代曉南,何偉春,栗正新

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001;2.高溫耐磨材料河南省工程實驗室,鄭州 450001)

電鍍金剛石線鋸研究進(jìn)展

代曉南1,2,何偉春1,2,栗正新1,2

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001;2.高溫耐磨材料河南省工程實驗室,鄭州 450001)

電鍍金剛石線鋸在單晶硅片和藍(lán)寶石等貴重硬脆材料的切割加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,其切割效率高、損耗小。文章就電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了分析與闡述。電鍍金剛石線鋸的生產(chǎn)效率過低,應(yīng)通過調(diào)整鍍液、制備工藝等途徑提高線鋸生產(chǎn)效率;目前市場上的金剛石線鋸切削性能還不夠理想,應(yīng)通過控制切削參數(shù)及磨料分布進(jìn)行改善;最終實現(xiàn)高性能金剛石線鋸快速電鍍制備工藝的完善。

電鍍金剛石線鋸;生產(chǎn)效率;切削性能;應(yīng)用

1 引 言

從20世紀(jì)90年代中期開始,由于線鋸加工的切縫窄、厚度均勻、翹曲度較低,而被廣泛應(yīng)用于單晶硅等貴重硬脆材料的加工。線鋸主要分為游離磨料和固結(jié)磨料兩類。游離磨料線切割加工在工業(yè)切割領(lǐng)域表現(xiàn)穩(wěn)定,在光伏產(chǎn)業(yè)的大尺寸硅片切割領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但其存在加工效率較低且不利于加工更硬的材料、磨漿污染環(huán)境嚴(yán)重等問題,因而嚴(yán)重制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。其逐漸被電鍍磨料線鋸切割技術(shù)所替代,而其磨料一般采用金剛石。電鍍金剛石線鋸是一種在鍍液中添加一定的金剛石磨料,當(dāng)鍍液中的金屬離子在陰極還原成金屬,沉積在線鋸基體上時,金剛石微粒被包覆進(jìn)入鍍層而制成的線性鋸切工具。其比原來的游離磨粒線鋸具有更高的耐磨性,同時能夠承受較大的切削力和較長的切削時間。

2 研究進(jìn)展

2.1 制備工藝

電鍍金剛石線鋸的制作過程包括前處理、預(yù)鍍、上砂、加厚和后續(xù)處理等。前處理即為鍍前對基體打磨、堿洗除油和酸洗活化,采用砂紙和氧化鋁粉進(jìn)行打磨除掉基體表面的毛刺和銹,堿洗除油和酸洗活化的目的是去除基體表面的附著物,露出金屬晶格,在電鍍時得到與基體結(jié)合良好的金屬鍍層。預(yù)鍍是為了在基體與金剛石之間鍍上一層1～3μm的過渡層,該鍍層不含金剛石且有兩個作用:一方面可以阻止基體發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象;另一方面可以確保鍍層(結(jié)合劑)與基體具有足夠的結(jié)合力。上砂是把金剛石作為第二相粒子復(fù)合電鍍到基體上的工序,是復(fù)合電鍍的最關(guān)鍵部分。上砂的方式主要有埋砂法和懸浮法,埋砂法制造效率低、制備周期長、制造設(shè)備復(fù)雜,在實際生產(chǎn)中很少使用;生產(chǎn)中主要采用懸浮法,但是該方法的影響因素也很多。加厚是為了提高結(jié)合劑(金屬鍍層)對金剛石磨料的把持力,這是因為上砂時與金剛石同時沉積到基體上的金屬鍍層一般比較薄,加厚鍍鍍液中一般不含金剛石且加厚鍍鍍覆時間較長、鍍層較厚。后處理通常將鋸絲放入200℃～250℃的烘箱中保溫2 h,達(dá)到除氫處理的效果。由于在復(fù)合電鍍過程中,部分H+在陰極基體上還原,以氫原子形式滲入基體和鍍層晶格點陣中,使線鋸韌性下降,這就是所謂的“氫脆”現(xiàn)象。

2.2 研究現(xiàn)狀及趨勢

2.2.1 生產(chǎn)效率

目前雖然電鍍金剛石線鋸在硬脆材料的加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但其生產(chǎn)效率仍比較低,為改善這一狀況許多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)的研究。王亮亮[1]等通過研究認(rèn)為刷鍍法制造線鋸所用陰極電流密度是埋砂法和落砂法的數(shù)倍乃至幾十倍,在預(yù)鍍和加厚槽中安放刷鍍裝置,可很大程度地縮短兩個工序所需時間,生產(chǎn)效率也隨之提高了。張景濤[2]以復(fù)合電鍍的基本理論為基礎(chǔ),研究了影響上砂的工藝參數(shù)。結(jié)果表明:表面鍍有一層鎳衣的金剛石顆粒替換普通的金剛石顆粒,上砂速度可以提高一倍以上,很大程度地提高了電鍍金剛石線鋸的生產(chǎn)效率。Chiba,Y.[3]提出利用超高速電鍍用氈刷制造電鍍金剛石線鋸,實驗表明該工藝使得生產(chǎn)速度提高了30倍,且生產(chǎn)出的線鋸具有更高的耐磨性。Tani,Yasuhiro.[4]提出了一種用于生產(chǎn)電鍍金剛石線鋸的滾筒制造法,利用該工藝制作線鋸時許多金剛石線鋸可以在一個單一的機(jī)器上進(jìn)行快速的制造。這些研究的發(fā)展為電鍍金剛石線鋸提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本奠定了基礎(chǔ)。綜合來看,為提高電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)效率,應(yīng)通過調(diào)整鍍液配方、上砂方式等工藝進(jìn)行改善,可最終實現(xiàn)電鍍金剛石線鋸的快速制備。

2.2.2 切削性能

電鍍金剛石線鋸的切削性能是其加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素,也是值得深入研究的課題。研究線鋸切割性能最簡單的方法就是通過電鍍金剛石線鋸的切割實驗及疊加原理和軌跡曲線計算建立的鋸切軌跡方程[5]進(jìn)行推算,它為優(yōu)化金剛石線鋸的切割工藝參數(shù)提供了理論基礎(chǔ)。利用計算機(jī)優(yōu)勢模擬線鋸的切割過程[6],為改變磨粒大小、線速度、進(jìn)給速度等參數(shù)來提高線鋸切削能力的研究創(chuàng)造了有利條件。高玉飛[7]在理論上探討了單晶硅各向異性材料特性對電鍍金剛石線鋸切割硅晶片過程的影響。研究發(fā)現(xiàn):在確定的工藝參數(shù)下,當(dāng)鋸絲切入方向使鋸切兩邊材料的彈性模量分布關(guān)于鋸絲切入方向呈對稱性時,可有效地提高晶片面形質(zhì)量;鋸絲切入方向與被鋸切晶面內(nèi)的易開裂方向一致時,可有效減少晶片表面破碎。Gao[8]對往復(fù)式電鍍金剛石線鋸加工單晶硅的脆韌轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:材料去除方式和工件進(jìn)給速度及線速度間有密切關(guān)系,而通過控制和調(diào)節(jié)工件進(jìn)給速度和線速度間的比值可實現(xiàn)完全脆性、韌性、延性的去除方式。Kim[9]基于不同濃度線鋸的實驗結(jié)果對線鋸切割性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:金剛石磨料的濃度和切削性能具有很密切的關(guān)系,且低濃度的金剛石線鋸具有較強的材料去除率。Meng[10]研究了線速度和張力對振動的影響,發(fā)現(xiàn):減少線鋸切割過程中的振動更有效的方法是增加張力而不是降低線速度。Ge[11]等認(rèn)為光亮鍍液可提高電鍍金剛石線鋸的性能,并根據(jù)電流密度和時間對電鍍層的影響設(shè)計出最佳的制備工藝。電鍍金剛石線鋸的切割方向、進(jìn)給速度、走線速度、磨料的分布等參數(shù)嚴(yán)重影響材料表面的加工質(zhì)量。其中切割方向、進(jìn)給速度、走線速度等參數(shù)可通過實驗找到最佳值且易控制,但磨料的分布影響因素比較多,目前還不能得到很好的控制。

2.2.3 應(yīng)用

隨著電鍍金剛石線鋸的不斷發(fā)展,其性能得到了進(jìn)一步的開發(fā)與利用,很多學(xué)者對此進(jìn)行了不同的嘗試。王敬[12]等制備了具有絞合鋼線芯的三絲絞合電鍍金剛石線鋸,通過實驗發(fā)現(xiàn)三絲絞合電鍍金剛石線鋸切割時的線弓明顯小于單絲電鍍金剛石線鋸,具有磨損小、切割能力強、使用壽命長等優(yōu)點。Inoue, makoto[13]開發(fā)了一種新型可切割硬質(zhì)材料的線鋸,其第一層為用焊錫把鍍鎳金剛石磨料暫時固定在有黃銅涂層的鋼琴絲上,第二層鍍鎳加固,當(dāng)用該線鋸切割藍(lán)寶石時切割面的各項性質(zhì)都是非常好的。Gao[14]獨自設(shè)計的具有一定生產(chǎn)效率的金剛石線鋸可成功切割海底輸油管,并對其各項工藝參數(shù)間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。金剛石線鋸在切割硅錠時,在切口處會有硅損失,對硅材料造成了浪費。而利用氫鎳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的工藝[15]可以很好地回收切口處損失的硅。中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司采用多條環(huán)形金剛石線鋸排列成縱橫的網(wǎng)狀線切割多晶硅錠,可有效利用環(huán)形金剛石線鋸單方向、無慣性力、高速運動的特性使加工效率提高幾倍[16]。長沙岱勒公司利用牽引裝置,牽引金剛石線鋸依次穿過退鎳槽、金剛石拉絲模,進(jìn)行退鎳及剝離金剛石,可有效地回收金剛石[17],該發(fā)明處理過程效率高、剝離完全且整個過程造成的損失很小。

3 結(jié) 論

首先電鍍金剛石線鋸的生產(chǎn)效率過低,應(yīng)通過調(diào)整鍍液、制備工藝等途徑提高線鋸生產(chǎn)效率。目前市場上金剛石線鋸的切削性能還不夠理想,雖通過控制切割方向、進(jìn)給速度、走線速度等參數(shù)可以得到改善,但磨料的分布還不能很好的控制。通過不斷地研究與發(fā)展,最終可實現(xiàn)高性能金剛石線鋸快速電鍍制備工藝的完善,同時電鍍金剛石線鋸也能得到更加充分的應(yīng)用。

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Research Progress of Electroplated Diamond Wire Saw

DAI Xiao-nan1,2,HE Wei-chun1,2,Li Zheng-xin1,2
(1.School of materials,Henan University of Technology,Zhengzhou,Henan,China 450001; 2.Henan Provincial Engineering Laboratory of High Temperature Wear Resistant Material,Zhengzhou,Henan,China 450001)

Electroplated diamond wire saw has been widely used in cutting processing areas of precious hard brittle materials such as silicon and sapphire.It has a characteristic of high cutting efficiency and low loss.In this paper,the present research situation and development trend of electroplated diamond wire saw has been analyzed and explained.The production efficiency of electroplated diamond wire saw is too low and should be improved by approaches such as adjusting the plating solution and preparation technology;The cutting performance of diamond wire saw on the current market is not good enough and should be improved by controlling the cutting parameters and the distribution of the abrasive;by doing this,the rapid electroplating process of high-performance diamond wire saw will be ultimately improved.

electroplated diamond wire saw;production efficiency;cutting performance; application

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0052-03

2016-08-14

代曉南(1989-),男,碩士研究生。主要從事電鍍金剛石線鋸開發(fā)、應(yīng)用等方面研究工作。E-mail:xiaonandai36@163.com。

代曉南,何偉春,栗正新.電鍍金剛石線鋸研究進(jìn)展[J].超硬材料工程,2017,29(1):52-54.