì)量分數(shù)50%)。研磨砂漿為碳化硅微粉的懸浮液，其中碳化硅微粉質(zhì)量分數(shù)為98%。

實驗分2部分：(1)采用相同的研磨墊、不同的研磨液(A組、B組)，探索精研SiC時砂漿對固結磨具研磨墊自修整的影響機制；(2)用不同SiC尺寸(B組、C組、D組)和質(zhì)量分數(shù)(B組、E組、F組)的砂漿輔助固結磨具研磨墊精研SiC，探索輔助效果的影響。各組研磨液的組成見表1。

表1 各組研磨液的組成

為探索固結研磨墊持續(xù)加工的穩(wěn)定性，保持工藝參數(shù)不變，每組實驗持續(xù)5次，每次研磨時間30 min。實驗加工工藝如表2所示。

表2 實驗加工工藝

2 實驗結果與討論

2.1 砂漿對加工工藝的影響

2.1.1 材料去除率

SiC是一種典型的耐磨和耐腐蝕材料[14]。添加砂漿對精研SiC時材料去除率的影響如圖1所示。

從圖1中可以看出：A組使用未加砂漿的研磨液，材料去除率下降明顯，由0.26 μm/min迅速下降至0.02 nm/min，基本失去研磨能力；B組使用添加砂漿的研磨液，其材料去除率提高了5倍左右，且整個實驗過程的材料去除率穩(wěn)定在1.42 μm/min左右。

圖1 添加砂漿對材料去除率的影響

在使用親水性固結磨具研磨墊進行精研的過程中，研磨墊上出露磨料與SiC表面接觸，通過微切削的方式，實現(xiàn)對工件材料的二體磨損去除。研磨墊上的金剛石磨粒尺寸大但出露數(shù)量少，有效切削刃密度低、單顆磨粒受力大。根據(jù)磨耗磨損原理，在研磨過程中，金剛石磨料會發(fā)生嚴重的機械磨損，棱角鈍化；同時，其產(chǎn)生的磨屑尺寸不足以有效磨耗固結磨具研磨墊，致使磨粒更新緩慢，研磨墊無法自修整，表現(xiàn)為加工過程中的材料去除率下降較快(A組)。

在研磨液中加入碳化硅砂漿后，綠碳化硅顆粒沖刷研磨墊的樹脂基體，促進磨鈍的金剛石磨粒脫落和新鮮的金剛石磨粒出露，從而保證精研過程穩(wěn)定進行。加工時間為60～90 min時，材料去除率下降，說明金剛石磨料開始鈍化；此后材料去除率呈上升趨勢，主要是由于砂漿輔助研磨墊進行了自修整，使金剛石出露。既有磨料變鈍然后新磨料出露的過程循環(huán)往復，使材料去除率在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(B組)。

2.1.2 表面質(zhì)量

加工后SiC表面容易產(chǎn)生微裂紋[15]。添加砂漿對精研SiC時表面粗糙度的影響如圖2所示。

從圖2中看出：在2組實驗中，工件表面的粗糙度都呈現(xiàn)下降趨勢。其中，A組的表面粗糙度從開始的75.3 nm下降到了64.1 nm，B組的表面粗糙度從開始的93.2 nm下降到81.5 nm：A組的表面質(zhì)量比B組的好。這是因為未加砂漿的研磨墊，其金剛石磨料磨鈍后切入深度小，造成的劃痕淺，鈍化的金剛石磨粒起到部分拋光效果，得到的工件表面粗糙度?。欢砑由皾{精研的過程中，研磨墊具有自修整能力，金剛石磨料更新快，可有效保持磨粒鋒利，劃痕較深，表面粗糙度較大。當受上道工序影響的表面被去除后，工件的表面質(zhì)量基本穩(wěn)定。

圖3所示為有無砂漿實驗組研磨后工件的表面形貌。對比圖3a和圖3b可知：2組實驗都有較深的劃痕，但B組工件表面的劃痕更多。這主要是因為固結磨具研磨墊采用大尺寸的金剛石，其切入深度大、劃痕深；而B組加入的砂漿有助于研磨墊自修整，固結磨具研磨墊表面始終有較多的棱角鋒利的金剛石磨粒參與切削過程，故劃痕較為明顯。

(a) A組-無砂漿研磨 Group A: lapping without slurry(b) B組-有砂漿研磨Group B: lapping with slurry圖3 有無SiC研磨后工件的表面形貌Fig. 3 Surface morphology after lapping with or without adding SiC

2.2 碳化硅的尺寸和濃度對研磨過程的影響

2.2.1 材料去除率

圖4所示為材料去除率隨時間的變化。碳化硅尺寸對精研SiC過程的材料去除率的影響如圖4a所示。從圖4a可以看出：材料去除率隨SiC尺寸增大而上升。圖4a中，D組材料去除率維持在2.5 μm/min以上，是B組材料去除率的1.5倍左右；而在C組試驗中，材料去除率隨時間延長而降低，最后幾乎和無砂漿的A組試驗的效果相近。其主要原因在于：砂漿中碳化硅顆粒的尺寸大(5～10 μm和3～5 μm)，則其沖蝕磨損固結磨具研磨墊基體的作用強，確保了金剛石顆粒的正常出露，實現(xiàn)對工件的微切削；研磨液中碳化硅顆粒的尺寸越大，研磨墊基體的磨損就越大，越有利于研磨墊的自修整，但其壽命降低；碳化硅顆粒尺寸較小(1～2 μm)時，基體會因其柔性而產(chǎn)生退讓效果，碳化硅顆粒對研磨墊基體的磨損有限，磨鈍的金剛石無法及時脫落，材料去除率小，并呈下降趨勢。

碳化硅質(zhì)量分數(shù)對精研SiC過程的材料去除率的影響如圖4b所示。從圖4b可以看出：材料去除率隨SiC質(zhì)量分數(shù)增大而升高，F(xiàn)組的材料去除率最高，幾乎為B組去除率的1.5倍、E組去除率的2.5倍。從圖4b還可以看出：所有材料去除率基本穩(wěn)定，說明碳化硅尺寸為3～5 μm時有利于研磨墊的自修整，即使碳化硅質(zhì)量分數(shù)為1%，也能保證固結磨具研磨墊的自修整；SiC質(zhì)量分數(shù)越高，越能體現(xiàn)固結磨具研磨墊的自修整能力，其材料去除率的變化越小。

(a) SiC質(zhì)量分數(shù)3%

(b) SiC顆粒尺寸3～5 μm

2.2.2 表面質(zhì)量

圖5所示為表面粗糙度隨時間的變化。從圖5a中可以看出：未加砂漿加工后的表面粗糙度最低，且表面粗糙度隨著砂漿中碳化硅顆粒變大而增大。這主要是因為：碳化硅顆粒增大會加快固結磨具研磨墊基體的磨損，增加金剛石磨料的出露高度，金剛石磨粒切入工件的深度增加，易造成更深的劃痕和更高的表面粗糙度。

從圖5b中可以看出：工件表面粗糙度隨著SiC質(zhì)量分數(shù)的增大而升高，但變化不顯著。

(a) SiC質(zhì)量分數(shù)3%

(b) SiC顆粒尺寸3～5 μm

圖6給出了不同SiC尺寸、質(zhì)量分數(shù)的砂漿研磨后的表面形貌。對比圖6a、圖6b可知：碳化硅質(zhì)量分數(shù)為1%或3%加工后，工件表面均有較深的劃痕；但碳化硅質(zhì)量分數(shù)為1%時，精研后表面的劃痕數(shù)量相對較少。這主要是因為：固結磨具研磨墊的金剛石尺寸大、切深大，會形成較深的劃痕；隨碳化硅含量增多，固結磨具研磨墊中的金剛石顆粒更多地出露，加工工件表面劃痕數(shù)量增加、劃痕深度深。對比圖6b、圖6c可知：碳化硅尺寸較大時其對研磨墊基體的沖蝕作用更明顯，因此金剛石顆粒切入工件的深度增加，劃痕更深；同時部分磨粒進入了脆性加工區(qū)域，形成凹坑。

(a) SiC質(zhì)量分數(shù)1%，尺寸3～5 μm

(b) SiC質(zhì)量分數(shù)3%，尺寸3～5 μm

(c) SiC質(zhì)量分數(shù)3%，尺寸5～10 μm

2.3 研磨墊的自修整過程

2.3.1樹脂基體的溶脹率

將不含磨料的純樹脂固化成樹脂片，制備成45 mm×70 mm×1 mm的試樣，用酒精擦拭干凈后干燥稱量；將樹脂片置于各組研磨液中浸泡1 h，然后再次稱量。樹脂基體的溶脹率η按下式計算：

(2)

其中：M0和M1分別為樹脂基體浸泡前后的質(zhì)量。

計算出樹脂基體在各砂漿中的溶脹率如表3所示。

表3 樹脂基體在不同砂漿中的溶脹率

由表3可知：樹脂基體在不同粒徑和質(zhì)量分數(shù)的SiC砂漿中的溶脹率相仿。依據(jù)相似相容的原則，樹脂基體中的羥基基團能與水分子結合，使樹脂基體溶脹后變得疏松，有利于自修整，因此溶脹過程與樹脂基體的結構特性(如孔隙率、基體厚度)和拋光液體系(如拋光液的組分、酸堿度)密切相關，但是上述研磨液砂漿只有碳化硅微粒不同，所以獲得的溶脹率幾乎相同。

2.3.2 樹脂基體的磨損率

樹脂基體的磨損不僅與基體的結構特性、拋光液的成分和酸堿度相關，還與砂漿中碳化硅的質(zhì)量分數(shù)和顆粒尺寸有關。

將樹脂片試樣放入圖7所示的夾具中，然后將其置于上述砂漿溶液中，用電磁攪拌器磨損5 h。分別測量磨損前后試樣的質(zhì)量，根據(jù)式(3)計算出基體磨損率q：

(3)

其中：M0和M1分別為樹脂基體磨損前后的質(zhì)量，t為砂漿磨損時間。

圖7 砂漿磨損裝置圖

由式(3)可以算出樹脂基體在不同砂漿中的磨損率，其結果如表4所示。

表4 基體在不同砂漿中的磨損率

由表4和表1可以得出碳化硅尺寸和質(zhì)量分數(shù)對樹脂基體溶脹和磨損的影響，如圖8所示。

(a) 不同碳化硅尺寸

(b) 不同碳化硅質(zhì)量分數(shù)

從圖8a中可以看出：在溶脹率穩(wěn)定的情況下，樹脂的磨損率隨碳化硅尺寸增大而升高，但趨勢放緩。這是因為：碳化硅尺寸較小時，由于樹脂基體的退讓作用，砂漿對基體的沖刷作用??；增大碳化硅尺寸后，研磨墊表現(xiàn)出自修整效果，磨損率提高；繼續(xù)增大碳化硅尺寸，磨損率提高但提高幅度有限。

從圖8b中可以看出：在溶脹率穩(wěn)定的情況下，樹脂基體磨損率隨碳化硅質(zhì)量分數(shù)提高而升高。這是因為：碳化硅尺寸一定時，隨其質(zhì)量分數(shù)提高，砂漿中碳化硅的顆粒數(shù)增多，對研磨墊的沖刷次數(shù)增加。由于此時碳化硅的尺寸足夠大，嵌入深度已經(jīng)大于樹脂基體的退讓能力，所以表現(xiàn)為基體磨損率隨碳化硅質(zhì)量分數(shù)的增加而線性增加。

2.3.3 砂漿輔助固結磨具研磨墊自修整機理

通常親水性固結磨具研磨墊研磨拋光時，其表層樹脂基體遇水溶脹變得疏松；同時研拋過程產(chǎn)生的磨屑會沖刷、磨損表層樹脂基體，使鈍化的金剛石顆粒脫落、新鮮金剛石顆粒出露，繼續(xù)保持微切削。

但由于SiC自身硬度較高，其研磨加工過程中磨料磨損快，因此要求研磨墊具有更高的自修整能力；另一方面，同樣是由于SiC的高硬度，磨料切入深度淺、產(chǎn)生的磨屑細小，對研磨墊基體的沖刷磨損作用小，不利于研磨墊的自修整。因此，其材料去除率快速下降。

在研磨液中加入碳化硅顆粒后，碳化硅顆粒的尺寸遠大于磨屑尺寸，從而加快溶脹層的樹脂基體磨損過程，使磨鈍的金剛石磨粒及時脫落、新鮮的金剛石磨料及時出露，可以保證研磨過程的持續(xù)穩(wěn)定，實現(xiàn)了親水性固結磨具研磨墊的自修整。

3 結論

通過研究碳化硅顆粒尺寸和質(zhì)量分數(shù)對砂漿輔助固結磨具研磨墊精研SiC工件工藝參數(shù)的影響，得出如下結論：

(1)采用未添加砂漿的研磨液時，研磨墊自修整性能差，材料去除率持續(xù)下降。

(2)添加砂漿輔助固結磨具研磨墊精研時，砂漿中的碳化硅顆?？蓻_蝕磨損研磨墊的基體，實現(xiàn)研磨墊的自修整過程，確保材料去除率穩(wěn)定。

(3)研磨墊的溶脹率與砂漿中碳化硅的尺寸和質(zhì)量分數(shù)無關。

(4)砂漿中碳化硅的質(zhì)量分數(shù)升高、尺寸增大有利于研磨墊的自修整過程，但會降低工件表面質(zhì)量。精研階段，選用質(zhì)量分數(shù)3%、粒度尺寸3～5 μm的碳化硅砂漿較為合適，得到的平均材料去除率為1.424 6 μm/min，平均表面粗糙度為84.6 nm。