周思浩，相炳坤，王仕杰，蘇文玉，孟兆升，王軼群

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 揚(yáng)州伽碼超硬材料有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225800)

0 引言

由于化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石具有一系列的優(yōu)異性質(zhì)[1-3]，而且制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，CVD金剛石膜技術(shù)自從其誕生以來(lái)，就受到廣泛關(guān)注。目前, 已有熱絲CVD法、微波等離子體CVD法、直流等離子體射流CVD法和燃燒火焰法等主要合成金剛石膜的方法，其中較常用的是熱絲CVD法、直流等離子體射流CVD法。CVD金剛石膜通常是全晶質(zhì)多晶膜，由于晶體沿著某些晶面擇優(yōu)生長(zhǎng),生長(zhǎng)表面凹凸不平，一般無(wú)法直接應(yīng)用，必須對(duì)其進(jìn)行拋光處理[4-5]。

從第一種金剛石拋光方法誕生至今，科研工作者已經(jīng)探索出多種金剛石拋光方法。較為常用的有：機(jī)械法拋光、熱化學(xué)法拋光、機(jī)械-化學(xué)拋光、等離子體拋光、激光拋光等[6]。每種拋光方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和各自適用的場(chǎng)合。

目前，對(duì)金剛石拋光的研究主要集中在平面厚膜方面。而對(duì)金剛石薄膜的拋光研究較少，特別是曲面金剛石薄膜的拋光[7-9]。本文針對(duì)拉伸模具內(nèi)孔CVD金剛石薄膜拋光，自行設(shè)計(jì)并研制出專(zhuān)門(mén)設(shè)備對(duì)相關(guān)拋光工藝進(jìn)行了初步研究。探究了拋光載荷、模具轉(zhuǎn)速、金剛石粒徑等因素對(duì)金剛石拋光過(guò)程中的去除率、金剛石表面形貌的影響，并初步摸索出適合拉伸模具內(nèi)孔CVD金剛石薄膜拋光的工藝路線。

1 試驗(yàn)設(shè)備與檢測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)械拋光就是利用游離磨料或拋光頭與CVD金剛石膜表面接觸產(chǎn)生較大的摩擦力，使得金剛石膜表層發(fā)生變形直至碳鍵斷裂而形成碎屑脫落，達(dá)到去除材料的目的。

鑒于機(jī)械拋光的原理，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，分別設(shè)計(jì)了拋光裝置的模具裝夾模塊、拋光頭及傳動(dòng)模塊、拋光裝置床身模塊，將各模塊組裝起來(lái)，完成了整個(gè)拋光設(shè)備的研制。該設(shè)備是針對(duì)拉伸模具壓縮區(qū)而設(shè)計(jì)的，拋光設(shè)備的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 拋光設(shè)備

1.2 檢測(cè)方法

試驗(yàn)主要從表面粗糙度和材料去除率兩個(gè)方面來(lái)衡量拋光效果。采用SartoriusCP225D型精密天平來(lái)檢測(cè)材料去除率；用Leeb431表面粗糙度儀與S-4800II FESEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡檢測(cè)金剛石表面粗糙度與表面形貌。

2 試驗(yàn)過(guò)程

拋光試驗(yàn)過(guò)程采用固結(jié)磨料的拋光頭，其拋光頭中金剛石的粒徑粗拋用10μm、精拋5μm 2種規(guī)格。先進(jìn)行粗拋，再進(jìn)行半精拋，其中粗拋采用的金剛石薄膜是用熱絲CVD法在拉伸模具內(nèi)孔表面沉積的。拉伸模具的尺寸為：外徑30 mm、孔徑9.4 mm、高度21 mm，且壓縮區(qū)金剛石薄膜原始表面粗糙度為4.1 μm，金剛石薄膜的初始表面形貌如圖2所示。半精拋試驗(yàn)是在優(yōu)選的粗拋工藝下拋光1.5 h后的CVD金剛石拉伸模具(表面粗糙度約為0.190 μm)上進(jìn)行的。

試驗(yàn)分別研究在粗拋、精拋過(guò)程中的模具轉(zhuǎn)速、拋光載荷對(duì)拋光效果的影響。通過(guò)拋光前后及拋光過(guò)程中的金剛石的去除率以及其表面質(zhì)量情況的對(duì)比分析，初步探索出了適合拉伸模具壓縮區(qū)CVD金剛石薄膜拋光的拋光工藝。

圖2 金剛石薄膜原始SEM圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 模具轉(zhuǎn)速對(duì)拋光效果的影響

粗拋選用的拋光頭金剛石粒徑為10 μm，拋光載荷為4 N；半精拋選用的拋光頭金剛石粒徑為5 μm，拋光載荷為8 N。在拋光頭進(jìn)給方向速度均為0 m/min的情況下，分別取模具轉(zhuǎn)速為：800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min進(jìn)行粗拋、半精拋的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)每隔0.5 h測(cè)量一次模具內(nèi)孔金剛石表面粗糙度值，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 h的拋光。實(shí)驗(yàn)前后，都依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗后用壓縮空氣吹干，再測(cè)量模具的表面質(zhì)量。3 h試驗(yàn)結(jié)束后，其表面質(zhì)量、去除率隨模具轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。

圖3 表面粗糙度值隨模具轉(zhuǎn)速變化

圖4 去除率隨模具轉(zhuǎn)速變化

由圖3、圖4可見(jiàn)，在其他條件不變的情況下，一定范圍內(nèi)，不管是粗拋還是半精拋，模具轉(zhuǎn)速越快，金剛石薄膜的表面質(zhì)量越好,去除率也越高，只是變化率不同而已。這是因?yàn)槟＞咿D(zhuǎn)速增大，增加了單位時(shí)間內(nèi)金剛石薄膜與金剛石拋光頭之間的微切削次數(shù)，更多凸起的尖峰被去除，所以表面質(zhì)量、材料去除率都較好。

3.2 拋光載荷對(duì)拋光效果的影響

粗拋、半精拋均是在模具轉(zhuǎn)速為1 400r/min、拋光頭進(jìn)給方向速度為0m/min的情況下進(jìn)行的，只是所加載的載荷不同。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)彈簧的拉伸量，分別取表1中的載荷為粗拋、半精拋載荷值。

表1 粗拋、半精拋中的載荷值

選定載荷值后，對(duì)粗拋、半精拋過(guò)程分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)試驗(yàn)，每隔0.5 h測(cè)量一次模具內(nèi)孔金剛石表面粗糙度值，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 h的拋光。實(shí)驗(yàn)前后，都依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗后用壓縮空氣吹干，測(cè)量模具的表面質(zhì)量。3 h試驗(yàn)結(jié)束后，其表面質(zhì)量、去除率隨模具轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系分別如圖5、圖6所示。

圖5 表面粗糙度值隨拋光載荷變化

由圖5可見(jiàn)，在其他條件不變的情況下，一定范圍內(nèi)，隨著拋光載荷的增加，表面粗糙度先變小后增大，這是因?yàn)椋寒?dāng)拋光載荷較小時(shí)，隨著拋光載荷的增大，作用于尖峰的壓強(qiáng)隨之增大，對(duì)凸起的金剛石晶體的剪切力也跟著增大，凸起的尖峰受到較大的沖擊力而被不斷去除，金剛石薄膜的表面粗糙度則逐漸減小。而隨著拋光載荷的繼續(xù)增大，在較大的拋光載荷和較高的模具轉(zhuǎn)速的交互作用下，薄膜表面的金剛石晶體將受到巨大的沖擊力，更多的晶體會(huì)斷裂，有些結(jié)合不牢的晶粒也會(huì)脫落，在已拋光的薄膜表面產(chǎn)生凹坑，甚至產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差，影響膜的品質(zhì)。由圖6可見(jiàn)，在其他條件不變的情況下，一定范圍內(nèi)，隨著拋光載荷的增加，材料去除率也隨著增加，這是因?yàn)椋簰伖廨d荷的增大，作用于尖峰的壓強(qiáng)隨之增大，對(duì)凸起的金剛石晶體的剪切力也跟著增大，凸起的尖峰受到較大的沖擊力而被不斷去除。粗拋與半精拋不同的是：它們的最優(yōu)載荷值不同，粗拋為10N，半精拋為13N，這是因?yàn)榘刖珤仌r(shí)，表面質(zhì)量較好，能承受更大的載荷。

由上可得到粗拋、半精拋實(shí)驗(yàn)的優(yōu)選值，其相應(yīng)的參數(shù)如下，粗拋為：金剛石粒徑10μm、模具轉(zhuǎn)速1 400r/min、拋光載荷10N，經(jīng)優(yōu)選值拋光后的金剛石表面質(zhì)量如圖7所示；半精拋為：金剛石拋光粒徑為5μm、模具轉(zhuǎn)速為1 400r/min、拋光載荷為13N。經(jīng)最優(yōu)值拋光后的表面形貌如圖8所示。

圖7 粗拋后的SEM圖

4 結(jié)語(yǔ)

在拉伸模具內(nèi)孔CVD金剛石薄膜機(jī)械拋光中，固結(jié)金剛石磨料的粒徑、模具轉(zhuǎn)速、拋光載荷等直接影響金剛石的去除率以及拋光后的表面質(zhì)量。在保證CVD金剛石

圖8 半精拋的SEM圖

薄膜不出現(xiàn)破裂、嚴(yán)重?fù)p傷的前提下,適當(dāng)選擇較高的模具轉(zhuǎn)速、較粗粒徑的金剛石拋光頭、較大的拋光載荷，可提高去除速率。要獲得較好的表面質(zhì)量，則需要較細(xì)粒徑的金剛石拋光頭、適當(dāng)?shù)妮d荷。

通過(guò)試驗(yàn)，初步探索出適合拉伸模具內(nèi)孔CVD金剛石薄膜機(jī)械拋光的拋光工藝，即先粗拋光后半精拋光。其中，粗拋光優(yōu)化工藝參數(shù)：金剛石粒徑10 μm、模具轉(zhuǎn)速1 400 r/min、拋光載荷10 N；半精拋工藝參數(shù)的最優(yōu)值：金剛石拋光粒徑為5 μm、模具轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、拋光載荷為13 N。

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