電鍍金剛石線鋸制備及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

王蕊，劉新寬,，徐斌，劉平，陳曉紅，盛榮生，詹寶華，雷雪松

（1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.盛利維爾(中國(guó))新材料技術(shù)股份有限公司，江蘇 金壇 213200）

電鍍金剛石線鋸制備及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

王蕊1，劉新寬1,*，徐斌2，劉平1，陳曉紅1，盛榮生2，詹寶華2，雷雪松2

（1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.盛利維爾(中國(guó))新材料技術(shù)股份有限公司，江蘇 金壇 213200）

從制備材料(包括線芯和磨料)、上砂方法和應(yīng)用(如切割石材、陶瓷、單晶硅、寶石、磷酸二氫鉀晶體)方面對(duì)電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，展望了其未來(lái)的研究方向。

金剛石線鋸；電鍍；線芯；磨粒；復(fù)合鍍；切割

1 電鍍金剛石線鋸用材料

1. 1 金屬線芯

為滿足切割需要，電鍍金剛石線鋸的線芯必須具有優(yōu)良的彎曲疲勞、扭曲性能和高抗拉強(qiáng)度。為便于電鍍，金屬線芯的電極電位應(yīng)低于沉積金屬的電位。目前常用的電鍍金剛石線芯有65Mn冷拉鋼絲[8]、琴鋼絲[9-10]、不銹鋼絲[11-12]和鍍銅高碳鋼絲[13-14]。

金屬芯線的直徑應(yīng)根據(jù)被加工件、加工方式及設(shè)備條件而定。對(duì)于KDP、碲鋅鎘(Cd1-xZnxTe，簡(jiǎn)稱CZT)、CaF2等軟脆功能晶體材料的精密切割而言，一般要求金剛石線鋸的基體線徑為0.1 ～ 0.2 mm，并采用微粉級(jí)金剛石[10]；對(duì)于機(jī)械、建筑、石材等硬脆材料的鋸切加工而言，電鍍金剛石線鋸的基體線徑應(yīng)大于0.5 mm，并采用大粒度金剛石磨料[12]。

傳統(tǒng)的金屬線芯結(jié)構(gòu)為單根金屬絲(線)，橫截面為圓。用這種結(jié)構(gòu)的線芯制成的金剛石線鋸進(jìn)行切割時(shí)，切屑附著于磨粒表面，鍍層的外表面很快被磨去，磨粒就很容易脫落，導(dǎo)致線鋸的切割性能逐漸下降。為提高電鍍金剛石線鋸的切割效率，延長(zhǎng)其使用壽命，出現(xiàn)了以鋼絲絞合線為芯線的絞合線鋸[15]。李海強(qiáng)等[16]研制的三絲絞合電鍍金剛石線鋸，在相同條件下切割方形多晶硅錠時(shí)，其線弓比傳統(tǒng)線鋸的線弓低23%。此外還有F. Schmid等的淚滴狀線鋸[17](見(jiàn)圖1)、高偉等的環(huán)形電鍍金剛石線鋸[8]以及盛利威爾(中國(guó))新材料技術(shù)股份有限公司的異形鋼絲捻繩金剛繩[18](見(jiàn)圖 2)。其中異形鋼絲捻繩線鋸由若干嵌有金剛石顆粒的異形鋼絲捻合而成，不同鋼絲之間形成V形的弧形結(jié)構(gòu)排屑槽，可防止積屑和液體殘留，排屑槽內(nèi)還設(shè)有方形彈片，有助于加快排屑。

圖1 淚滴狀線鋸基體的截面圖Figure 1 Cross-sectional diagram of teardrop-shaped wire saw substrate

圖2 異形金剛石線鋸捻繩Figure 2 Special-shaped rope twisted from diamond wire saw

1. 2 金剛石磨料

復(fù)合鍍層的性能由鍍層金屬與夾雜其中的第二相超硬磨料共同決定。在鍍層金屬確定的前提下，第二相超硬磨料便成為決定線鋸性能的關(guān)鍵。用于電鍍金剛石線鋸制造的金剛石磨料的粒度組成、雜質(zhì)含量、表面狀況等都要滿足一定的要求。

為保證加工件的表面質(zhì)量、切削損耗量和切削效率，應(yīng)選擇粒徑適宜的金剛石磨粒，可通過(guò)綜合分析磨粒粒徑對(duì)工件表面質(zhì)量、材料去除率、聲發(fā)射信號(hào)、摩擦因數(shù)、磨屑等性能指標(biāo)的影響，并結(jié)合磨粒切入深度，選擇最佳的磨粒粒徑[17]。李娟等[19]在用金剛石線鋸切割大理石時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨線鋸上金剛石粒徑(100 ～ 180目)減小，線鋸切割的加工效率降低。

在實(shí)際生產(chǎn)中，既要保證金剛石線鋸的使用性能，還要兼顧金剛石線鋸的生產(chǎn)效率。金剛石磨料的表面特性對(duì)電鍍過(guò)程中的上砂率和線鋸性能有很大的影響。而對(duì)金剛石微粒進(jìn)行表面改性不僅不會(huì)削弱金剛石的物理化學(xué)性能，反而會(huì)使其在原有的基礎(chǔ)上有所提高[20]。最常用的是對(duì)金剛石進(jìn)行電鍍或化學(xué)鍍，主要為鍍覆單金屬(如Ni、Cu、Ti、Cr等)、二元合金(如Ni-P、Ni-B)和三元合金(如Ni-Mo-P、Ni-Co-SiC)[21-22]。王艷輝等[23]采用鍍鈦金剛石微粉制作線鋸，實(shí)現(xiàn)了快速上砂、快速沉積、金剛石與鍍層牢固結(jié)合。張曉杰等[24]研究了鍍鎳和未鍍鎳金剛石在制造電鍍金剛石線鋸中的上砂機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鍍鎳金剛石會(huì)與鍍液中各種離子相互作用以及影響電場(chǎng)和磁場(chǎng)，顯著改變復(fù)合鍍的開(kāi)路電位、陰極極化程度、電荷轉(zhuǎn)移電阻和溶液電阻。

2 電鍍金剛石線鋸的制備工藝

電鍍制備金剛石線鋸的工藝流程一般為：基材預(yù)處理→預(yù)鍍→上砂鍍→加厚鍍→鍍后處理。其中，上砂鍍是指金剛石磨粒作為第二相粒子與金屬一起沉積到基體表面的過(guò)程，是影響電鍍金剛石線鋸表面形貌和加工性能的關(guān)鍵工序。常見(jiàn)的上砂方法主要有埋砂法、懸浮法和刷鍍法。

埋砂法主要通過(guò)機(jī)械沉降實(shí)現(xiàn)共沉積，所以受液流的影響較大，表面存在渦流時(shí)難以有效上砂，穩(wěn)流時(shí)電流對(duì)上砂量的影響不大[24]。埋砂法適用于多形面工件的多表面上砂，但砂層過(guò)厚會(huì)阻礙電解液的傳質(zhì)和導(dǎo)電，氫氣不易逸出，導(dǎo)致上砂效率較低，并且需要的砂量多，所以埋砂層以薄為宜。為了提高埋砂法的上砂效果，學(xué)者們對(duì)埋砂工藝和設(shè)備不斷地進(jìn)行探索和優(yōu)化。J. Lukschandel等[25]在電鍍制備金剛石線鋸時(shí)采用二次上砂：先鍍一層粒度10 ～ 50 μm的金剛石，再鍍一層粒度1 ～ 6 μm的金剛石。如此除了可以減小外層的殘余壓應(yīng)力，還能提高鍍層結(jié)合力，所得線鋸可用以切割硬度較高的物質(zhì)(如陶瓷)。深圳市常興技術(shù)股份有限公司[26]研發(fā)了一種新型細(xì)粒度金剛石磨具埋砂生產(chǎn)裝置，該裝置的電鍍槽內(nèi)有上砂機(jī)構(gòu)、加厚槽、陽(yáng)極籃、電鍍液循環(huán)機(jī)構(gòu)和控溫機(jī)構(gòu)，通過(guò)主控機(jī)保證這些機(jī)構(gòu)間配合，既能保證同批次產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和公用性，又能提高電鍍液的利用率，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

懸砂法制備電鍍金剛石線鋸分為吸附、嵌入和掩埋3個(gè)階段[10]，上砂原理模型如圖3所示。隨著陰極(線芯)表面金屬離子(如 Ni2+)還原沉積形成鍍層，金剛石磨粒嵌入基質(zhì)鍍層，當(dāng)鍍層厚度大于磨粒的半徑時(shí)，可以認(rèn)為金剛石磨粒已經(jīng)固結(jié)在金屬線芯上。金剛石磨粒在鍍液中均勻分散是懸砂法制備電鍍金剛石線鋸順利進(jìn)行的前提條件[27]。其中，機(jī)械攪拌應(yīng)用最廣，但由于機(jī)械攪拌分散時(shí)不同方向、高度和鍍件不同部位的攪拌強(qiáng)度難調(diào)節(jié)，易造成線鋸上金剛石微粒分布不均的缺陷。為此，吳海洋[28]設(shè)計(jì)了平板泵法攪拌鍍液。在鍍槽內(nèi)放置多孔仿形板，施鍍時(shí)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲桿滑塊裝置使多孔板在距槽底一定高度范圍內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，從而保證了金剛石微粒在鍍液中的均勻分散。在鍍液中添加表面活性劑也是改善微粒在鍍液中分散能力的常用方法?；蒡E等[29]探索了分別采用六偏磷酸鈉(SHP)和聚乙二醇(PEG)作為分散劑時(shí)金剛石顆粒在水體系中的分散性，發(fā)現(xiàn)SHP對(duì)金剛石的分散效果優(yōu)于PEG。此外，微粒的形狀、大小以及電流密度都對(duì)上砂過(guò)程有重要作用。張飛等[30]發(fā)現(xiàn)在攪拌上砂過(guò)程中使用雙脈沖電源可以提供比使用直流電源時(shí)高得多的瞬時(shí)電流密度，進(jìn)而增強(qiáng)體系的電化學(xué)極化，改善鍍層質(zhì)量的同時(shí)提高了鍍鎳金剛石磨粒的極化率，提升了金剛石的固結(jié)強(qiáng)度。

圖3 懸砂法上砂原理模型[3]Figure 3 Model of composite plating for embedding of particles by suspension of particles[3]

電刷鍍作為一種典型的表面處理技術(shù)，以數(shù)十倍于一般電鍍的電流密度施鍍，其生產(chǎn)效率很高[31]。但采用復(fù)合電刷鍍制備的固結(jié)磨料線鋸存在線芯圓周上磨粒分布不均的問(wèn)題[32]。為解決這一問(wèn)題，Y. Chiba等[1]采用了一種旋轉(zhuǎn)氈刷，它可以完全包住線鋸基體。竇百香等[33]則提出了一種環(huán)形毛帶上砂法。另外，采用復(fù)合電刷鍍法制備金剛石線鋸時(shí)，固結(jié)磨料的粒徑較小，通常在1 ～ 40 μm之間，這也限制了復(fù)合電刷鍍?cè)诮饎偸€鋸制備方面的應(yīng)用。

3 電鍍金剛石線鋸的應(yīng)用

電鍍金剛石線鋸應(yīng)用廣泛，不僅可用于陶瓷、石材、玻璃等普通硬脆材料的切割，而且可用于單晶硅、寶石、水晶等貴重硬脆材料的切割。

陳超等[34]用自制線徑為2.5 mm的金屬固結(jié)環(huán)形金剛石線鋸對(duì)1 m × 2 m的大理石進(jìn)行切割，切割面小(鋸縫寬度約3 mm)，光滑，粗糙度＜0.3 mm。吳平[35]采用自制線徑為0.33 mm、顆粒密度約50個(gè)/mm2的電鍍金剛石線鋸對(duì)外徑60 mm、內(nèi)徑40 mm的氮化硅陶瓷管進(jìn)行切割。結(jié)果表明，陶瓷管鋸口平整，無(wú)毛刺和裂紋，線鋸上的金剛石磨粒雖有破裂現(xiàn)象，但無(wú)脫落，仍可繼續(xù)使用。

高玉飛[36]用名義直徑為0.28 mm、磨粒粒度為30 ～ 40 μm的電鍍金剛石鋸絲，將直徑45 mm的(111)單晶硅棒切割成0.5 mm厚的切片，并研究了切割工藝參數(shù)對(duì)鋸切硅片表面粗糙度、總厚度偏差和翹曲度的影響。他發(fā)現(xiàn)隨鋸絲速率或工件進(jìn)給速率增大，鋸切的硅片表面粗糙度減小，并且工件的進(jìn)給速率對(duì)硅片表面粗糙度的影響更明顯。蔡二輝[37]采用金剛石線鋸對(duì)單晶硅片進(jìn)行刻劃，并提出了刻劃?rùn)C(jī)理和模型：在較大壓力下，金剛石主要以脆性模式加工晶體硅，劃痕呈破碎崩坑狀；在較小壓力下，金剛石主要以塑性模式加工晶體硅，劃痕相對(duì)平直、光滑。

陳超等[38]用線徑0.7 mm、周長(zhǎng)4 m的環(huán)形金剛石線鋸切割直徑53 mm的藍(lán)寶石晶棒，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線速率為20 m/s、進(jìn)給速率為0.5 mm/min、張緊力為50 N時(shí)，切割表面質(zhì)量最好，表面粗糙度為0.473 μm。他們同時(shí)提出環(huán)形金剛石鋸絲的失效原因?yàn)椋航饎偸p導(dǎo)致切割力增大，當(dāng)切割力大于鋼絲基體的承受能力時(shí)鋼絲斷開(kāi)，進(jìn)而失效。

KDP晶體具有軟且脆、易潮解、各向異性等特性，是公認(rèn)的難加工材料之一。王強(qiáng)國(guó)[39]分別采用線徑0.3 mm、金剛石磨粒粒徑40 μm和線徑0.4 mm、金剛石磨粒粒徑60 μm的電鍍金剛石線鋸對(duì)KDP晶體進(jìn)行往復(fù)式切割與連續(xù)式切割。結(jié)果表明，采用往復(fù)式線鋸切割時(shí)，在切割效率允許的情況下，宜采用較低金剛石粒度的線鋸和較低的切割進(jìn)給速率；采用連續(xù)式線鋸切割時(shí)，采用1.88 m/s線鋸速率、52.46 N/m 切割壓力時(shí)可使工件的亞表面損傷最淺、崩邊深度和平面度也較低。滕曉輯等[40]使用線徑0.26 mm的電鍍金剛石線鋸切割390 mm × 100 mm × 10 mm的KDP晶體，利用KDP易潮解的特點(diǎn)，提出基于微乳液的水溶解輔助金剛石線鋸精密切割新方法。與常用的同濃度油冷卻相比，采用水溶解輔助時(shí)晶體的切割表面更平坦，表面粗糙度更低，且加工效率可提高15% ～ 20%。

4 結(jié)語(yǔ)

電鍍金剛石線鋸在非金屬材料和非導(dǎo)電材料的加工方面得到了廣泛應(yīng)用，需求量也很大，其制備已成為研究的熱點(diǎn)。雖然目前已經(jīng)取得不少成果，但想要快速、高效地制造出切割性能優(yōu)異的電鍍金剛石線鋸，仍需要從以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的研究：(1)線鋸用線芯基體材料單一，對(duì)基體材料的研究相對(duì)較少，需要進(jìn)一步拓展適用于制作線鋸的材料；(2)對(duì)線芯的形態(tài)、結(jié)構(gòu)有所研究，但對(duì)有關(guān)其提高切割效率和表面質(zhì)量的理論研究較少；(3)對(duì)金剛石在線芯上排布的研究比較匱乏，金剛石磨料在線芯上的分布規(guī)律及上砂率對(duì)切割效果的影響規(guī)律值得研究。

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[ 編輯：周新莉 ]

Research status of preparation and application of electroplated diamond wire saw

WANG Rui, LIU Xin-kuan*, XU Bin, LIU Ping, CHEN Xiao-hong, SHENG Rong-sheng, ZHAN Bao-hua, LEI Xue-song

The research status of electroplated diamond wire saw was reviewed from several respects including preparation materials (including core and abrasive particle), composite plating processes for embedding of abrasive particles and application (such as slicing of stone, ceramic, monocrystalline silicon, jewel, and potassium dihydrogen phosphate), and the research directions were forecasted.

diamond wire saw; electroplating; core; abrasive particle; composite plating; slicing

School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

TQ153.2

B

1004 - 227X (2017) 12 - 0660 - 05

10.19289/j.1004-227x.2017.12.010

隨著半導(dǎo)體信息技術(shù)和光伏技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)單晶硅、寶石、大尺寸KDP(磷酸二氫鉀)晶體等貴重硬脆材料的切割加工要求越來(lái)越精密。固結(jié)磨料線鋸以加工效率高、精度高、切割環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。固結(jié)磨料線鋸按磨料的固結(jié)方式可分為壓入型、樹脂型、釬焊型和電鍍型 4種[1]。其中，電鍍金剛石線鋸擁有耐磨性、耐熱性好和制造直徑靈活的優(yōu)點(diǎn)，并且切割效率高，鋸切力小，鋸縫整齊，切面精細(xì)，噪音低，環(huán)境污染小[2]，不僅適用于加工石材、玻璃等普通硬脆材料，而且特別適合鋸切陶瓷、寶石、水晶等貴重的硬脆材料[3-4]。如此廣的應(yīng)用范圍引起人們對(duì)它的關(guān)注與深入研究。目前已有多篇文獻(xiàn)[2,5-7]從電鍍金剛石線鋸的制備原理、工藝參數(shù)等方面總結(jié)了電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀，然而很少涉及金剛石磨料和電鍍金剛石線鋸的應(yīng)用。本文從金剛石線鋸的制備材料、制備工藝以及應(yīng)用這三方面綜述了電鍍金剛石線鋸的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望，旨在為開(kāi)展相關(guān)研究與生產(chǎn)提供參考。

2017-03-28

2017-05-19

王蕊（1989-），女，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合電鍍。

作者聯(lián)系方式：劉新寬，副教授，(E-mail) xinkuanliu@163.com。