在半导体制造领域，晶圆研磨机起着至关重要的作用， 其通过多级研磨工艺和化学机械抛光技术， 可以有效去除晶圆表面的不均匀性和缺陷，达到晶圆所需的厚度和平整度要求，为后续的半导体制造提供高质量的晶圆基底[1-6]。 作为晶圆研磨机及其研磨工艺的关键部件，研磨盘技术指标直接决定了晶圆的研磨质量和效率。 研磨盘的技术要求主要涵盖：优异的平面度稳定性、耐磨性、组织和性能均匀性、磨料镶嵌性和耐腐蚀性。 尽管晶圆研磨盘有多种材质[7-10]，但对于大尺寸晶圆研磨盘而言，铸铁材料还是当前的主流选择之一[11-12]，尤其是铁素体球墨铸铁更符合其技术要求。 基于此，江西铜业集团(德兴)铸造公司应某公司的要求，开展了球墨铸铁研磨盘的试制， 旨在研发出符合晶圆研磨技术要求的研磨盘， 以满足晶圆研磨加工的性能和质量需求。
1 球墨铸铁研磨盘技术要求
球墨铸铁研磨盘形状为圆环盘状， 外径1 140～2 160 mm，内径350～730 mm，厚度50～65 mm，共4种型号， 其中最大的研磨盘尺寸为外径2 160 mm、内径730 mm、厚度60 mm，单重约1 441 kg。要求硬度160～180 HB，表面及内部无气孔、缩孔、缩松、砂眼、 夹渣等铸造缺陷。 根据研磨盘硬度要求， 选用QT400-15 为研磨盘材料，其化学成分如表1 所示。
表1 球墨铸铁研磨盘成分
Tab.1 Composition of the ductile iron grinding disc(mass fraction/%)
CSiMnPSMgRe 3.6～3.7 2.2～2.5 0.2～0.35 ＜0.03 ＜0.015 0.04～0.05 0.03～0.05
2 球墨铸铁研磨盘的试制
最大研磨盘相当于大平板类铸件。 基于研磨盘的形状和球墨铸铁的凝固特性，研究团队分别选择了无冒口铸造、 有冒口铸造及壳型+铁模配合发热冒口铸造， 开展了外径2 160 mm 的最大尺寸研磨盘试制工作，并依据各铸造方法设计了铸造工艺。
2.1 无冒口铸造
由于球墨铸铁凝固时产生较大的石墨化膨胀，为无冒口铸造提供了条件[13-15]。 采用树脂砂型，内圈底箱进水， 研磨盘顶面均匀设置8 个φ30 mm 的出气孔(图1a)。 然而开箱落砂后球墨铸铁研磨盘上表面发生严重的缩凹，如图1b 所示。 球墨铸铁的凝固属于糊状凝固，石墨球在奥氏体壳包围下生长(离异共晶)，碳原子的移动速度受到限制，生长速度慢，难以使金属液形成坚实的外壳，此时如果封闭外壳的壳内局部金属液收缩而形成真空空间，且在高温下外壳强度不足，承载能力差，金属液补充不足时会在大气压力的作用下，外壳塌陷形成缩凹[16-17]。
图1 无冒口内圈底箱进水浇注研磨盘：(a)工艺示意图；(b)研磨盘表面缩凹宏观形貌
Fig.1 Molten iron ingress into the drag flask of the inner ring without risers for pouring the grinding disc:(a)process schematic diagram;(b)surface depression of the grinding disc
为解决球墨铸铁研磨盘上表面的缩凹缺陷，研究团队设计了内圈盖箱进水无冒口铸造工艺。 该工艺在研磨盘上表面均匀布置了8 个φ30 mm 出气孔，开箱落砂后的研磨盘如图2a 所示，表面切削加工去除3 mm 后(首道工序采用表面刮平1 刀，后续表面切削加工每刀切削量3～5 mm)， 其表面可见明显缩松痕迹，如图2b 白圈区域。
图2 无冒口内圈盖箱进水浇注研磨盘：(a)落砂后研磨盘形貌；(b)表面切削3 mm 后形貌
Fig.2 Molten iron ingress into the cope flask of the inner ring without a riser for pouring the grinding disc:(a)morphology of the grinding disc after shake-out;(b)morphology after surface cutting by 3 mm
随后又设计了外圈盖箱进水无冒口铸造工艺，同样在上表面设置8 个出气孔， 浇注后的研磨盘如图3a 所示。 然而打磨清砂后发现，研磨盘表面仍有缩凹，如图3b 所示。研磨盘上表面车削2 刀，去除9 mm 以后，表面还有少量缩松存在，如图3c 所示。
图3 无冒口外圈盖箱进水浇注的研磨盘：(a)落砂后研磨盘形貌；(b)清理后磨盘表面形貌；(c)表面切削2 刀去除9 mm 后的形貌
Fig.3 Molten iron ingress into the cope flask of the outer ring without risers for pouring grinding discs:(a)morphology of the grinding disc after shake-out;(b)surface appearance of the grinding disc after cleaning;(c)morphology after surface cutting with two passes to remove 9 mm
上述3 种铸造工艺试验表明， 大尺寸球墨铸铁研磨盘不适合采用无冒口铸造。
2.2 有冒口铸造
发热冒口可以强化冒口的补缩效果， 并减小冒口的尺寸和重量，能够有效解决铸件的缩孔、缩松缺陷[18-21]。 为消除大尺寸球墨铸铁研磨盘内的缩松缺陷，在研磨盘上表面设计均布了6 个φ180 mm×300 mm的明、暗2 种形式发热冒口进行试制。
实施明发热冒口工艺并采用内圈底箱进水浇注方案后， 清理所得的研磨盘宏观形貌如图4a 所示。经机械加工后，冒口根部附近表面出现明显花斑(图4b)。 花斑的显现，表明研磨盘内部仍为不致密组织或者出现异常石墨。 这种现象说明冒口根部铁液过热较大，凝固较慢，从而引起缩松或异常石墨的出现[22-23]。
图4 明发热冒口内圈底箱进水浇注的研磨盘：(a)落砂后的研磨盘；(b)表面加工后的研磨盘形貌
Fig.4 Molten iron ingress into the drag flask of the inner ring with an open exothermic feeder sleeve for pouring the grinding disc:(a)grinding disc after shake-out;(b)surface morphology of the grinding disc after machining
在明发热冒口不能完全消除研磨盘内部缩松的状况下，研究团队又设计了暗发热冒口、内圈底箱进水及靠近冒口附近放置排气孔，如图5a 所示。 然而铸造后的研磨盘表面切削5 刀去除17 mm 后开始出现缩松，至第8 刀去除29 mm 后缩松区域面积最大(图5b)，表明暗发热冒口可以消除一定厚度的缩松，但在研磨盘厚度中心还存在一定的缩松缺陷。
图5 暗发热冒口内圈底箱进水浇注的研磨盘：(a)落砂后的研磨盘；(b)研磨盘表面切削29 mm 后的形貌
Fig.5 Molten iron ingress into the drag flask of the inner ring with a blind exothermic feeder sleeve for pouring the grinding disc:(a)grinding disc after shake-out;(b)morphology of the grinding disc after cutting 29 mm from the surface
由此可见，虽然设置了明、暗两种形式的发热冒口，有利于减轻大尺寸球墨铸铁研磨盘的缩松程度，但还没有完全消除其内部的缩松缺陷。
2.3 壳型铁模铸造
基于上述几种铸造工艺措施均未彻底消除大尺寸球墨铸铁研磨盘内部的缩松缺陷， 研究团队设计了壳型+铁模+发热冒口的工艺和内圈盖箱进水的浇注系统。将预制的壳型(石英砂+树脂，热芯盒射砂成型)组装在铁模中(底箱)，增强球墨铸铁在铸型中的冷却速度[24]，盖箱采用树脂砂型。在发热冒口的强力补缩和铁模强制冷却条件下消除研磨盘缩松缺陷。 其中冒口增加到18 个，分内外两圈布置，内圈6个均布在φ1 000 mm 的圆周上； 外圈12 个均布在φ1750 mm 的圆周上，如图6a 所示。 冒口采用的是福士科VSK770 带金属易割片的发热保温冒口(φ80mm×180 mm)。研磨盘质量约1 800 kg(含冒口和加工余量)。壳型与铁模组合如图6b 所示，根据传热学关系计算了铁液凝固过程中的冷却速度，并参考文献[25]的结果，确定了铁模底面厚度为75 mm，壳型厚度为20 mm。
图6 壳型+铁模组合和发热冒口布置图：(a)发热冒口布置图；(b)壳型与铁模组合图
Fig.6 Layout of the shell mold+iron mold with an exothermic feeder sleeve:(a)layout of the exothermic feeder sleeve;(b)combined diagram of the shell mold and iron mold
对壳型+铁模配合发热冒口铸造后的大尺寸球墨铸铁研磨盘进行机加工切削， 切削表面光洁，没有任何铸造缺陷，如图7 所示。
图7 壳型+铁模铸造的研磨盘切削后形貌
Fig.7 Morphology of the grinding disc produced by shell mold+iron mold casting after machining
3 球墨铸铁研磨盘的组织与硬度
采用壳型+铁模+发热冒口工艺铸造的大尺寸球墨铸铁研磨盘，其铸态表面车光后的硬度分布经HL-600 型里氏便携式硬度计测试(结果折算成布氏硬度），如图8 所示。数据表明，研磨盘径向的硬度分布较为均匀，硬度最低点为175 HB(仅有一点，推测与该部位铁素体含量偏多， 珠光体含量偏低有关)，最高点为213 HB，36 个硬度点的平均值为197.5 HB。其铸态组织由铁素体+珠光体+球状石墨组成(图9a)。经退火处理后，显微组织主要由铁素体+球状石墨组成，仅存少量的珠光体(图9b)，此时研磨盘的硬度为161～165 HB，平均硬度162.2 HB，符合球墨铸铁研磨盘的硬度要求。
图8 壳型+铁模铸造的研磨盘铸态硬度
Fig.8 As-cast hardness of the grinding disc produced by shell mold+iron mold casting
图9 壳型+铁模和发热冒口铸造的球墨铸铁研磨盘金相组织：(a)铸态组织；(b)退火态组织
Fig.9 Metallographic structure of the ductile iron grinding disc produced by the shell mold+iron mold with an exothermic feeder sleeve:(a)as-cast microstructure;(b)annealed microstructure
4 结论
(1)无冒口和有冒口铸造的球墨铸铁研磨盘均无法消除其表面及内部的缩松缺陷。 而壳型+铁模配合发热冒口铸造的球墨铸铁研磨盘， 加工后表面光洁，没有缩凹、缩松等铸造缺陷。
(2)退火后组织为铁素体+球状石墨及很少量的珠光体，硬度为161～165 HB。
(3)试制结果表明，壳型+铁模配合发热冒口铸造的球墨铸铁研磨盘质量和硬度完全满足研磨盘的技术要求，已具备工程化批量生产条件，为大尺寸球墨铸铁研磨盘的工业化生产提供了可行的技术方案。
[1] 何春雷，李东洋，任成祖. 游离磨料加工影响因素及材料去除模型研究进展[J].吉林大学学报(工学版)，2025,55(4):1123-1141.HE C L, LI D Y, RENG C Z. Research progress on influencing factors and material removal models for free abrasive machining[J]. Journal of Jilin University (Engineering Science Edition),2025,55(4):1123-1141.
[2] PIETSCH G J, KERSTAN M. Understanding simultaneous dou ble-disk grinding: Operation principle and material removal kinematics in silicon wafer planarization[J]. Precision Engineering,2005,29:189-196.
[3] 吕欣泽，刘汉保，柳廷龙，王怀伟，赵茂旭，赵庆东，唐开华，王茺.磷化铟晶片双面研磨及腐蚀影响因素研究[J]. 云南大学学报(自然科学版)，2025,47(2):318-325.LYU X Z,LIU H B,LIU T L,WANG H W,ZHAO M X,ZHAO Q D,TANG K H,WANG C.Study on the influencing factors of double-sided grinding and corrosion of InP wafers[J].Journal of Yunnan University(Natural Science Edition),2025,47(2):318-325.
[4] 史林峰，韩雪，郜永娟，李克华，苏鸿良，赵秀香，刘权威. 不同材质磨盘对蓝宝石晶片研磨性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2017,37(1):78-80.SHI L F,HAN X,GAO Y J,LI K H,SU H L,ZHAO X X,LIU Q W. Effect of different disc materials on sapphire wafer lapping process[J].Diamond&Abrasives Engineering,2017,37(1):78-80.
[5] 孙书娟，季业益，陆宝山，关集俱. 单晶α- 氧化铝晶圆的研磨特性研究[J].机床与液压，2021,49(18):51-54.SUN S J, JI Y Y, LU B S, GUAN J J. Grinding characteristics of single crystal α-alumina wafer[J]. Machine Tool & Hydrauljcs,2021,49(18):51-54.
[6] 郭江，潘博，连佳乐，杨哲，刘欢，高菲，康仁科. 双面研磨技术研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2024,60(7):266-288.GUO J,PAN B,LIAN J L,YANG Z,LIU H,GAO F,KANG R K.Recent development and prospective of double-sided lapping technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(7):266-288.
[7] FENG K P, XU L X, GU Y Z, ZHAO L, ZHAO T C, LYU B H.Study on material removal mechanism of solid phase Fenton catalytic polishing of SiC wafer with gel-forming abrasive disc[J].Materials Science in Semiconductor Processing,2025,194:109488.
[8] CHEN S P,LI H,KANG X Y,JIANG Y,MA W B,YAN X C,HE Y H.Preparation and properties of Cu6Sn5 intermetallic-bonded diamond grindingwheel for thinningSiC wafer[J].Diamond&Related Materials,2025,152:111874.
[9] ZHOU H X, GUO M, WANG X Z. Ultraprecision grinding of silicon wafers using a newly developed diamond wheel[J].Materials Science in Semiconductor Processing,2017,68:238-244.
[10] GAO S, HUANG J X, ZHANG Y, GUO X G, KANG R K. Ultra-low damage processing of silicon wafer with an innovative and optimized nonwoven grind-polishing wheel[J].Precision Engineering,2024,88:884-894.
[11] 文东辉，鲁聪达，周兆忠. 蓝宝石衬底研磨加工中研磨盘材质的影响[J].机械工程学报，2009,45(2):247-250.WEN D H, LU C D, ZHOU Z Z. Effect of plate materials on sapphire wafer lapping process[J].Journal of Mechanical Engineering,2009,45(2):247-250.
[12] 韦嘉辉. 单晶氧化镓纳米力学行为及游离磨料研磨实验研究[D].镇江：江苏大学，2020.WEI J H. Experimental study on Nano-mechanical behavior and free abrasive lapping of single crystal Gallium Oxide[J]. Zhenjiang:Jiangsu University,2020.
[13] 谷雨，万恒志，于春鹏，王为，张森. 大型往复式压缩机球墨铸铁缸体的无冒口铸造工艺[J].铸造技术，2019,40(9):979-980.GU Y,WAN H Z,YU C P.WANG W,ZHANG S.Non-riser casting process of ductile iron cylinder of large reciprocating compressor[J].Foundry Technology,2019,40(9):979-980.
[14] 夏蘩，唐松，宗显宝. 球墨铸铁件无冒口铸造工艺研究[J]. 铸造技术，2017,38(7):1753-1754.XIA F,TANG S,ZONG X B.Research on no-riser casting process for ductile iron[J].Foundry Technology,2017,38(7):1753-1754.
[15] 何义雄.2.5 MW 风电轮毂球墨铸铁件的无冒口铸造工艺[J]. 现代铸铁，2020(4):31-33.HE Y X.Riserless casting method of 2.5 MW wind power hub[J].Modern Cast Iron,2014(3):47-50.
[16] 张本水， 马寒坤. 小型球墨铸铁件缩松和缩凹铸造缺陷的解决方法[A].2023 中国铸造活动周论文集[C]. 福州：中国机械工程学会铸造分会，2023.144-149.ZHANG B S, MA H K. Solution to shrinkage and sink defect of small ductile iron casting[A]. Proceedings of the China Foundry Week Conference[C].Fuzhou: China Mechanical Engineering Society Foundry Branch,2023.144-149.
[17] 王今胜，王凯，程凤军，田辉，曹伟，赵文俊. 薄壁球墨铸铁件表面缩凹缺陷的解决方法[J].现代铸铁，2016(5):79-82.WANG J S,WANG K,CHENG F J,TIAN H,CAO W,ZHAO W J.Solution method of surface depression defect of thin wall nodular iron castings[J].Modern Cast Iron,2016(5):79-82.
[18] 洪美琴，尹社新. 发热冒口在球墨铸铁轴箱铸件生产中的应用[J].铸造，2015,64(11):1145-1148.HONG M Q,YIN S X.Application of exothermic riser to the production of ductile iron shaft-holding housing casting[J].Foundry,2015,64(11):1145-1148.
[19] 纪汉成，原金胜，付庆斌. 摊铺机左右悬臂铸造工艺优化设计研究[J].中国铸造装备与技术，2021,56(1):78-81.JI H C,YUAN J S,FU Q B.Research on optimal design of casting process for left and right cantilever of paver[J]. China Foundry Machinery&Technology,2021,56(1):78-81.
[20] 陈洪涛，徐国强，张守全，林艳茹，安少妮. 发热保温冒口在大型矿山机械球铁铸件上的应用[J]. 铸造设备与工艺，2013(4):15-16,20.CHEN H T, XU G Q, ZHANG S Q, LIN Y R, AN S N. Application of insulating and exothermic riser on the ductile iron casting for large mining machine[J].Foundry Equipment and Technology,2013(4):15-16,20.
[21] 栾绪祥，花庆毅，陈海生，张科峰，朱能山.FT 发热保温冒口在球墨铸铁上的应用[A].第九届申国铸造协会年会论文集[C]. 北京：中国铸造协会.2010.353-355.LUAN X X,HUA Q Y,CHEN H S,ZHANG K F,ZHU N S.Application of FT heating and insulating risers in ductile iron castings[A]. Proceedings of the 9th Annual Conference of China Foundry Association[C].Beijing:ChinaFoundryAssociation,2010.353-355.
[22] 孔勇勇，高波，高存贞，段素红，梁加芳. 球墨铸铁差速器壳体缩松缺陷的防止措施[J].现代铸铁，2022(2):43-46.KONG Y Y, GAO B, GAO C Z, DUAN S H, LIANG J F. Measures to prevent shrinkage porosities defects of nodular iron differential housing[J].Modern Cast Iron,2022(2):43-46.
[23] 史继之，邢继伦，张广勤，吴少旗，杨超. 差速器壳体铸件冒口根部黑斑产生原因及防止措施[J].铸造,2025,74(3):392-396.SHI J Z, XING J L, ZHANG G Q, WU S Q, YANG C. Reasons and prevention measures for black spots at the riser roots of differential Gear Housing Castings[J].Foundry,2025,74(3):392-396.
[24] 赵晓林，余让刚，陈传涛. 厚大复杂球墨铸铁件的铁模覆砂工艺探讨[J].铸造设备与工艺，2019(4):20-25,29.ZHAO X L, YU R G, CHEN C T. Study on sand-coating iron mould technology of thick and complex nodular cast iron[J].Foundry Equipment and Technology,2019(4):20-25,29.
[25] 杨军，张威，杨小建，刘春溪，邓学涛. 铁模覆砂工艺的砂层厚度对球墨铸铁件冷却速度的影响研究[J]. 热加工工艺，2017,46(13):128-130.YANG J,ZHANG W,YANG X J,LIUC X,DENG X T.Study on influence of sand thickness of sand-coated iron-mould process on cooling rate of nodular cast iron part[J].Hot Working Technology,2017,46(13):128-130.