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不同磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片化學(xué)機(jī)械拋光的影響*

2019-10-23 10:0822
潤(rùn)滑與密封 2019年10期
關(guān)鍵詞:磨料硬質(zhì)合金氧化鋯

2 2

(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南湘潭 411105;2.湘潭大學(xué)復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心 湖南湘潭 411105;3.湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心 湖南長(zhǎng)沙 410082)

硬質(zhì)合金以其強(qiáng)度和硬度高、耐磨性好、紅硬性好、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)良性能,已成為現(xiàn)代社會(huì)和新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的刀具材料[1-2]。硬質(zhì)合金刀具在生產(chǎn)制造過(guò)程中,其前刀面的表面加工質(zhì)量是影響刀具切削性能、使用壽命和生產(chǎn)效率等的重要指標(biāo)之一[1]?;瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(Chemical mechanical polishing,CMP)作為一種超精密加工方法,其目的是通過(guò)降低表面粗糙度、去除研磨和磨削后的機(jī)械損傷層來(lái)獲得高質(zhì)量的表面[3-5]。因此在硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)時(shí)通過(guò)CMP改善前刀面表面質(zhì)量,為提高刀具整體性能提供了新的思路和方法[6-8]。

目前一些學(xué)者研究了不同硬度磨料對(duì)CMP拋光材料去除率及表面質(zhì)量的影響。YUAN等[9]研究了不同硬度磨料對(duì)碳化硅球化學(xué)機(jī)械拋光的影響,結(jié)果表明:接近氧化層硬度的氧化鈰磨料和氧化鋯磨料拋光效果最好,拋光后的碳化硅球表面粗糙度Ra為10 nm,其次是氧化鐵磨料和氧化鉻磨料。王金普等[10]研究了4種磨料(Al2O3、SiO2、CeO2、Fe2O3)在相同條件下對(duì)微晶玻璃化學(xué)機(jī)械拋光的影響,結(jié)果表明,采用氧化鋯磨料的拋光液得到的微晶玻璃表面質(zhì)量最好,其材料去除率達(dá)到100.4 nm/min,表面粗糙度Ra為0.4 nm。這些研究表明,磨料硬度是CMP拋光材料去除率及表面質(zhì)量的重要影響因素之一。目前,對(duì)硬質(zhì)合金刀片CMP的研究大多采用碳化硅磨料和氧化鋁磨料,通過(guò)優(yōu)化工序和工藝參數(shù)來(lái)獲得好的拋光質(zhì)量[11-12]。另外,對(duì)硬質(zhì)合金刀片CMP拋光機(jī)制研究較少,且所使用的磨料為經(jīng)驗(yàn)選取,在拋光過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拋光時(shí)間較長(zhǎng)、效率低。因此,本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同硬度的磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片CMP加工后的材料去除率和表面質(zhì)量的影響,為硬質(zhì)合金刀具CMP材料去除機(jī)制的研究,同時(shí)也為提高硬質(zhì)合金刀片CMP拋光質(zhì)量和效率提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

硬質(zhì)合金刀片前刀面表面由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成,采用JB-1C表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量輪廓算術(shù)平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax、中線截距平均值Sm[13],如圖1所示。利用VHX-200超景深三維顯微系統(tǒng)觀察拋光前后刀片的表面形貌,如圖2所示。

圖1 JB-1C表面粗糙度測(cè)量?jī)xFig 1 JB-1C surface roughness measuring instrument

圖2 超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-2000 系列Fig 2 VHX-2000 series of three dimensional microscopic system of super depth of field

實(shí)驗(yàn)采用的6種微納米磨料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[9]。實(shí)驗(yàn)樣品為牌號(hào)YG10的硬質(zhì)合金刀片,所有樣品經(jīng)過(guò)磨削工藝,其力學(xué)性能如表2所示。

表1 不同微納米磨料的力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical properties of different micro and nanoscale abrasives

表2 硬質(zhì)合金刀片的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of cemented carbide tool

1.2 拋光實(shí)驗(yàn)

在Nanopoli-100型拋光機(jī)(如圖3所示)上進(jìn)行YG10刀具前刀面CMP加工實(shí)驗(yàn)。拋光墊采用聚氨酯拋光墊,拋光工藝參數(shù)如表3所示。采用精度為0.001 g的電子分析天平BS200S測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量。

表3 拋光工藝參數(shù)Table 3 Polishing process parameters

圖3 Nanopoli-100型拋光機(jī)Fig 3 A polishing machine of Nanopoli-100

通過(guò)如下公式計(jì)算硬質(zhì)合金刀片的材料去除率:

(1)

式中:RMR為硬質(zhì)合金刀片的材料去除率(nm/min);m0為拋光前硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量(mg);m1為拋光后硬質(zhì)合金刀片的質(zhì)量(mg);ρ為硬質(zhì)合金刀片的密度(g/cm3);S1為硬質(zhì)合金刀片前刀面表面積(mm3);t為拋光時(shí)間(min)。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片CMP材料去除率的影響

6種不同硬度磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面材料去除率如圖4所示,無(wú)磨料拋光液對(duì)硬質(zhì)合金刀片的材料去除率最低;隨著磨料硬度H0的增加,有磨料拋光液對(duì)硬質(zhì)合金刀片的材料去除率存在上升的趨勢(shì);金剛石磨料顯微硬度遠(yuǎn)大于其他磨料顯微硬度,其材料去除率也遠(yuǎn)大于其他磨料。這是因?yàn)橛操|(zhì)合金刀片表面與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)速率很慢,磨料的機(jī)械作用可以促進(jìn)硬質(zhì)合金刀片表面化學(xué)反應(yīng);而高硬度金剛石磨料的加入進(jìn)一步促進(jìn)了CMP過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng),提高了硬質(zhì)合金刀片CMP材料去除率。

圖4 不同磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片前刀面材料去除率的影響Fig 4 The in fluence of the material removal rate of cemented carbide blade front face by different abrasives

2.2 磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片拋光前后表面質(zhì)量的影響

使用JB-1C表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量硬質(zhì)合金刀片表面輪廓算術(shù)平均偏差Rav、最大峰谷距Rmax和中線截距平均值Sm。圖5顯示了不同磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面粗糙度的影響。

圖5 6種磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片拋光后的表面粗糙度的影響Fig 5 Effect of 6 kinds of abrasives on the surface roughness of cemented carbide blades after polishing (a)the arithmetical mean deviation of the profile;(b)the maximum peak valley distance;(c)the median intercept

由圖5可知,與氧化硅磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料相比,顯微硬度最大的金剛石磨料拋光YG10硬質(zhì)合金刀片后的Rav、Rmax和Sm最小,分別為0.018、0.222和25.967 μm;氧化鋁磨料次之,Rav=0.039 μm、Rmax=0.405 μm和Sm=35.163 μm;其次是氧化鋯磨料、氧化硅磨料、碳化硅磨料;碳化硼磨料拋光硬質(zhì)合金刀片后,其表面質(zhì)量比拋光前更差,Rav、Rmax和Sm都非常大,這是因?yàn)樘蓟鹉チ洗嬖诹椒稚⑿源蟮娜秉c(diǎn),在拋光過(guò)程中不易控制硬質(zhì)合金刀片最終表面粗糙度以及容易造成硬質(zhì)合金刀片表面劃痕較多[15],如圖6(g)所示。

圖6 不同磨料拋光后刀片前刀面表面形貌Fig 6 Surface topography of blade rake after polishing with different abrasives (a)surface of grinding blade;(b)abrasive-free polishing surface;(c)polishing surface with SiO2;(d) polishing surface with ZrO2;(e)polishing surface with Al2O3;(f)polishing surface with SiC;(g)polishing surface with B4C;(g)polishing surface with diamond

拋光前后硬質(zhì)合金刀片前刀面表面形貌如圖6所示。圖6(a)所示是拋光前(磨削)刀片表面形貌,圖6(b)所示是無(wú)磨料拋光后的表面形貌,與磨削刀片相比較,無(wú)磨料拋光產(chǎn)生的亞表面劃痕明顯減少;氧化硅磨料硬度小于刀片表面硬度,不能完全去除氧化層,拋光后的刀片表面質(zhì)量較差,如圖6(c)所示;而碳化硅磨料硬度大于刀片表面硬度,磨料穿過(guò)刀片表面氧化層,劃傷刀片表面,造成刀片表面質(zhì)量很差,如圖6(f)所示;由于氧化鋯和氧化鋁磨料的顯微硬度接近硬質(zhì)合金刀片硬度,只去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層,而且磨料的機(jī)械作用不會(huì)損傷硬質(zhì)合金刀片表面,獲得較好的表面質(zhì)量[9],如圖6(d)、(e)所示。

由2.1節(jié)可知,氧化鋯和氧化鋁磨料顯微硬度比金剛石磨料顯微硬度小得多。由于硬質(zhì)合金刀片的表面與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率很慢,材料去除率較低,而磨料的機(jī)械作用可以促進(jìn)硬質(zhì)合金刀片表面化學(xué)反應(yīng),所以低硬度的氧化鋯和氧化鋁磨料難以達(dá)到最佳RMR和表面質(zhì)量。

LEE等[16]研究發(fā)現(xiàn),金剛石磨料比其他磨料具有更高的RMR和優(yōu)異的劃痕能力,金剛石磨料的加入增加CMP過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng),并在CMP過(guò)程中增加了機(jī)械應(yīng)力,因此金剛石磨料拋光后的刀片表面質(zhì)量最佳,如圖6(h)所示。

從劃痕結(jié)果和表面形貌結(jié)果可以看出,氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料和碳化硅磨料只是去除硬質(zhì)合金刀片劃痕周圍氧化層,減少了表面劃痕等缺陷;而金剛石磨料整體降低劃痕深度,獲得最佳表面粗糙度。

2.3 討論與分析

由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知,碳化硼磨料存在粒徑分散性大的缺點(diǎn),在硬質(zhì)合金刀片CMP過(guò)程中,對(duì)磨削刀片表面造成更大的機(jī)械損傷;在氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料和碳化硅磨料CMP過(guò)程中,刀片表面材料去除率較低,但得到比磨削刀片好的表面質(zhì)量,并且刀片表面劃痕明顯去除;在金剛石磨料CMP過(guò)程中,刀片表面材料去除率最高,表面形貌最佳。低硬度磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7所示,金剛石磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面整體的拋光機(jī)制如圖8所示。

氧化硅磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(a)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);氧化硅磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層;由于氧化硅磨料硬度小于硬質(zhì)合金刀片硬度,無(wú)法完全去除刀片表面氧化層,留下殘余氧化層,拋光的表面質(zhì)量較差。

氧化鋯和氧化鋁磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(b)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層,而硬度接近硬質(zhì)合金刀片的氧化鋯和氧化鋁磨料,去除劃痕周圍區(qū)域的氧化層時(shí),不會(huì)損傷硬質(zhì)合金刀片表面,又能剛好去除刀片表面氧化層,獲得較好的表面質(zhì)量。

碳化硅磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光機(jī)制如圖7(c)所示。硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);磨料的機(jī)械作用去除在劃痕周圍區(qū)域的氧化層,而碳化硅磨料的硬度大于硬質(zhì)合金刀片的硬度,去除劃痕周圍區(qū)域的氧化層時(shí),磨料穿透硬質(zhì)合金刀片表面氧化層,對(duì)刀片表面造成機(jī)械損傷,拋光后的表面質(zhì)量很差。

圖7 低硬度磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面劃痕的拋光Fig 7 Polishing of the scratched surfaces of cemented carbide blades with low hardness abrasives (a)polishing with SiO2abrasive;(b)polishing with ZrO2 and Al2O3 abrasives;(c)polishing with SiC and B4C abrasives

如圖8所示金剛石磨料是整體去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層。首先,金剛石磨料通過(guò)CMP中的機(jī)械作用去除刀片表面的氧化層,如圖8(a)所示,硬質(zhì)合金刀片表面劃痕區(qū)域容易與CMP中氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);金剛石磨料的機(jī)械作用去除硬質(zhì)合金刀片表面氧化層后,并在整個(gè)硬質(zhì)合金刀片表面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,如圖8(b)所示;然后,化學(xué)物質(zhì)在CMP拋光中的擴(kuò)散隨著磨料在工件上施加的機(jī)械應(yīng)力增加[17],在機(jī)械應(yīng)力區(qū)域的表面與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),如圖8(b)所示,最后金剛石磨料通過(guò)機(jī)械作用去除由機(jī)械應(yīng)力引起的化學(xué)反應(yīng)層,如圖8(c)、(d)所示。因此金剛石磨料比其他低硬度磨料能更快地去除應(yīng)力區(qū)域,獲得高材料去除率,并有效地降低了硬質(zhì)合金刀片整體劃痕深度,得到了更好的表面質(zhì)量。

圖8 金剛石磨料對(duì)硬質(zhì)合金刀片表面整體的拋光Fig 8 Polishing of carbide blade surface with diamond abrasive

3 結(jié)論

(1)低硬度氧化硅磨料、氧化鋯磨料、氧化鋁磨料、碳化硅磨料和碳化硼磨料的機(jī)械作用,只能去除硬質(zhì)合金刀片表面局部劃痕區(qū)域;接近硬質(zhì)合金刀片硬度的氧化鋁磨料,獲得了較好的表面質(zhì)量,其RMR為98.126 nm/min,Rav為0.039 μm,Rmax為0.405 μm,Sm為35.163 μm。

(2)硬度最大的金剛石磨料,在硬質(zhì)合金刀片表面上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),能更快地去除刀片表面材料。因此,金剛石磨料可以達(dá)到比其他磨料更高的RMR和更好的表面質(zhì)量,其RMR為343.441 nm/min,Rav為0.018 μm,Rmax為0.222 μm,Sm為25.967 μm。

(3)考慮到金剛石磨料價(jià)格昂貴,在硬質(zhì)合金刀片粗加工時(shí)可以選用氧化鋁磨料,精加工時(shí)選用金剛石磨料。

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