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硬盘磁头多元复合表面的超精密抛光机理研究

申儒林  
【摘要】: GMR(giant magnetic resistance)硬盘磁头基体部分是硬脆的AlTiC材料,读写部分由很薄的多种金属材料组成,其中最薄的金属层只有1nm左右,整体结构复杂。磁头表面质量如表面粗糙度、极尖凹陷(Pole TipRecession,即PTR)等,是影响磁头面密度提高的重要因素。目前,硬盘磁头抛光技术为少数国外企业所掌握,关于磁头抛光的可查文献资料很少。掌握硬盘磁头抛光技术并且突破磁头抛光技术的瓶颈在于对磁头抛光机理的深刻认识。因此,本文针对磁头表面粗糙度、极尖凹陷等的形成与控制进行研究,开展的主要工作和获得的主要认识有: 1.建立了GMR硬盘磁头抛光的实验系统,研究了磁头与抛光盘的相对运动轨迹,通过仿真计算,获得优化参数的磁头运动轨迹。磁头和抛光盘的角速度关系应该满足: ω_1-ω_2≠0.1nω_1 n=0,1,2……, 否则磨粒运动轨迹重复或奇异,不利于形成超光滑表面。研究了磁头与抛光盘的转速比同抛光均匀性的关系以及抛光机各运行参数对转速比的影响。 2.磁头抛光是一种机械加工,在加工过程中,工件和抛光盘是一对相对运动关系复杂的摩擦副。运用摩擦学理论,分析了磁头抛光中工件与抛光盘之间的接触关系;研究了抛光液流场的分布及其对“工件——抛光盘面”接触应力场的影响;分析了抛光中自由磨粒的运动规律和磨粒嵌入抛光盘的机理,发现抛光盘和工件的转速比影响接触面速度场的分布,从而影响局部抛光液膜厚度的变化和粗糙峰承载力的变化,并进一步影响磨粒在抛光盘表面的嵌入。 3.研究了抛光压力、盘面形貌、抛光液中金刚石磨粒的粒径等参数对材料去除率的影响。针对自由磨粒抛光中的单晶金刚石,建立了菱形磨粒抛光的材料去除统计模型,与抛光实验结果基本吻合。 4.研究了纳米研磨的材料去除过程和亚纳米级光滑表面的形成机理。根据接触力学理论,嵌入盘面的金刚石磨粒与抛光盘构成“球——空腔”协调接触类型,不同于一般的赫兹接触,由此建立了金刚石磨粒与抛光盘的“球——空腔”协调接触模型,研究表明抛光过程中磨粒在盘表面空腔中由弹性退让发展到塑性陷入,其转变的临界值点决定磨粒对磁头表面材料的去除能力;提出纳米尺度研磨是以磁头表面非连续凸峰的去除为主体,不同于自由磨粒抛光和磨削是对整体表面层的去除。 5.研究了PTR的形成机理。发现自由磨粒抛光阶段PTR的形成与抛光盘表面形貌参数、抛光压力、磨粒粒径、抛光盘转速等有关,合适的抛光盘表面粗糙度和微凸峰密度以及微凸峰曲率半径可以减小PTR。采用中等粒度纳米金刚石抛光磁头表面,使磁头表面粗糙度Rms由原来的0.61nm左右下降到0.26nm,PTR由原来的10nm左右下降到1.22nm,消除了表面黑点和划痕。 6.研究了超声波在磁头抛光中的应用。在自由磨粒抛光阶段加入超声波,获得了更光滑的磁头表面,极尖沉降明显降低,基体部分去除率由原来的10nm/m提高到16nm/m。研究了超声波在抛光中的宏观和微观作用机理。 7.在磁头机械抛光中引入化学作用,获得了亚纳米级的PTR,消除了抛光盘材料转移引起的磁头表面黑点,并保护极尖和GMR头堆未受腐蚀。


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