工藝參數(shù)對懸砂法復合電鍍制備金剛線的影響

李升，高玉飛 *，李新穎

（1.山東職業(yè)學院鐵道車輛與機械工程系，山東 濟南 250104；2.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061；3.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061）

電鍍金剛線切割技術(shù)具有切割效率高，切片的總厚度偏差和翹曲度低，出品率高，切割環(huán)境友好等優(yōu)點，目前普遍應(yīng)用于 Si、SiC、藍寶石等晶體的切片加工[1-3]。電鍍金剛線作為鋸切工具，其表面磨粒分布情況與抗拉、抗扭等機械性能對切片的加工質(zhì)量具有重要的影響。上砂工藝是制備電鍍金剛線的關(guān)鍵工序，影響成品金剛線表面的磨粒分布與切割能力。上砂工藝主要有埋砂法[4]、刷鍍法[5]、懸砂法[6]等。目前電鍍金剛線的制備都采用連續(xù)生產(chǎn)裝置，上砂工序多采用懸砂法，即復合電鍍工藝。本文研究了上砂陰極電流密度和時間對金剛線表面磨粒分布情況、磨粒含量、直徑與抗拉、抗扭性能的影響，分析了電鍍工藝參數(shù)影響金剛線質(zhì)量的原因，給出了上砂過程的合理工藝參數(shù)范圍，為電鍍金剛線的實際生產(chǎn)提供參考。

1 實驗

1.1 材料和鍍液

采用直徑為70 μm的琴鋼線作為基體。磨粒選擇表面鍍鎳磁化的金剛石微粉(鍍鎳增重率為25%)，平均粒度為6 ～ 10 μm，購于山東山田研磨材料有限公司。采用鎳豆作為陽極，鍍前用稀鹽酸浸泡使其處于活化狀態(tài)，清洗后裝于陽極掛袋中并對稱地放在鋼絲的左右兩側(cè)。

1.2 電鍍工藝

1.2.1 前處理

包括化學除油、酸洗除銹和清洗?；瘜W除油的配方與工藝條件為：氫氧化鈉10 g/L，無水碳酸鈉15 g/L，硅酸鈉20 g/L，磷酸三鈉25 g/L，溫度60 ～ 65 °C，時間0.5 min。酸洗的配方與工藝條件為：氨基磺酸60 g/L，溫度60 ～ 65 °C，時間0.5 min。清洗采用流動的去離子水，溫度40 ～ 50 °C，時間1 min。

1.2.2 施鍍

包括預鍍、上砂和加厚鍍，所用鍍液均為氨基磺酸鎳體系，主要含四水合氨基磺酸鎳320 g/L、六水合氯化鎳35 g/L、硼酸30 g/L和十二烷基硫酸鈉0.1 g/L，pH 4.5 ～ 4.8，溫度40 ～ 45 °C。

預鍍和加厚鍍與一般的電鍍類似，電流密度均為5 A/dm2，施鍍時間分別為0.2 min和3.0 min，所得鍍層厚度分別約為0.2 μm和3.0 μm。

上砂鍍是復合電鍍，決定了金剛線表面的磨粒密度與分布情況，對金剛線的最終質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。采用懸砂法，鍍液中金剛石微粉的含量為10 g/L，電流密度為2 ～ 10 A/dm2，施鍍時間1 ～ 4 min。在鍍液中的鋼絲上方與下方對稱設(shè)置噴頭，向鋼絲表面噴撒電鍍液，噴射流量為25 L/min。隨著鍍液的循環(huán)，金剛石微粉均勻地懸浮在其中并部分吸附于鋼絲表面，隨后被沉積的鎳固結(jié)在鋼絲表面。

1.2.3 后處理

采用流動的去離子水清洗并在180 °C下加熱除氫30 min。

1.3 性能表征

采用奧林巴斯BX53光學顯微鏡觀察鍍層表面是否有明顯的氣孔、鎳瘤等缺陷，金剛石磨粒的分布是否均勻，有無堆砂和疊砂現(xiàn)象。采用致瑞圖像技術(shù)有限公司生產(chǎn)的金剛線視覺檢測系統(tǒng)測定金剛線表面磨粒含量及直徑，選取100 mm長的金剛線，由視覺系統(tǒng)檢測后給出綜合數(shù)值。圖1顯示的顆粒(數(shù))是指1 mm長的金剛線半圓周表面上固結(jié)的磨粒個數(shù)。金剛線內(nèi)徑測定值與鋼絲基體直徑之差的1/2可認為是鋼絲基體表面沉積鍍層的厚度，因此金剛線的內(nèi)徑越大，其表面的鍍層越厚。

圖1 視覺檢測系統(tǒng)測定某金剛線表面的磨粒數(shù)和直徑時的結(jié)果Figure 1 Number of abrasive particles on the surface of a diamond wire saw and its diameter measured using a vision inspection system

采用濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WDS-5線材拉力試驗機對金剛線進行拉伸試驗，以測試其抗拉強度，拉伸速率為0.5 mm/min。采用濟南時代新科試驗儀器有限公司生產(chǎn)的EZW型金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗機測試金剛線的扭轉(zhuǎn)強度，鋼絲張力為10 N，扭轉(zhuǎn)速率為30°/s。每組試驗均重復5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 上砂過程中陰極電流密度對鍍層表面磨粒分布的影響

金剛線的切割能力和使用壽命與其表面固結(jié)的金剛石磨粒濃度密切相關(guān)。磨粒濃度低會導致出刃率低，金剛線的切割能力和效率下降，導致金剛線的使用壽命短或在鋸切加工中易斷；而磨粒濃度過高會使得鋸切時的容屑空間降低，切片表面出現(xiàn)明顯的劃痕。

由圖2可知，采用2 A/dm2的陰極電流密度時，金剛線表面的磨粒很少。其主要原因是電流密度低使鎳沉積慢，吸附于基體表面的金剛石磨粒不能被及時地固結(jié)在鋼絲表面。電流密度升高到5 A/dm2時，金剛線表面沉積的磨粒增多，且分布較為均勻。這是因為提高上砂電流密度后，鋼絲表面鎳的沉積速率增大，基質(zhì)鎳鍍層固結(jié)金剛石磨粒的能力提高。提高上砂電流密度至7 A/dm2時，金剛線表面的磨粒含量與電流密度為5 A/dm2時相差不大，但磨粒在鋼線表面的分布更均勻，鍍層表面也較平整，沒有出現(xiàn)明顯的氣孔、鎳瘤等缺陷。進一步提高電流密度至10 A/dm2時，鍍層表面依舊平整，磨粒明顯增多，但部分磨粒發(fā)生堆積，這會降低基質(zhì)鍍層對單顆磨粒的把持強度，在鋸切加工過程中容易出現(xiàn)因磨粒脫落而導致切割能力大幅降低的問題。不過觀察發(fā)現(xiàn)，此時宏觀上未出現(xiàn)色彩不均勻，或呈現(xiàn)疏松海綿狀，又或燒焦等嚴重的鍍層缺陷，施鍍過程的析氫現(xiàn)象也不明顯，說明還未達到電流密度上限，因此下文依舊選擇在電流密度10 A/dm2下進行研究。

圖2 陰極電流密度對鍍層表面磨粒分布的影響(施鍍時間3 min)Figure 2 Effect of cathodic current density on distribution of abrasive particles on the surface of coating (deposition time： 3 min)

2.2 上砂時間對鍍層表面磨粒分布的影響

從圖3可以觀察到金剛線表面的磨粒數(shù)量隨著電鍍時間的延長而增加。上砂電鍍1 min時，由于時間較短，因此在鋼絲表面復合沉積的金剛石磨粒較少。上砂時間延長至2 min時，鋼絲表面固結(jié)的磨粒增多，分布的均勻性得到改善。上砂時間延長至3 min時，金剛線表面磨粒更多，但出現(xiàn)磨粒堆積現(xiàn)象。進一步延長上砂時間至4 min時，金剛線表面磨粒差不多，依舊有堆積現(xiàn)象，表明上砂時間已經(jīng)過長。

圖3 電鍍時間對鍍層表面磨粒分布的影響(陰極電流密度10 A/dm2)Figure 3 Effect of deposition time on distribution of abrasive particles on the surface of coating (cathodic current density： 10 A/dm2)

綜上可知，為得到表面鍍層質(zhì)量良好、磨粒均勻分布的金剛線，上砂階段的陰極電流密度可選用5 ～10 A/dm2，上砂時間以2 ～ 3 min為宜，高的陰極電流密度對應(yīng)短的上砂時間。下文未說明之處的電流密度和電鍍時間分別為10 A/dm2和3 min。

2.3 上砂電鍍時的陰極電流密度對金剛線抗拉和抗扭性能的影響

未經(jīng)電鍍的鋼絲基體的斷裂拉伸臨界載荷和斷裂扭轉(zhuǎn)角分別為 16 N和20.8 × 360°[指金剛線扭轉(zhuǎn)20.8圈(扭轉(zhuǎn)360°為1圈)后出現(xiàn)扭斷，下同]。鍍層在鋼絲表面沉積，相當于增大了鋼絲的直徑，其抗拉和抗扭強度均增大。由圖4可知，隨上砂時陰極電流密度增大，金剛線的抗拉和抗扭強度先增大后減小。上砂電流密度為7 A/dm2時，金剛線的抗拉和抗扭的綜合機械性能最好，其斷裂拉伸臨界載荷為17.2 N，斷裂扭轉(zhuǎn)角為24.2 × 360°。陰極電流密度為10 A/dm2時，所得金剛線的抗拉和抗扭強度降低。從圖5可以看出，隨著陰極電流密度增大，金剛線表面的磨粒含量和內(nèi)徑均增大，由7 A/dm2增大到10 A/dm2時，金剛線表面磨粒數(shù)的增大較顯著，內(nèi)徑的增大幅度較小。結(jié)合圖4和圖5可知，金剛線內(nèi)徑大(即鍍層厚度大)并不意味著金剛線的機械性能提升，可能是因為電流密度增大使金剛線表面的磨粒增多，基質(zhì)鍍層的體積相對減小。另外，在電流密度10 A/dm2下制備的鍍層外觀雖沒有明顯的電鍍?nèi)毕?，但其力學性能不高，可推測其鍍層致密度并不優(yōu)良。綜合考慮金剛線表面磨粒分布均勻性、線體的抗拉和抗扭性能，上砂鍍的最佳電流密度定為7 A/dm2。下文均在電流密度7 A/dm2下進行研究。

圖4 上砂鍍陰極電流密度對金剛線機械性能的影響Figure 4 Effect of cathodic current density on mechanical properties of diamond wire saw

圖5 上砂鍍陰極電流密度對金剛線表面磨粒含量和內(nèi)徑的影響Figure 5 Effect of cathodic current density on abrasive particle content and inner diameter of diamond wire saw

2.4 上砂電鍍時間對金剛線抗拉和抗扭性能的影響

由圖6可知，隨著電鍍時間從1 min延長至3 min，金剛線的機械性能顯著提升，超過3 min后金剛線的機械性能變化不大。這主要是由于電鍍時間延長后，鋼絲表面沉積的金剛石磨粒數(shù)量增多，基質(zhì)鍍層的體積相對減小(見圖7)。綜合考慮磨粒在金剛線表面分布的均勻性，上砂施鍍時間以3 min為宜。

圖6 電鍍時間對金剛線機械性能的影響Figure 6 Effect of deposition time on mechanical properties of diamond wire saw

圖7 電鍍時間對金剛線表面磨粒含量和內(nèi)徑的影響Figure 7 Effect of deposition time on abrasive particle content and inner diameter of diamond wire saw

3 結(jié)論

綜合考慮金剛線表面的鍍層結(jié)構(gòu)、磨粒分布和拉扭機械性能，懸砂法制備電鍍金剛石線時，上砂工序較佳的陰極電流密度和電鍍時間分別為7 A/dm2和3 min。