磁控溅射钛靶靶面磨削加工工艺

1、引言

随着人们对钛材性能的认识，钛及钛合金产品在实际应用中愈来愈广泛。近几年作者因从事机械研制与加工工作，被要求接受大量真空磁控溅射镀膜用钛靶靶面精加工任务，这种溅射镀膜用钛靶靶面的平面度、粗糙度和厚度公差要求非常严格，国内尚无大批量商业产品供应，主要依靠进口，价格昂贵。本研究针对钛导热性差、退火态硬度低、塑性与韧性好、刚性差、化学活性高及无磁性等特点，对比选择了磨削钛溅射靶靶平面的主要工具砂轮，此外，对磨削参数进行了对比试验，以确定钛及钛合金最佳的磨削工艺，为磁控溅射用钛靶材的规模化生产提供可靠的依据。

2、磨削溅射镀膜用钛靶的特点

磨削真空磁控溅射镀膜的钛靶，有以下的特点和技术上的难度。

1）磨削工件是平面(图1)，凡平面磨削砂轮和工件的接触面积大，磨削时发热量大，尤其是钛的导热性差，其热导率仅为钢的1／40，在相同的磨削速度下，纯钛和TC4钛合金磨削温度约为45^#钢的1.5~2倍。特别像图1所示的工件，磨削时发热容易产生翘曲变形和烧伤。

2）钛材在退火状态下，硬度较低，塑性与韧性好，磨削时砂轮粘附现象很严重，钛屑呈云雾状遍布砂轮表面，几乎看不到砂粒，砂轮极易钝化。

3）纯钛的弹性模量小，仅为钢的1／2，刚性也不好，容易受磨削力的作用产生变形。

4）钛的化学活性高，在磨削发热条件下，很容易与环境气氛发生反应使表面被污染。

5）钛是非磁性材料，钛工件不能直接与工作台面相吸引，磨削时只能靠自身重量及周边挡块作用来装夹固定，所以作用在工件上的磨削力不能太大，否则工件易发生变形。

为保证作为溅射用钛靶平面磨削的质量和技术要求，要根据磨削工件的性质和技术特点来严格选择和设计磨具。

3、磨具的选择

组成磨具的主体是砂轮。对于确定的磨削对象，磨削的效果取决于砂轮的性能与磨削材质的匹配。本实验磨削钛工件(图1)，因此要根据其性质来考虑组成砂轮磨料种类及磨料的粒度、结合剂、砂轮致密度等因素。

3.1 磨料种类

磨料是制造磨具的最主要材料，磨削力来自于磨料。在磨料选择方面，从钛材极易粘附砂轮这一特性出发，本实验分别采用单晶刚玉、白刚玉及绿碳化硅3种磨料的砂轮(硬度、粒度相同)，对尺寸为304 mmx333 mm的TA2工件进行对比磨削试验，结果见表1。

根据试验结果，决定采用以白刚玉为磨料的砂轮，因其磨粒易碎裂，韧性低，棱角锋利，切削性能好，产生的磨削热量小，砂轮容易保持其一定的自锐性，有利于减少磨削力。至于表面局部的烧伤现象，通过调整砂轮硬度及组织可得到改善。

3.2 硬度

这里所谓的磨具硬度，是指砂轮在外力作用下磨粒脱落的难易程度。砂轮过硬，磨钝的磨粒不易脱落，砂轮易堵塞，使磨削阻力增大，磨削热量增加，降低磨削效率，且工件易烧伤；若砂轮过软，又容易被损耗。根据钛材性质，选择中软硬度级别。

3.3 组织

组织是指砂轮中磨粒所占体积百分比，即砂轮的致密度。组织相对疏松的砂轮不易堵塞，磨削力不易降低，有利于提高生产效率。对钛材而言，砂轮的组织应选择疏松级别。

3.4 结合剂

结合剂决定了磨具的强度、抗冲击性、耐热性和抗腐蚀性。根据钛材特点及结合剂性能，选择了耐热、抗腐蚀性，且易实现大气孔率、高磨削效率的陶瓷结合剂。

3.5 粒度

粒度的选择主要考虑表面粗糙度和磨削效率。粒度越小越容易降低表面粗糙度值，但相应地磨削效率有所下降。在对工件的对比磨削试验中，分别选用了36^#，46^#，60^#粒度的砂轮进行了对比，结果得出，采用36^#粒度的砂轮进行磨削，表面粗糙度能达到Ra 1.6以上，磨削所需时间较短；46^#粒度砂轮能达到Ra0.8，60^#粒度砂轮可达到Ra0.4以上，但所需磨削时间较长。比较其综合效果，选择46^#粒度砂轮。

4、磨削参数的选择

4.1 磨削速度

采用46^#粒度砂轮的条件下，对本实验工件(图1)进行了磨削。粗磨时，选择砂轮的线速度v₀=30～35m/s，工件纵向进给速度v_w=18~25m/min，砂轮径向进给量f_r=0.015～0.025mm/单行程。精磨时，选择V0=35m/s，v_w=12～15m/min，f_r=0.005 mm/单行程。

若有更高精度及表面粗糙度要求时，在精磨前应修整砂轮，用2～4个行程无火花磨削至最终要求。

4.2 磨削液

在磨削中，应使用磨削液来缓解加工表面的磨擦，降低磨削温度，排除切屑，保护加工表面。

在本实验中采用普通乳化油即可满足要求。若有更高磨削精度及表面粗糙度要求时，应使用含添加剂S，CI，P的极压油，效果更好。

5、结论

1）采用本研究的磨削工艺，对真空磁控溅射钛靶(纯钛或钛合金)进行磨削，在加工余量相同的条件下，表面粗糙度达到Ra0.4，厚度公差可控制在0.03mm之内，平面度公差可控制在0.02mm之内，比采用普通磨削方法效率提高2倍以上。

2）可将此磨削方法应用到紫铜及纯银材料的磨削中，也得到非常好的效果，尺寸精度可达IT5级，表面粗糙度达到Ra0.4，打破了机械行业中通常认为紫铜、纯银不能磨削的观点。

参考文献

【1】Han Rong(韩荣)．Cutting Process of Difficult MachiningMaterial(难加工材料的切削]JIISE)[M]．Beijing：Mechani—cal Industry Press，1990．182-185

【2】Hua Dingan(华定安)．Machining of Titanium and Its Alloy(钛及钛合金的加工)【M】．Bering：Metallurgical Industry

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【3】Li Fulai(李福来)．Handbook o，Grinding Tool(磨具手册)【M】．Beijing：Metallurgical Industry Press，1989．133-135

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