雷亞民 王亨瑞 玄真武
北京天地東方超硬材料股份有限公司

　　【摘要】CVD金剛石具有諸多優(yōu)異性能和特點(diǎn)，在廣泛的應(yīng)用前景。而加工技術(shù)是伴隨沉積技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。金剛石膜加工技術(shù)主要包括切割、成型，研磨拋光和釬焊技術(shù)。本文介紹了近年來CVD金剛石加工技術(shù)的主要進(jìn)展，以及有關(guān)應(yīng)用。

　　1 激光加工技術(shù)

　　激光加工技術(shù)是通過激光束對(duì)金剛石進(jìn)行切割、雕刻、打孑L、平面化等，以改變其幾何尺寸為主要目的。工作原理如下：

　　激光束經(jīng)過透鏡組聚焦于金剛石表面附近，功率密度可以達(dá)到108W／cm ，經(jīng)金剛石吸收而產(chǎn)生高溫。高溫下金剛石直接轉(zhuǎn)變?yōu)?a href='/news/search/key/%25E7%259F%25B3%25E5%25A2%25A8.html' target='_blank'>石墨蒸發(fā)并且發(fā)生濺射，或者氧化。通常使用的是脈沖激光，移動(dòng)金剛石片，則很多小孔連接而將金剛石切割。

　　切割時(shí)激光束質(zhì)量對(duì)加工質(zhì)量和精度有較大影響。

　　1．1 切割技術(shù)

　　激光切割主要是指激光束對(duì)CVD金剛石進(jìn)行二維加工的方式。通常激光由YAG激光器產(chǎn)生，波長(zhǎng)為1．06)xm。當(dāng)然也有用波長(zhǎng)更短的激光進(jìn)行加工，如準(zhǔn)分子激光器等? J。激光切割的質(zhì)量主要由切割深度，切割寬度，切割面坡度，切割速度和切割的光滑程度度來表征。激光切割機(jī)裝置原理如下圖所示：

圖1 激光切割機(jī)工作原理

　　激光光束的質(zhì)量，脈沖頻率以及平均功率等對(duì)切割質(zhì)量有較大影響。通常激光切割機(jī)的輸出功率為30—100W，脈沖重復(fù)頻率為3O一100Hz，(也有采取調(diào)Q方式提高頻率達(dá)到幾千Hz)，脈沖寬度為100~s。對(duì)于不同應(yīng)用，采用相應(yīng)的參數(shù)。例如降低燒蝕程度，可采用更小的脈沖寬度，提高切割面光滑度，可提高脈沖頻率等。

　　1．2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)進(jìn)展

　　1．2．1 國(guó)內(nèi)自1997年開發(fā)出YAG金剛石切割機(jī)。進(jìn)過十多年的改良和完善，現(xiàn)在已經(jīng)能夠用于生產(chǎn)。生產(chǎn)超硬材料切割設(shè)備的主要廠家有三和佳明，希波爾等。產(chǎn)品針對(duì)PCD、PCBN和CVDD等材料而設(shè)計(jì)，切割質(zhì)量比過去5年有了較大進(jìn)步，主要體現(xiàn)在激光光束質(zhì)量，重復(fù)頻率，工作穩(wěn)定性等方面的提高。圖2為國(guó)產(chǎn)激光切
割機(jī)。其中三和佳明的HQ103激光切割機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下(W~arW．bjshjm．COB．cn)：

　　1)激光器輸出功率25～50W ；

　　2)重復(fù)頻率8O一100Hz；

　　3)激光脈沖寬度～100~xs；

　　4)光束質(zhì)量m ：2～3(～TEM00)；

　　5)切縫60 ～ 8O m，切縫光滑，切縫錐度?。?/p>

　　6)切割重復(fù)精度達(dá)到0．05mm。

　　1．2．2 國(guó)外在激光加工技術(shù)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。2009年比利時(shí)Bettonville公司發(fā)布了最新一款激光加工設(shè)備UhraShape II(用于工業(yè)金剛石切割)IS]，2004年UhraShape 5x(工業(yè)金剛石切割)。其中UhraShape II的主要特點(diǎn)如下：

　　UhraShape II Laser System

　　激光光源：高功率，波長(zhǎng)為1064nm 或532nm，采用惰性氣體燈或激光二極管泵浦(根據(jù)需要)。

　　X—Y—z高精度磁性工作臺(tái)

　　可進(jìn)行3D加工，如棱錐體，對(duì)頂砧等(須用機(jī)器人手臂系統(tǒng))。加工側(cè)壁垂直于基面，無(wú)激光束發(fā)散性影響。

　　切割面光滑

　　切割精度高，可為后續(xù)加工提供201xm余量。

　　圖3為激光切割系統(tǒng)外觀。圖4為切割完成的樣品^【3】

 圖3 UhraShape II激光切割系統(tǒng)

　　1．3 加工技術(shù)的改進(jìn)可提高產(chǎn)品性能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

　　1．3．1 以往的金剛石車刀正刀面為拋光的平面，在切削硬度較小的金屬材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生很長(zhǎng)的螺旋形切屑，直接影響了正常切削過程。BECKER公司[Ⅵ ．beckerdiamant．de]研制了新的超硬材料刀具，在正刀面加工出斷削槽，使得切削工作更加順利。圖5為帶有斷屑槽的切削刀具。刀頭表面的立體圖案是用激光3D加工技術(shù)制備的。

圖4 切割的樣品。圖中為切割完成的金剛石

圖5 帶有斷屑槽的PCD和CVD金剛石刀具、

　　1．3．2 精密激光加工

　　采用更高頻率的激光，可以進(jìn)行微米級(jí)加工。牛津激光有限公司和牛津大學(xué)Clarendon實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用銅蒸汽激光器(波長(zhǎng)511—578nm，脈沖寬度20ns，脈沖頻率10 kHz，功率密度60 Gw／cm² ) ^【4】。

　　2 拋光技術(shù)

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開展了多種拋光技術(shù)。除了采用機(jī)械拋光方式，還有機(jī)械一化學(xué)法，熱化學(xué)拋光、激光拋光法、等離子體法等 。對(duì)于不同的應(yīng)用，所采用的方法也不同，目前最常用的仍然是機(jī)械方法。

圖6 激光微加工的SEM 照片。若采用精密X—Y—Z平臺(tái)，還可進(jìn)行3D加工

　　2．1 機(jī)械拋光技術(shù)

　　機(jī)械拋光技術(shù)包括兩種，一種采用固著磨料方式，既金剛石砂輪高速拋光方法。另一種磨料為游離于拋光盤，拋光盤的轉(zhuǎn)速低。^【6.7】

　　國(guó)內(nèi)實(shí)用化的拋光技術(shù)為機(jī)械高速拋光法。其裝置原理圖如下：

圖7 機(jī)械式高速拋光裝置原理圖

　　由于砂輪轉(zhuǎn)速為1000—2000轉(zhuǎn)／分，在工作中摩擦產(chǎn)生的熱量使得樣品和砂輪溫度升高，因此砂輪冷卻是必要的。

　　另一種方法是采用經(jīng)典的低速拋光技術(shù)。金剛石磨料可游離于拋光盤。該技術(shù)拋光盤的轉(zhuǎn)速較低，拋光速度較慢。但有點(diǎn)在于能夠大面積拋光，并且振動(dòng)小，對(duì)樣品的破壞性也小。

　　Logictech公司開發(fā)了一款大面積金剛石膜拋光裝置(實(shí)驗(yàn)室用)。就是采用低速拋光方法，如圖8所示。

　　主要技術(shù)指標(biāo)如下：

　　最終厚度：<200~m

　　平面度：4 m一100mm范圍內(nèi)

　　平衡度：2—3 m

　　粗糙度(Ra)：Sub 20nm

　　加工時(shí)間：8小時(shí)lOOnm (打磨)

　　(approximate)24小時(shí)20nm (拋光)

　　2．2 熱化學(xué)拋光

　　所謂熱化學(xué)方式就是在氫氣或保護(hù)性氣氛下，將金剛石與加熱的鐵盤進(jìn)行接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得金剛石中的碳原子擴(kuò)散到鐵盤內(nèi)，達(dá)到去除金剛石的目的。這種方法的拋光效率高于機(jī)械式拋光，因此國(guó)內(nèi)外研究人員研究的較多。但由于要長(zhǎng)時(shí)間處在高溫下，對(duì)金剛石的性能有一定的影響。目前未見到實(shí)用化報(bào)道。

　　另外，還有激光拋光，機(jī)械一化學(xué)，等離子體，超聲波等技術(shù)，在此不一一列舉。

　　3 焊接技術(shù)

　　CVD金剛石與其他材料焊接通常采用銀銅鈦焊料 。一般是在高真空條件下將焊料和基體加熱到焊料的熔點(diǎn)以上。焊料成分通常為銀銅鈦合金，也有采用含有鎳、鉻等元素。另一種方式是采用銀銅焊片+鈦箔。焊接效果相差不多，一般剪切強(qiáng)度在20MPa左右，已經(jīng)能夠滿足實(shí)際需要。但前者對(duì)生產(chǎn)來說更加方便實(shí)用。

　　4 總結(jié)

　　總體來看，國(guó)內(nèi)外CVD金剛石加工技術(shù)都在不斷取得進(jìn)步，尤其是激光加工技術(shù)取得的進(jìn)步推進(jìn)了CVD金剛石應(yīng)用。但是在拋光和焊接方面，似乎進(jìn)展不大，至少在最近的文獻(xiàn)搜索中未見到。

　　加工技術(shù)的進(jìn)步對(duì)促進(jìn)CVD金剛石的應(yīng)用是顯而易見的，但是需要各專業(yè)技術(shù)的結(jié)合。在此希望國(guó)內(nèi)有關(guān)技術(shù)研究單位能夠通過各種形式的技術(shù)合作，加快我國(guó)在加工方面的技術(shù)水平。

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