摘要：為提高研磨液加工效率，改進(jìn)工件表面加工質(zhì)量，采用表面改性技術(shù)、助劑復(fù)配技術(shù)、超聲分散工藝技術(shù)制備了一種藍(lán)寶石加工用高效水基金剛石研磨液，應(yīng)用該研磨液對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研磨加工，可實(shí)現(xiàn)材料去除速率1.35μm/min、表面粗糙度Ra值16nm、表面無(wú)明顯劃痕的優(yōu)異研磨加工效果。并將自制的研磨液與國(guó)內(nèi)外同類研磨液產(chǎn)品的使用性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)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(yōu)于其他同類產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：藍(lán)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(zhǎng)的藍(lán)寶石是單晶α-Al2O3，材料透明，與天然寶石具有相同的光學(xué)特性和力學(xué)性能，對(duì)紅外線透過(guò)率高，有很好的耐磨性，硬度僅次于金剛石，莫氏硬度達(dá)9級(jí)，熔點(diǎn)為2030℃，且在高溫下仍具有較好的穩(wěn)定性，因此廣泛用作固體激光、紅外窗口、半導(dǎo)體芯片的襯底、精密耐磨軸承等高技術(shù)領(lǐng)域中零件的制造材料，同時(shí)還被制成永不磨損表鏡及各種精美華貴的飾品[1-2]。
藍(lán)寶石在以上領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素是其表面加工質(zhì)量如：表面粗糙度Ra值、表面劃痕。若藍(lán)寶石表面加工質(zhì)量不能滿足具體要求，則很難發(fā)揮其自身優(yōu)越的功能，因此良好的表面加工質(zhì)量是其獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。
金剛石研磨液作為藍(lán)寶石研磨加工環(huán)節(jié)的關(guān)鍵耗材，對(duì)其表面的加工質(zhì)量起重要作用[3]。本文就金剛石研磨液的制備方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品使用性能進(jìn)行對(duì)比分析。
　　1試驗(yàn)
1.1金剛石研磨液的制備
　　具體過(guò)程如下：
①取潤(rùn)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(rùn)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(shù)對(duì)比
　　將國(guó)外某廠家的產(chǎn)品標(biāo)注為研磨液L1，國(guó)內(nèi)某廠家的產(chǎn)品標(biāo)注為研磨液L2，自制的產(chǎn)品標(biāo)注為研磨液ZZSM，下表1是三種研磨液特征參數(shù)： 　　1.3 研磨試驗(yàn)
　　研磨試驗(yàn)在YM-18LX單面研磨機(jī)上進(jìn)行，銅材質(zhì)研磨盤，直徑460mm，加液方式為噴液管氣動(dòng)加壓噴液。分別應(yīng)用研磨液L1、研磨液L2、研磨液ZZSM進(jìn)行研磨試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（去除速率、表面粗糙度Ra值、表面劃痕）進(jìn)行對(duì)比分析。
研磨工藝參數(shù)：研磨盤的轉(zhuǎn)速為80rpm，研磨壓力為3psi，加液速度為5ml/min，研磨時(shí)間為10min。在研磨液特征參數(shù)中，優(yōu)選磨料徑距、摩擦系數(shù)、磨料分散性三個(gè)參數(shù)驗(yàn)證對(duì)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(cè)方法
1.4.1去除速率檢測(cè)方法
　　應(yīng)用日本三豐543-691測(cè)厚儀在平面度為0級(jí)大理石平臺(tái)上分別測(cè)量初始藍(lán)寶石基片5點(diǎn)平均厚度δ1，研磨加工后的藍(lán)寶石基片5點(diǎn)平均厚度δ2，以上工件厚度值的單位為µm，研磨時(shí)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(cè)方法
　　應(yīng)用SJ-210型粗糙度儀測(cè)量藍(lán)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(diǎn)，測(cè)量4次，然后取其平均值作為該藍(lán)寶石表面粗糙度Ra值。
　　1.4.3 表面劃痕檢測(cè)方法
　　應(yīng)用Olympus公司CX21型號(hào)光學(xué)顯微鏡，放大800倍對(duì)藍(lán)寶石基片表面劃痕進(jìn)行檢測(cè)；另外采用原子力顯微鏡對(duì)工件表面形貌進(jìn)行檢測(cè)。
　　2 結(jié)果與分析
2.1不同研磨液對(duì)材料去除速率影響對(duì)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(yàn)條件下，各做兩次研磨試驗(yàn)，得到的材料去除速率柱形對(duì)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(yīng)用研磨液ZZSM時(shí)，去除速率可達(dá)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(diǎn)：
（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(guò)程中，參與有效磨削的磨料顆粒數(shù)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(shù)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(shù)越小，潤(rùn)滑性越好，在具體加工過(guò)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(zhǎng)金剛石磨削作用的時(shí)間，提高研磨去除速率。　　
綜上分析研磨液ZZSM的去除速率優(yōu)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(duì)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(lán)寶石表面粗糙度Ra值，并對(duì)粗糙度Ra值進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下所示： 由圖2可以看出，應(yīng)用研磨液L1加工后，藍(lán)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(yīng)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(dāng)，還略有下降；比研磨液L2粗糙度Ra值降低36%。
通過(guò)對(duì)以上粗糙度值差異的分析，我們認(rèn)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?yàn)槟チ蠌骄嘣酱螅瑒t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(guò)程中，大顆粒會(huì)相應(yīng)增大工件表面粗糙度值；另外，由于研磨液L2中磨料出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚磨料會(huì)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(duì)比分析
2.3.1光學(xué)顯微鏡檢測(cè)結(jié)果
　　下圖3為加工前后的藍(lán)寶石表面形貌圖，其中圖a是未加工時(shí)藍(lán)寶石表面形貌圖，圖b是采用研磨液L1加工后藍(lán)寶石表面形貌圖，圖c是采用研磨液L2加工后藍(lán)寶石表面形貌圖，圖d是采用研磨液ZZSM加工后藍(lán)寶石表面形貌圖。 從圖（a）中可以看出，藍(lán)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(xì)微的劃痕。
通過(guò)對(duì)圖（b）、圖（c）、圖（d）對(duì)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(huì)對(duì)工件表面造成劃痕；圖（c）中所用研磨液中有磨料團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚的磨料會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生深劃痕嚴(yán)重加工缺陷。因此圖（b）、圖（c）表面的劃痕相對(duì)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(cè)結(jié)果
　　為了進(jìn)一步對(duì)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(duì)以上三種研磨液加工后的工件采用原子力顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，其中圖a是工件表面形貌圖，圖b是工件表面劃痕深度測(cè)量圖，圖c是劃痕深度值統(tǒng)計(jì)結(jié)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(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)深劃痕嚴(yán)重加工缺陷，其最大值達(dá)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?yàn)樵谘心ヒ篫ZSM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(yōu)于研磨液L1。
　　3 結(jié)論
　　通過(guò)以上具體研磨液試驗(yàn)得知，研磨液ZZSM在具體研磨加工過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)高效的去除速率和良好的表面加工質(zhì)量的結(jié)合，其中材料去除速率可以達(dá)到1.35μm/min，藍(lán)寶石表面粗糙度Ra值達(dá)到16nm，并且表面無(wú)明顯劃痕。
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