CN112011720A - 一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途 - Google Patents

一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途，包括以下质量百分数的成分：C：2.8‑4.5％、Si：1.5‑3.8％、Mn：0.45‑1.15％、P：0.01‑0.04％、S：0.01‑0.028％、Mg：0.04‑0.12％、Cu：2.85‑7％、Cr：0.03‑0.12％、Sn：0.001‑0.005％、Ni：0.4‑0.6％，余量为Fe。本发明的技术方案具有良好的强度和耐磨性,有效的改善了铸件的力学性能，提高了球墨铸铁中球化率和珠光体含量，有效提高了单面高纯结晶的均匀性，改善了铸造缺陷的隐患。

Description

一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途
技术领域
本发明涉及铸铁材料领域，具体地说，涉及一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途。
背景技术
球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。
球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。
球墨铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用，这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁有许多牌号，提供了机械性能和物理性能的一个很宽的范围。如国际标准化组织ISO1083所规定的大多数球墨铸铁铸件，主要是以非合金态生产的。这些范围包括抗拉强度大于800牛顿/平方毫米，延伸率为2％的高强度牌号，也包括一些高塑性牌号，其延伸率大于17％，而相应的强度较低(最低为370牛顿/平方毫米)。其它决定性的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能等。
随着科技的发展，电子产品的功能不断增强，而精密度不断提高。在半导体器件的制造领域，半导体器件的精密度不断升级，电子芯片的精密度提升为3至2纳米级。为此，在半导体器件制造过程中，在晶圆的功能面上形成众多半导体器件之后，需要进行晶圆双面研磨工艺，采用平坦化工艺研磨晶圆与功能面对应的双面去除部分厚度的晶圆，以减小后续形成的芯片厚度与精密度。
因此，本发明提供了一种可适用于制造晶圆研磨盘的球墨铸铁材料及其制造方法。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种球墨铸铁材料及其制造方法和用途，在具有较高球化率和珠光体的情况下，还具有较高的适合于晶圆研磨的硬度和均匀性，能够应用于半导体晶圆研磨盘。
根据本发明的一个方面，提供了一种球墨铸铁材料，包括以下质量百分数的成分：C：2.8-4.5％、Si：1.5-3.8％、Mn：0.45-1.15％、P：0.01-0.04％、S：0.01-0.028％、Mg：0.04-0.12％、Cu：2.85-7％、Cr：0.03-0.12％、Sn：0.001-0.005％、Ni：0.4-0.6％，余量为Fe。
优选的：包括以下质量百分数的成分：C：3-4％、Si：1.8-3.2％、Mn：0.5-0.95％、P：0.02-0.04％、S：0.015-0.023％、Mg：0.05-0.12％、Cu：3.25-6.85％、Cr：0.08-0.12％、Sn：0.002-0.004％、Ni：0.45-0.6％，余量为Fe。
优选的：包括以下质量百分数的成分：C：3.2-3.8％、Si：2-2.8％、Mn：0.5-0.75％、P：0.02-0.038％、S：0.015-0.02％、Mg：0.055-0.09％、Cu：4.15-6.55％、Cr：0.07-0.1％、Sn：0.002-0.003％、Ni：0.5-0.58％，余量为Fe。
优选的：所述球墨铸铁材料的球化率为88％-95％。
优选的：所述球墨铸铁材料的珠光体含量为70％-85％。
根据本发明的另一个方面，提供了上述任一项所述的球墨铸铁材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按质量百分数调节，进行球化、孕育处理；
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中，降温后得到胚料；
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
优选的：所述步骤2中采用单面差异冷却的方法对砂型腔中的铁液进行降温处理。
优选的：所述步骤2中通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢或钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面差异冷却降温处理。
根据本发明的另一个方面，提供了上述任一项所述的球墨铸铁材料的用途，用于制造研磨盘。
优选的：用于制造研磨半导体晶圆的研盘(磨板)。晶圆是半导体芯片、电子器件的成品基材。
本发明的一种球墨铸铁材料及其制作方法和用途，具有良好的强度和耐磨性,有效的改善了铸件的力学性能，提高了球墨铸铁中球化率和珠光体含量，达到研磨使用层无铸造缺陷的要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明实施例砂型腔的结构示意图。
附图标记
1 砂型腔
2 浇口
3 型腔
31 型腔的顶面
32 型腔的底面
4 钢板
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
在本发明的实施例的一种用于制造研磨晶圆研盘(磨板)的球墨铸铁材料，包括以下质量百分数的成分：
C：2.8-4.5％，优选为3-4％，并优选为3.2-3.8％，进一步优选为3.4-3.6％；
Si：1.5-3.8％，优选为1.8-3.2％，并优选为2-2.8％，进一步优选为2-2.5％；
Mn：0.45-1.15％，优选为0.5-0.95％，并优选为0.5-0.75％，进一步优选为0.52-0.68％；
P：0.01-0.04％，优选为0.02-0.04％，并优选为0.02-0.038％，进一步优选为0.02-0.032％；
S：0.01-0.028％，优选为0.015-0.023％，并优选为0.015-0.02％，进一步优选为0.015-0.019％；
Mg：0.04-0.12％，优选为0.05-0.12％，并优选为0.055-0.09％，进一步优选为0.058-0.085％；
Cu：2.85-7％，优选为3.25-6.85％，并优选为4.15-6.55％，进一步优选为4.2-6.15％；
Cr：0.03-0.12％，优选为0.08-0.12％，并优选为0.07-0.1％，进一步优选为0.075-0.095％；
Sn：0.001-0.005％，优选为0.002-0.004％，并优选为0.002-0.003％，进一步优选为0.002-0.0025％；
Ni：0.4-0.6％，优选为0.45-0.6％，并优选为0.5-0.58％，进一步优选为0.5-0.56％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明实施例的球墨铸铁材料及晶圆研磨盘优化了合金成分，能够获得强度更高、硬度更大的细片状珠光体，有利于磨料金刚砂的嵌入。
C元素是石墨的原材料，C元素以及Si元素是球墨铸铁的主要组成元素。碳原子之间结合力是由含碳量决定的。合适的合金成分能够将铁原子分散性、碳原子之间的分散距离缩短，得到原子的均衡密度和浇铸钢液良好的流动性，实现良好的铸造凝固结晶。
Sn元素的加入则有利于提高合金的耐磨性，Si、Cu元素能够细化石墨，使石墨分布均匀，有利于金刚砂的嵌固，改善材料的研磨性，Mg元素起球化作用，并净化铁水，有效改善铸件的力学性能，加入的P元素则在合金形成磷共晶，有利于提高研磨盘的耐磨性和尺寸稳定性。
Mn元素能起到合金作用，稳定碳化钨和珠光体，促使珠光体增加并细化，有较好的稳定延利率。
Cr元素具有细化石墨、增加珠光体数量、提高抗磨性能的作用。
本发明的实施例的没有使用钨元素，钨元素在球墨铸铁中能够产生部分固溶体碳化钨。碳化钨的热强性、致密硬度红硬性均很高。但具有高强性的机械性能的同时，缺乏柔性能，反而影响了研磨的效果和加工时效。因此，本发明的实施例的没有使用钨元素，通过合适比例的Ni元素和Cu元素等所产生的综合性能更能恰合研磨指标，柔和性能更佳。
本发明实施例的各元素之间相互配合，从而获得具有良好的强度和耐磨性，且硬度较高的球墨铸铁，得到的球墨铸铁的基体组织中珠光体可达70％以上，并含有少量铁素体以及磷共晶，且经热处理后，提高了球墨铸铁组织及力学性能的稳定性，在使用过程中不易变形，提高使用寿命。将该球墨铸铁用于制作研磨盘，对金刚石等磨料的嵌固性好，去平面率快速、削剪率强，且研磨盘消耗磨损率低、自磨损均匀性高，能够满足晶圆的超精密研磨加工。
在本发明的实施例的中，一种球墨铸铁材料的球化率为88％-95％，优选为90-94％；珠光体含量为70％-85％，优选为75-80％；抗拉强度为650-670N/m，屈服强度为650-670N/m，硬度值为200-218HB。
在本发明的另一实施例中，一种球墨铸铁材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按质量百分数调节，进行球化、孕育处理；其中质量百分数为上述的球墨铸铁材料成分的质量百分数：
优选使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育。
并优选熔炼温度为1300-1400℃，优选为1350-1390℃，进一步优选1370-1380℃，以防止温度过高、膨胀系数过高，造成铸造凝固缺陷。
步骤2，如图1中所示，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔1中，优选为树脂砂砂型腔，降温后得到胚料；
在本发明的实施例中，砂型腔1的浇口2的形状上大下小，上部截面形状呈三角形，使得钢水的冲击力增加、压强增加、凝固减慢，工件浇口部位缩松气孔归零。
此外，在本发明的实施例中，优选通过单面差异冷却的方法对砂型腔1中的铁液进行降温处理。单面差异冷却就是对砂型腔1的型腔3的单面，即顶面31或底面32，优选为底面32进行相对于另一面的快速冷却，从而在型腔3中铁液的顶面和底面之间形成有差异的不同的冷却速度，造成两面之间的收缩比差，驱使铁液中的杂质、气泡等异物往冷却速度慢的一面移动，控制胚料中的杂质和起泡，降低胚料的杂质，提高胚料的均匀性无异物和铸造缺陷。
优选通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢或钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。并优选通过预埋钢板4的方法对型腔进行单面冷却，从而提高冷却时型腔表面的整体一致性。
如图1中所示，进一步优选钢板4上设有若干个通孔，通过通孔固定砂型腔的树脂砂。优选钢板4的长度，即如图1中所示的左右方向的长度大于型腔3的长度。优选钢板4的厚度为13-60mm，按照需冷却的铁液的容量而定。并优选钢板4距离砂型腔1型腔3的内底表面32之间的距离为8-40mm，优选为10-25mm，以达到最佳的单面快速冷却收缩作用。
并优选砂型腔降温时间为20-24小时，优选为22-23小时，使得材质收缩一致，保持原本的性质和一致性。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
本发明实施例的制造方法，配合本发明实施例的成分组成，能够有效的改善铸件的力学性能，提高球墨铸铁中球化率和珠光体含量，达到满足晶圆超精密研磨加工的要求。
下面以具体实施例描述本发明：
实施例1
一种球墨铸铁材料及含有球墨铸铁材料的晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：3.2％，Si：1.5％；Mn：0.95％；P：0.04％；S：0.015％；Mg：0.09％；Cu：6.85％；Cr：0.08％；Sn：0.0025％；Ni：0.4％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1370℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。钢板的厚度为20mm。钢板距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为20mm。
降温时间为22小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例2
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：4％，Si：3.2％；Mn：0.75％；P：0.02％；S：0.023％；Mg：0.085％；Cu：4.15％；Cr：0.1％；Sn：0.004％；Ni：0.5％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1300℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。圆钢的直径为20mm。圆钢距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为25mm。
降温时间为20小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例3
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：4.5％，Si：2.8％；Mn：1.15％；P：0.02％；S：0.01％；Mg：0.12％；Cu：2.85％；Cr：0.075％；Sn：0.002％；Ni：0.56％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1390℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。钢板的厚度为30mm。钢板距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为8mm。
降温时间为24小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例4
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：2.8％，Si：1.8％；Mn：0.5％；P：0.01％；S：0.015％；Mg：0.055％；Cu：7％；Cr：0.12％；Sn：0.005％；Ni：0.45％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1400℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。钢板的厚度为13mm。钢板距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为10mm。
降温时间为23小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例5
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：4％，Si：3.2％；Mn：0.75％；P：0.02％；S：0.023％；Mg：0.085％；Cu：4.15％；Cr：0.1％；Sn：0.004％；Ni：0.5％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1300℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。钢板的厚度为50mm。钢板距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为40mm。
降温时间为20小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例6
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：3％，Si：2.5％；Mn：0.45％；P：0.038％；S：0.02％；Mg：0.04％；Cu：6.55％；Cr：0.07％；Sn：0.001％；Ni：0.6％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1350℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。圆钢的直径为13mm。圆钢距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为15mm。
降温时间为24小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例7
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：3.4％，Si：2％；Mn：0.52％；P：0.032％；S：0.028％；Mg：0.058％；Cu：6.15％；Cr：0.095％；Sn：0.003％；Ni：0.58％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1385℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。圆钢的直径为60mm。圆钢距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为18mm。
降温时间为24小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例8
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：3.8％，Si：3.8％；Mn：0.68％；P：0.035％；S：0.019％；Mg：0.05％；Cu：4.2％；Cr：0.03％；Sn：0.0042％；Ni：0.52％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1395℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。圆钢的直径为18mm。圆钢距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为9mm。
降温时间为21小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
实施例9
一种球墨铸铁材料及晶圆研磨盘，包括以下质量百分数的成分：
C：3.6％，Si：2.1％；Mn：0.85％；P：0.035％；S：0.022％；Mg：0.1％；Cu：3.25％；Cr：0.065％；Sn：0.0045％；Ni：0.48％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
这种材料的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按上述的质量百分数调节；使用优质的1.5％的球化剂和1％的孕育剂进行球化、孕育处理；控制炉温为1395℃。
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中；
通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢的方法对砂型腔中的铁液进行单面冷却降温处理。圆钢的直径为40mm。圆钢距离砂型腔型腔的内底表面之间的距离为22mm。
降温时间为23小时。
步骤3，将胚料进行热处理后得到球墨铸铁材料。
经检测，实施例1-9中所制成的球墨铸铁材料的技术指标如下，所制造出来的半导体晶圆的研磨盘具有硬度高、磨损率低、自磨损均匀性高等优点：
球化率 珠光体含量 强度HB 抗拉强度N/m 屈服强度N/m
实施例1 95％ 83％ 216 662 665
实施例2 94％ 84％ 210 659 670
实施例3 90％ 85％ 215 668 650
实施例4 88％ 79％ 209 657 655
实施例5 94.5％ 82％ 200 665 658
实施例6 92％ 70％ 218 670 667
实施例7 93％ 75％ 212 650 652
实施例8 89％ 78％ 206 660 660
实施例9 91.5％ 76％ 205 655 662
综上，本发明的一种球墨铸铁材料及其制造方法和用途，有效的改善铸件的力学性能，提高了球墨铸铁中球化率和珠光体含量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种球墨铸铁材料，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：C：2.8-4.5％、Si：1.5-3.8％、Mn：0.45-1.15％、P：0.01-0.04％、S：0.01-0.028％、Mg：0.04-0.12％、Cu：2.85-7％、Cr：0.03-0.12％、Sn：0.001-0.005％、Ni：0.4-0.6％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于：包括以下质量百分数的成分：C：3-4％、Si：1.8-3.2％、Mn：0.5-0.95％、P：0.02-0.04％、S：0.015-0.023％、Mg：0.05-0.12％、Cu：3.25-6.85％、Cr：0.08-0.12％、Sn：0.002-0.004％、Ni：0.45-0.6％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于：包括以下质量百分数的成分：C：3.2-3.8％、Si：2-2.8％、Mn：0.5-0.75％、P：0.02-0.038％、S：0.015-0.02％、Mg：0.055-0.09％、Cu：4.15-6.55％、Cr：0.07-0.1％、Sn：0.002-0.003％、Ni：0.5-0.58％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于：所述球墨铸铁材料的球化率为88％-95％。
5.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于：所述球墨铸铁材料的珠光体含量为70％-85％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的球墨铸铁材料的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将熔炼的铁液的成分按质量百分数调节，进行球化、孕育处理；
步骤2，将球化孕育处理后的铁液浇筑到砂型腔中，降温后得到胚料；
步骤3，将胚料进行保温冷却后得到球墨铸铁材料。
7.根据权利要求6所述的球墨铸铁材料的制作方法，其特征在于：所述步骤2中采用单面差异冷却的方法对砂型腔中的铁液进行降温处理。
8.根据权利要求7所述的球墨铸铁材料的制作方法，其特征在于：所述步骤2中通过在砂型腔中型腔的下方预埋圆钢或钢板的方法对砂型腔中的铁液进行单面差异冷却降温处理。
9.根据权利要求1-5任一项所述的球墨铸铁材料的用途，其特征在于：用于制造研磨盘。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：用于制造研磨半导体晶圆的研盘。
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