面向超光滑、低损伤轴承钢表面的化学机械抛光机理研究

Bearing steel has been widely used in the manufacturing of ultra-precision contact surfaces of base parts and components such as rolling bearings and key parts and components in aerospace industry due to its high and uniform hardness, high wear resistance and high elastic limit. In order to achieve great-leap-forward development in the manufacturing of the aforementioned parts and components, innovative ultra-precision machining techniques must be developed to improve the surface quality. Therefore, this project aims to extend the application of the chemical mechanical polishing (CMP) technique which has been commonly applied to fabricate ultra-large scale integrated circuits to the ultra-precision machining of bearing steel-based parts and components to achieve ultra-smooth and low-damage surfaces. Considering that bearing steel has high hardness and complex chemical compositions and structure, the slurry components will be designed accordingly, and the effect of various influence factors on the CMP performance of bearing steel will be systematically investigated, and the physical and the chemical interactions between the bearing steel surface and the slurry will be thoroughly revealed. With gradually decoupling by the macro experiments and complementing by the micro experiments, the material removal mechanism of bearing steel under the coupling of the mechanical and the chemical will be established. On the basis, the CMP process for achieving an ultra-smooth and low-damage bearing steel surface will be put forward. The study accords with the significant strategic requirement of Made in China 2025. The achievements can not only enrich the basic theory of nanotribology, but also help to achieve great-leap-forward development in China’s ultra-precision machining of bearing steel.

轴承钢由于具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限，被广泛应用于滚动轴承等基础零部件和航空业关键零部件的超精密接触表面的制造。为了实现上述零部件制造的跨越式发展，亟需发展新的超精密加工技术来提高其表面质量。为此，本项目拟将超大规模集成电路制造中广泛应用的化学机械抛光技术延伸应用于轴承钢材质零部件的超精密加工领域，以实现其超光滑、低损伤表面的加工。鉴于轴承钢硬度高、化学成分和结构复杂的特性，拟针对性设计抛光液组分，系统研究各种因素对轴承钢抛光性能的影响规律，深入揭示轴承钢表面与抛光液间的物理作用和化学反应机理；通过宏观实验逐步解耦，结合微观实验补充完善，构建轴承钢在机械和化学耦合作用下的材料去除机制；在此基础上，提出实现超光滑、低损伤轴承钢表面的抛光工艺。相关研究符合“中国制造2025”的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米摩擦学的基础理论，更有助于实现我国轴承钢超精密加工的跨越式发展。

轴承钢由于具有优异的机械性能，被广泛应用于滚动轴承等基础零部件和航空业关键零部件的超精密接触表面的制造。为了实现上述零部件制造的快速发展，本项目将化学机械抛光技术延伸应用于轴承钢材质零部件的超精密加工领域，以实现其超光滑、低损伤表面的加工。项目执行期间，系统研究了各种因素对轴承钢抛光性能的影响规律，深入揭示了轴承钢表面的主要化学成分与抛光液中关键组分间的物理作用和化学反应机理，构建了轴承钢在机械和化学耦合作用下的材料去除机制，进而提出了抛光工艺的优化措施，实现了超光滑、低损伤轴承钢表面的加工。主要研究进展如下所示：.（1）考察并阐明了各种因素对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响规律。研究发现，在酸性环境下，微量的过氧化氢和胺类络合剂配合使用，可以实现高的GCr15轴承钢材料去除速率。含氮杂原子的缓蚀剂可以使GCr15轴承钢获得较低的表面粗糙度。过硫酸钾作为一种在弱碱性环境中使用的有效氧化剂，可以扩大GCr15轴承钢化学机械抛光时的pH值选择范围。.（2）构建了GCr15轴承钢在机械和化学耦合作用下的材料去除机制。利用电化学工作站、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱等分析手段，考察了在宏观条件下，GCr15轴承钢表面与抛光液关键组分之间的物理作用和化学反应机理，并构建了相应的材料去除机制。在此基础上，从微观角度揭示了表面氧化层在GCr15轴承钢材料去除行为中的作用。.（3）加工实现了超光滑、低损伤GCr15轴承钢表面。提出了高浓度过氧化氢和低浓度缓蚀剂协同作用实现GCr15轴承钢超高表面质量的工艺方法。发现缓蚀剂中含有疏水性基团可以有效降低轴承钢表面粗糙度，通过优化抛光工艺，在1 μm×1 μm扫描面积下，GCr15轴承钢表面粗糙度可以达到0.3 nm。.本项目关于轴承钢化学机械抛光工艺和机理的研究聚焦“中国制造2025”重大战略需求，相关研究成果不仅可以丰富纳米摩擦学理论，也有助于推动我国轴承钢表面超精密加工的发展进程。