钨钴硬质合金化学机械抛光化学作用机理与抛光液制备研究

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钨钴硬质合金是目前应用较广的一种刀具材料,钨钴硬质合金刀具表面加工质量对制造业发展有着重要影响。化学机械抛光(CMP:Chemical Mechanism and Polishing)是目前公认的超精密平坦化技术,采用CMP方法抛光钨钴硬质合金材料表面,能够有效地提升其表面质量。CMP由机械与化学两者相互协同作用,其化学作用机理是当前研究的热点问题之一。本文就钨钴硬质合金在不同化学试剂下的化学作用机理开展了较为深入的研究,并在此基础上制备了相应的CMP抛光液。主要研究内容如下:(1)研究了钨钴硬质合金在H2O2、H3PO4、Na2SO4、Na Cl、KOH、KMn O4六种不同腐蚀介质溶液中的化学腐蚀行为。将合金浸泡在上述六种腐蚀介质溶液中,发现:在酸性溶液(H2O2,H3PO4,KMn O4)和中性溶液(Na Cl,Na2SO4)中,硬质相WC作为整个电池的阴极被保护。在硬质相和粘结相的相界处,Co层作为最阳极特征最先腐蚀。当相界处的Co层腐蚀达到临界点时,中间层粘结相γ作为次阳极特征开始腐蚀。其中,在酸性溶液H2O2和H3PO4中腐蚀速度快;在KMn O4溶液中,表面生成了一层较厚的氧化膜,抑制了电偶腐蚀,上述腐蚀过程快速停止;在中性溶液Na Cl和Na2SO4中,腐蚀速度缓慢。在碱性溶液KOH中,Co被钝化,造成粘结相γ电极电位低于WC,使得WC为阳极,γ相为阴极。(2)研究了钨钴硬质合金在上述六种不同化学试剂中的化学作用机理。在H2O2和H3PO4中抛光时,当合金表面Co腐蚀达到临界点时,磨粒施加的应力主要集中于WC颗粒表面,失去粘结相的支撑作用的WC颗粒强度下降,在磨粒的划擦作用和压应力下,较小的WC颗粒被直接脱落,较大的WC颗粒表层破碎成WC晶粒,然后表层被机械去除。在KMn O4溶液中抛光时,主要表现为氧化成膜和机械去膜的交替过程。在中性(Na2SO4,Na Cl)和碱性KOH溶液中抛光时,其化学作用极小,可看作只有机械作用,主要表现为粘结剂Co的挤出,紧接着WC颗粒部分脱落和破碎,但过程十分缓慢。(3)研究了钨钴硬质合金CMP抛光液的组份配置。通过实验及理论分析,选取大小为1μm的Al2O3颗粒作为抛光磨粒,确定抛光液p H值在7左右,选取油酸三乙醇胺C24H47NO4作为抛光液缓蚀剂,硬脂酸钾C17H35COOK作为抛光液表面活性剂。(4)通过正交试验得到了钨钴硬质合金抛光液中磨粒、氧化剂、缓蚀剂、表面活性剂各因素含量的优化配比。抛光液优化后的组份配比为:磨粒浓度17.5wt%、氧化剂浓度15wt%、缓蚀剂浓度0.25wt%、表面活性剂浓度0.3wt%。并通过实验验证了该配比下抛光液的稳定可靠性。
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