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金剛石具有諸多優異性能和特點，在廣泛的應用前景。而加工技術是伴隨沉積技術的發展而發展起來的。金剛石膜加工技術主要包括切割、成型，研磨拋光和釬焊技術。本文介紹了近年來CVD金剛石加工技術的主要進展，以及有關應用。

　　1 激光加工技術

　　激光加工技術是通過激光束對金剛石進行切割、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：

　　激光束經過透鏡組聚焦于金剛石表面附近，功率密度可以達到108W／cm ，經金剛石吸收而產生高溫。高溫下金剛石直接轉變為石墨蒸發并且發生濺射，或者氧化。通常使用的是脈沖激光，移動金剛石片，則很多小孔連接而將金剛石切割。

　　切割時激光束質量對加工質量和精度有較大影響。

　　1．1 切割技術

　　激光切割主要是指激光束對CVD金剛石進行二維加工的方式。通常激光由YAG激光器產生，波長為1．06)xm。當然也有用波長更短的激光進行加工，如準分子激光器等? J。激光切割的質量主要由切割深度，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。激光切割機裝置原理如下圖所示：

圖1 激光切割機工作原理

　　激光光束的質量，脈沖頻率以及平均功率等對切割質量有較大影響。通常激光切割機的輸出功率為30—100W，脈沖重復頻率為3O一100Hz，(也有采取調Q方式提高頻率達到幾千Hz)，脈沖寬度為100~s。對于不同應用，采用相應的參數。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 國內外技術進展

　　1．2．1 國內自1997年開發出YAG金剛石切割機。進過十多年的改良和完善，現在已經能夠用于生產。生產超硬材料切割設備的主要廠家有三和佳明，希波爾等。產品針對PCD、PCBN和CVDD等材料而設計，切割質量比過去5年有了較大進步，主要體現在激光光束質量，重復頻率，工作穩定性等方面的提高。圖2為國產激光切
割機。其中三和佳明的HQ103激光切割機主要技術指標如下(W~arW．bjshjm．COB．cn)：

　　1)激光器輸出功率25～50W ；

　　2)重復頻率8O一100Hz；

　　3)激光脈沖寬度～100~xs；

　　4)光束質量m ：2～3(～TEM00)；

　　5)切縫60 ～ 8O m，切縫光滑，切縫錐度小；

　　6)切割重復精度達到0．05mm。

　　1．2．2 國外在激光加工技術方面具有較大優勢。2009年比利時Bettonville公司發布了最新一款激光加工設備UhraShape II(用于工業金剛石切割)IS]，2004年UhraShape 5x(工業金剛石切割)。其中UhraShape II的主要特點如下：

　　UhraShape II Laser System

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

　　X—Y—z高精度磁性工作臺

　　可進行3D加工，如棱錐體，對頂砧等(須用機器人手臂系統)。加工側壁垂直于基面，無激光束發散性影響。

　　切割面光滑

　　切割精度高，可為后續加工提供201xm余量。

　　圖3為激光切割系統外觀。圖4為切割完成的樣品^【3】

 圖3 UhraShape II激光切割系統

　　1．3 加工技術的改進可提高產品性能，擴大應用領域

　　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會產生很長的螺旋形切屑，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，可以進行微米級加工。牛津激光有限公司和牛津大學Clarendon實驗室的研究人員采用銅蒸汽激光器(波長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

　　經過多年的發展，國內外開展了多種拋光技術。除了采用機械拋光方式，還有機械一化學法，熱化學拋光、激光拋光法、等離子體法等 。對于不同的應用，所采用的方法也不同，目前最常用的仍然是機械方法。

圖6 激光微加工的SEM 照片。若采用精密X—Y—Z平臺，還可進行3D加工

　　2．1 機械拋光技術

　　機械拋光技術包括兩種，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，拋光盤的轉速低。^【6.7】

　　國內實用化的拋光技術為機械高速拋光法。其裝置原理圖如下：

圖7 機械式高速拋光裝置原理圖

　　由于砂輪轉速為1000—2000轉／分，在工作中摩擦產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典的低速拋光技術。金剛石磨料可游離于拋光盤。該技術拋光盤的轉速較低，拋光速度較慢。但有點在于能夠大面積拋光，并且振動小，對樣品的破壞性也小。

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

　　主要技術指標如下：

　　最終厚度：<200~m

　　平面度：4 m一100mm范圍內

　　平衡度：2—3 m

　　粗糙度(Ra)：Sub 20nm

　　加工時間：8小時lOOnm (打磨)

　　(approximate)24小時20nm (拋光)

　　2．2 熱化學拋光

　　所謂熱化學方式就是在氫氣或保護性氣氛下，將金剛石與加熱的鐵盤進行接觸并有相對運動，使得金剛石中的碳原子擴散到鐵盤內，達到去除金剛石的目的。這種方法的拋光效率高于機械式拋光，因此國內外研究人員研究的較多。但由于要長時間處在高溫下，對金剛石的性能有一定的影響。目前未見到實用化報道。

　　另外，還有激光拋光，機械一化學，等離子體，超聲波等技術，在此不一一列舉。

　　3 焊接技術

　　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，一般剪切強度在20MPa左右，已經能夠滿足實際需要。但前者對生產來說更加方便實用。

　　4 總結

　　總體來看，國內外CVD金剛石加工技術都在不斷取得進步，尤其是激光加工技術取得的進步推進了CVD金剛石應用。但是在拋光和焊接方面，似乎進展不大，至少在最近的文獻搜索中未見到。

　　加工技術的進步對促進CVD金剛石的應用是顯而易見的，但是需要各專業技術的結合。在此希望國內有關技術研究單位能夠通過各種形式的技術合作，加快我國在加工方面的技術水平。

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