硬脆材料的磨削特点

1、汇报人：汇报人：小组成员：小组成员：指导老师：指导老师：硬脆材料的磨削特点硬脆材料的磨削特点制造工程研究院010203044.石材的磨削特点石材的磨削特点2工程陶瓷磨削特点工程陶瓷磨削特点3硅片磨削特点硅片磨削特点1前言前言目 录 ContentsContents制造工程研究院制造工程研究院一、前言一、前言硬脆材料特点：硬度高，脆性大，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近，其往往是非金属。硬度高的材料通常都具有很高的脆性，这是因为越硬的材料在力的作用下越不容易发生变形，施加过大的能量容易引起材料的断裂。脆性：材料受到外力达到一定程度后突然破坏，破坏时无明显的塑性变形的特征。 硬度：一种物质

2、刻划另一种物体的难易程度。在1822年莫尔提出了测量硬度的常见矿物表：10 钻石 9 金 8 水晶 7 石英 6 正长石 5 磷灰石 4 氟石 3 方解石 2 石膏石 1 滑石硬脆性材料的物理机械性能与金属材料有较大的差异，加工时表面容易产生裂纹，表面破损等，因此展开对它的加工技术的研究具有重要的意义。二.工程陶瓷的磨削点击添加文本4两个物理模型3工程陶瓷的磨削特点点击添加文本1工程陶瓷概述6陶瓷磨削力特点2典型的类型5工程陶瓷磨削材料去除方式7工程陶瓷ELID镜面磨削8.蓝宝石的性能及应用制造工程研究院制造工程研究院2.1.工程陶瓷概述工程陶瓷概述工程陶瓷材料优点：高强度、高硬度、低密度、低

3、膨胀系数、以及耐磨、隔热等。1. 成型工艺（多为热压、烧结）和晶体结构（离子键和共价键）决定了它具有高脆性、低断裂韧性以及弹性极限与强度非常接近的特点2. 显微组织具有不均匀性和复杂性，这是因为热压、烧结过程中，各相的含量、分布不均匀，烧制成型后物理机械性能很难通过加工方法改变。制造工程研究院制造工程研究院2.2典型的工程陶瓷类型典型的工程陶瓷类型 1.氧化铝（Al2O3）陶瓷 用量最大，用途最广，价格低廉，硬度高（97HRA），高温1200仍为80HRA，主要用来制作刀具，内燃机火花塞，密封环等。 2.氧化锆（ ZrO2）陶瓷 稳定ZrO2陶瓷的质量热容和热导率小，是理想的高温隔热材料，可以

4、用做高温炉内衬和各种热涂层。 部分稳定ZrO2陶瓷热膨胀系数比较大，比较容易与金属匹配，常在陶瓷发动机中用于制作汽缸内壁、活塞 3.氮化硅(Si2N3 ）陶瓷 有三个共有电子对Si-N键，有很高的弹性模量，高温力学性能稳定，摩擦系数低，可用做蜗轮转子、汽缸体和活塞及阀门等零件。 4.铁氧体材料 由铁离子、阳离子和其他金属离子组成的复合氧化物，分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁铁氧体，硬度大、脆性大、气孔多、导热系数小，温度骤变易炸裂，主要用于通信等行业 制造工程研究院制造工程研究院2.3工程陶瓷的磨削特点工程陶瓷的磨削特点2.砂轮磨耗量大，加工成本高4.磨削生产率低3.表面质量不易控制1.磨削力

5、比很大、磨削比小工程陶瓷材料的硬度很高，表现出了优良的耐磨性和抗力，其磨削法向力与切向力之比Fn/Ft很大，约为1040 。工程陶瓷是靠脆性龟裂破坏产生微细粉末状切屑而去除的，粉末状切屑很容易磨损磨具上的结合剂，导致磨粒脱落，从而造成超硬磨料磨具的磨耗严重 工程陶瓷对切削力和切削热都十分敏感。在磨削过程中，磨粒切入工件产生的压应力和摩擦热会使磨粒下方的材料产生局部塑性流动，在已加工表面上形成变形层 由于工程陶瓷的韧性不足，而且磨削抗力很大，使得磨削加工层的厚度受到特定条件的约束，加之优良的磨削性，造成了工程陶瓷材料的切削加工性很差，生产效率低。制造工程研究院制造工程研究院（1）压痕断裂力学模型

6、：通常认为工程陶瓷等硬脆材料在机械加工和使用中产生的表面缺陷与压痕有着极强的相似性。 中央/径向裂纹通常会导致材料强度降低，横向裂纹引起材料的去除。2.4磨削的两个物理模型磨削的两个物理模型（2）磨粒切削加工模型：从陶瓷加工中产生的磨屑形态看，材料主要以脆性断裂的方式被去除，但脆性断裂所消耗的能量不足实测总磨削能的1%，而工件已磨削表面存在大量磨粒耕犁留下的纹路，纹路两侧有明显的塑性变形凸起和撕裂涂覆物。 该模型证实该模型证实：虽然陶瓷材料去除由脆性断裂的实现，但磨削中能量主要消耗于耕犁中的塑性变形制造工程研究院制造工程研究院脆性断裂去除塑性变形去除粉末化去除2.5工程陶瓷磨削材料去除方式工程

7、陶瓷磨削材料去除方式 当磨削多晶结构陶瓷时，材料去除主要以脆性断裂方式完成。 在磨削过程中，单个超硬磨粒与陶瓷工件的接触会产生一个含有分布状晶界微裂纹的损伤区，此时材料的去除则是通过单个颗粒从这些晶界微破碎处的错位方式来完成。精密磨削过程中，当磨削深度在亚微米级时，碎裂和破碎机理不会发生，此时主要可能发生材料粉末化现象。在一定的加工条件下，任何脆性材料能够以塑性流动的方式去除，压痕断裂力学模型预测了产生横向裂纹的临街载荷，在低于这一临界载荷加工条件时，材料去除将以塑性变形去除为主。制造工程研究院制造工程研究院2.6 陶瓷磨削力特点1.陶瓷磨削的法向力与中碳钢磨削法向力差不多韧性较好的Si2N3

8、 和ZrO2陶瓷的法向磨削力力与中碳钢相差不大，但脆性大的陶瓷法向力低于中碳钢，这是因为陶瓷中的原始裂纹较多，属脆性断裂控制磨削过程，消耗的磨削功少。2.陶瓷磨削力比Cf很大显微塑性变形磨削比： 脆性断裂磨削比：影响Al2O3陶瓷磨削力比最显著的因素Vs影响ZrO2陶瓷磨削力比最显著的因素aprsapaauCfgmgc/275. 01rsapuCf/275. 01制造工程研究院制造工程研究院2.6 陶瓷磨削力特点陶瓷磨削力特点3.陶瓷比磨削能es小 比磨削能es是指磨削加工过程中磨除工件上单位体积的金属所消耗的能量， 表达式es =W/V W-磨除V体积的金属所消耗的能量，单位是J V-被磨除

9、金属的体积，单位mm3显微塑性变形剪切能磨粒与磨屑摩擦功裂纹扩展形成新的表面比磨削能组成比磨削能： 金属材料陶瓷材料 Si2N3 Al2O3 制造工程研究院制造工程研究院2.7工程陶瓷工程陶瓷ELID镜面磨削镜面磨削在线电解修整(ELID)镜面磨削技术可以保证金属结合剂超硬磨料砂轮始终保持锐利状态，不会产生切削堵塞砂轮现象，从而可以采用微细、超细超硬磨料砂轮ELID镜面磨削原理Fe元素被离子化后在碱性冷却液中最终生成氧化铁薄膜粘附砂轮表面，随着磨削的进行又逐渐剥落。应控制磨粒脱落速度小于结合剂电解蚀速度以保证砂轮表面始终有相当多的磨粒参与磨削。制造工程研究院制造工程研究院2.8蓝宝石的性能及应

10、用蓝宝石的性能及应用1.六方晶系简介纯氧化铝结晶透明无色Ti3+、Fe3+蓝色蓝宝石Cr3+红宝石Ni3+黄色蓝宝石。 根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1,a2,a3,c四个晶轴。2.蓝宝石分子结构3.蓝宝石晶面C型切面的蓝宝石基底衬底材料A型基底产生统一的电容率/介质高温超导材料R型基底生长的不同沉积的硅料外延长晶微电子集成电路。制造工程研究院制造工程研究院蓝宝石的性能及应用蓝宝石的主要应用领域1.窗口材料红外技术是现代战争中很重要的战略和战术手段, 而红外窗口和整流罩是红外技术的关键部件, 既要保证光电传感器的光学性能, 以确保其红外成像质量; 又要保护红外传感器及其光电装置不被外

11、界环境损伤红外窗口和整流罩通常在恶劣环境中工作, 经受热冲击、 风沙和雨雪的撞击, 海水腐蚀满足基本要求： (1) 机械强度高 (2) 热稳定性好 (3) 化学稳定性好(4) 高光学透射率 (5) 良好光学特性 (6) 能满足大尺寸的窗口要求2. LED衬底衬底材料要求：与外延膜的结构、热膨胀系数、化学稳定性匹配磊晶：在半导体器件制造过程中在原有晶片上长出新结晶，以制成新半导体层的技术。优点1.稳定性很好，能够运用在高温生长过程 2.机械强度高，易于处理和清洗。缺点1.晶格失配和热应力失配 2.硬度高，工艺复杂蓝宝石外延层上表面制作的蓝宝石外延层上表面制作的n n型和型和p p型电极型电极 三

12、.硅片的磨削2单晶硅片磨削特点4.超精密磨削硅片的材料去除机理3.单晶硅片磨削技术1单晶硅的材料特性5硅片表面的磨削纹理2单晶硅片磨削特点制造工程研究院制造工程研究院3.1单晶硅的材料特性单晶硅的晶体结构金刚石IV型结构，由同种元素的两套面心立方体晶格套构而成。单晶硅片是集成电路（IC）制造中最重要的衬底材料 主要晶向指数和晶面指数如下图所示。单晶硅片最易劈开面 从晶体结构上看，单晶硅表现出各向异性，经常裂开的面称为最易裂开面。 111晶面的原子排列最密集，面间距最大，键密度最小，有最小的破裂韧性，面间结合力最弱，受力最容易裂开。 （100）面与（111）面在5474相交，从而沿5474方向裂

13、开。 （111）面与另一个（111）面簇相交成7054，则易沿7054方向裂开。目前，半导体工业最常用的单晶硅片为（111）晶面及（100）晶面。制造工程研究院制造工程研究院3.1单晶硅的材料特性硅的物理性质 单晶硅片呈银灰色，有明显的金属光泽，硬而脆，能导电，但其电导率不如金属且随温度的升高而增加，是一种良好的半导材料，。 具有明显的热膨胀和热传导性质。单晶硅的力学性能 单晶硅片在室温下无延展性，但当温度高于700-800时，就具有明显的塑性，其内部存在的位错开始移动或攀移，在应力作用下会呈现塑性变形。在950-1400温度范围内，它的抗拉强度由约3.5108Pa下降到1108Pa。 制造工

14、程研究院制造工程研究院3.2单晶硅片磨削特点1、易产生表面/亚表面损伤 单晶硅片磨削过程中的材料主要以微裂纹扩展和脆性断裂的方式去除，并产生塑性变形和塑性流动。采用金刚石砂轮磨削时，磨削表面易产生划痕和微裂纹等缺陷和损伤，磨削亚表面存在微裂纹、位错、非晶层、多晶层和残余应力等损伤。2、磨削力比大、砂轮磨削比小 金刚石砂轮磨削单晶硅片时，磨削力比大，要求超精密磨削的砂轮主轴必须具有较高刚度。为了减小单晶硅片磨削亚表面损伤，大多采用硬度较软的树脂结合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮，因而砂轮磨削比小。3、磨削表面质量不易保证 磨削单晶硅片能获得较高的加工精度，但磨削表面会留下明显的“磨纹”（Grindin

15、g Marks）。单晶硅片磨削表面的磨纹不仅影响硅片表面的纳米形貌和粗糙度，而且会影响硅片的强度。4、磨削的单晶硅片易产生变形和碎裂 在磨削加工过程中单晶硅片亚表面会产生残余应力，易引起大直径薄硅片的翘曲或弯曲变形，尤其是引起背面减薄硅片的严重变形，使硅片自动输运困难，很容易产生破碎。制造工程研究院制造工程研究院3.3单晶硅片的磨削技术1、转台式磨削 硅片分别固定于旋转台的吸盘上，在转台的带动下同步旋转，硅片本身并不绕其轴心转动;砂轮高速旋转的同时沿轴向进给，砂轮直径大于硅片直径。 优点：与研磨方法相比，转台式磨削具有去除率高、表面损伤小、容易实现自动化等优点不足：磨削加工中实际磨削区面积B和

16、切入角均随着砂轮切入位置的变化而变化，导致磨削力不恒定，难以获得理想的面型精度，并容易产生塌边、崩边等缺陷应用场合：转台式磨削技术主要应用于200mm以下单晶硅片的加工。单晶硅片尺寸增大，对设备工作台的面型精度和运动精度提出了更高的要求，因而转台式磨削不适合300mm以上单晶硅片的磨削加工。制造工程研究院制造工程研究院3.3单晶硅片的磨削技术2、硅片旋转磨削 原理：吸附在工作台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线旋转，砂轮同时沿轴向连续进给。其中，砂轮直径大于被加工硅片直径，其圆周经过硅片中心。为了减小磨削力和减少磨削热，通常把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或调整砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角，

17、保证砂轮和硅片之间实现半接触磨削。硅片旋转磨削与转台式磨削相比具有以下优点:单次单片磨削，可加工300mm以上的大尺寸硅片;实际磨削区面积B和切入角定，磨削力相对稳定;通过调整砂轮转和硅片转轴之间的倾角可实现单晶硅片而型的主动控制，获得较好的面型精度。制造工程研究院制造工程研究院3.3单晶硅片的磨削技术3、双面磨削 硅片旋转磨削加工硅片上下表面时需要将工件翻转分步进行，限制了效率。同时硅片旋转磨削存在面型误差复印和磨痕，无法有效去除线切割后单晶硅片表而的波纹度和锥度等缺陷。 原理：两侧而对称分布的夹持器将单晶硅片夹持在保持环中，在辊子的带动下缓慢旋转，一对杯型金刚石砂轮相对位于单晶硅片的两侧，

18、在空气轴承电主轴驱动下沿相反的方向旋转并沿轴向进给实现单晶硅片的双而同时磨削。制造工程研究院制造工程研究院单晶硅片的磨削技术各种硅片加工方法对比双面磨削可有效去除去除线切割后单晶硅片表而的波纹度和锥度。单晶硅片磨削和研磨加工对比双面研磨主要应用于200mm以下硅片加工，具有较高的出片率。硅片旋转磨削和双面磨削由于采用固结磨料砂轮，单晶硅片的磨削加工能够获得远高于双面研磨后的硅片表面质量，因此都能够满足主流300mm硅片的加工质量要求，是目前最主要的平整化加工方法。晶圆的背面减薄加工只能选择单面加工方法，如硅片旋转磨削方法。制造工程研究院制造工程研究院3.4超精密磨削硅片的材料去除机理超精密磨削

19、硅片的材料去除机理脆性去除模式脆性去除模式：在磨粒刃圆半径较大且切深较大时，接触区应力首先达到断裂强度，形成裂纹尖端，然后扩展成裂纹，最后断裂成磨屑，加工表面损伤严重，亚表面存在由裂纹、错位组成的损伤层。延性域去除模式延性域去除模式：在磨粒刃圆半径较小且切深较小时，切屑的形成与磨削金属等塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后的表面和亚表面没有裂纹形成，也没有脆性剥落时的凹凸不平的现象产生，是一种损伤极小的磨削方式。 脆性去除和延性去除的混合模式脆性去除和延性去除的混合模式：加工表面是两种加工模式形成的综合。制造工程研究院制造工程研究院3.5硅片表面的磨削纹理硅片表面的磨

20、削纹理硅片的表面质量是影响IC器件的性能、成品率以及寿命的重要因素，影响磨削加工表面质量的主要因素就是硅片表面的磨削纹理，也称为磨削图案。从运动学角度分析是由砂轮磨粒的在工件上的磨削加工路径，即磨削轨迹决定的，其中磨削轨迹的深度、方向、磨纹线条数量、间距和纹理密度等对硅片的加工质量均有重要的影响。硅片旋转磨削时，磨削方式有全接触和半接触磨削之分。为减小硅片磨削时的磨削力和磨削热，提高磨削加工表面质量，一般采用半接触磨削方式。为了便于对磨粒轨迹进行定量仿真计算，取硅片半径rw=150mm，砂轮与硅片中心距s=174mm，砂轮上磨粒点到砂轮中心的距离r=174（杯型砂轮的内、外径分别为173mm和

21、175mm）。Windows2000/XP平台上，应用Visual C+6.0和OpenGL编制不同的转速比I,全接触磨削和半接触磨削的运动轨迹仿真程序。制造工程研究院制造工程研究院硅片表面的磨削纹理硅片表面的磨削纹理单颗磨粒的运动仿真单颗磨粒的运动仿真半接触磨削时单颗磨粒运动轨迹仿真 全接触磨削时单颗磨粒运动轨迹仿真当磨粒的磨削时间超过某一时间T0后，磨削运动轨迹就不再变化，只重复原来的轨迹，从而达到稳定状态，此时定义T0为磨削的稳定周期。杯型砂轮的转动周期Ts=2/s，硅片的转动周期为Tw=2/w，如果Ts和Tw满足下式:k为s，w的最大公约数；m/n为不可约分数。那么，杯型砂轮转m整转，

22、硅片转n整转，就正好为一个循环 因此，m决定磨纹的数量，n决定硅片上的点在砂轮表面的相对轨迹数，k的大小决定重复的循环数目。nkmkWSSWTT制造工程研究院制造工程研究院硅片表面的磨削纹理硅片表面的磨削纹理磨纹对硅片表面质量的影响在半接触、逆磨方式下，取硅片半径rw=150mm，砂轮与硅片中心距s=174mm（杯型砂轮的内、外径分别为173mm和175mm ），I=2400/120时，仿真结果：在硅片超精密磨床上，采用用型号#325的杯型金刚石砂轮粗磨后，在硅片表面产生的磨削纹理下图：定义磨削硅片表面单位面积磨削轨迹长度的总和为磨纹密度，即式中，m为磨纹数量；l为微轨迹长度；rx为硅片上的任

23、意点的半径值；rx为沿径向的变化量；2rxrx为硅片径向微环形面积磨纹密度与磨纹数m成正比，如果砂轮粒度越细，同时参与切削的磨粒数越多，磨纹数越多，磨纹密度越大。磨纹密度沿着径向而减小，硅片中心磨纹最密。可以看出，仿真计算结果与试验结果基本一致xxxx0tdrrdl2mrr2lmlim制造工程研究院制造工程研究院硅片表面的磨削纹理硅片表面的磨削纹理对#600金刚石砂轮磨削后(I= 2400/120)硅片表面显微镜沿硅片径向不同位置观测的磨削纹理图片。发现距离硅片中心位置越近，磨削纹理越密，越靠近硅片边缘，磨削纹理越稀疏。距离硅片中心10mm距离硅片中心40mm距离硅片中心70mm四、石材的磨削

24、2单晶硅片磨削特点4.石材磨削的综合影响因素3.磨削参数的选择1石材磨屑的形成5磨削工艺参数对石材加工的影响2石材磨削的过程制造工程研究院制造工程研究院天然大理石、花岗石有美丽花纹和图案且古朴典雅、色彩缤纷、抗震耐压、耐酸、环保、装饰性好、来源广泛等特点，是古老的建筑材料。 由于现代开采与加工技术的进步，使得天然石材在现代景观中取得了广泛的应用。制造工程研究院制造工程研究院4.1石材磨屑的形成石材磨屑的形成 1.在单颗粒磨削大理石的试验中,在切入、切出部分,以及在微小切深时,试件上的切痕都很小,即使在体视显微镜及扫描电镜下,也只能模糊地看见一点擦痕,未见塑性变形痕迹，这说明只发生了弹性变形弹性

25、变形。 2.当切深加大时,可见到明显的塑性变形塑性变形和切削痕迹。 3.当切深进一步增大时,在切痕两侧及底部均能见到一些裂纹。这些裂纹与表面之间相交贯通而引起断裂,形成磨屑磨屑。 制造工程研究院制造工程研究院4.2石材磨削的过程石材磨削的过程石材磨削过程可分为弹性滑擦、流动变形和脆性断裂三个阶段：石材磨削过程可分为弹性滑擦、流动变形和脆性断裂三个阶段：1.弹性滑擦弹性滑擦是指切削深度很小时,工件与磨粒仅作弹性接触滑动,此时不产生磨屑。2.流动变形流动变形是指由弹性变形和粘塑流动造成少量磨屑和形成磨削表面的过程。此时有 少量磨屑产生。流动变形过程中,表面层破坏极小,故已加工表面质量好。促进流动变

26、形因素：促进流动变形因素：结晶越完整、颗粒越粗大,抗拉强度就较大,不易发生断裂 弹性模量和硬度越低,就越容易发生塑性变形 断裂韧性越大就意味着发生较大变形时不发生断裂 导热性差,则磨削温度高,有利于流动变形的产生。3.脆性断裂脆性断裂是形成磨屑的主要机理，磨削加工可以认为是磨粒给予工件材料围压作用而 使其产生裂纹,进而产生局部破坏而形成切屑。断裂是去除脆性材料的主要形式。磨粒从右向左逐渐切入工件,相当于球压头对试件逐步加载。在磨粒刃口下方及后刀面下方的工件表面层就会产生锥状裂纹 (当磨粒锋锐时就成为中心裂纹,纵、横向裂纹及径向裂纹）。这几种裂纹与工件表面相交贯通,形成不规则的、颗粒不均匀的细小

27、岩屑并同时形成磨削表面。 制造工程研究院制造工程研究院4.3磨削参数的选择磨削参数的选择1.磨粒的影响 磨粒的形状和大小、弹性模量等主要决定应力分布和应变的特性。磨粒切削刃的 刃口钝圆半径r大、外锥角小、弹性模量E小,则在接触区容易形成较大的非弹 性应力场而避免或减少裂纹的产生和扩展,允许材料发生较大的变形而不断裂,故易 发生流动变形。2.切深的影响切深ap对能否产生流动变形起决定性的作用。切深太小,只能发生弹性滑擦,切深太大,则会产生断裂。因此,切深对流动变形的产生有一定的范围,它根据工件的材质,磨料、磨具等的性质而定。3.磨削速度速度增大时,由于动态效应使材料的弹性模量和硬度稍有增大,对流

28、动变形的产生有一定影响,另一方面,高速会产生高温,断裂韧性提高,有利于产生流动变形。总的来说,高速有利于产生流动变形。制造工程研究院制造工程研究院磨削参数的选择磨削参数的选择影响裂纹形成和扩展的因素与影响流动变形的因素基本相同,但效果相反。如:磨粒越锋锐、刚性越好(弹性模量大)、切深越大、磨削速度越低,则越容易产生断裂,形成断裂磨屑及破裂表面。从以上分析可得以下结论:1.石材的磨削过程是一种小余量的切除及磨光作用,包括弹性滑擦、流动变形和脆性断裂三个阶段。2.粗磨是充分利用石材的脆性断裂待征,使材料产生崩碎、断裂,从而提高生产效率。3.精磨和抛光是充分利用石材的“流变”特征,可获得较好的表面质量。根据上述理论进行粗磨和精磨时,磨削用量