电镀金刚石线锯研究进展

代晓南,何伟春,栗正新

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001;2.高温耐磨材料河南省工程实验室,郑州 450001)

电镀金刚石线锯研究进展

代晓南1,2,何伟春1,2,栗正新1,2

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001;2.高温耐磨材料河南省工程实验室,郑州 450001)

电镀金刚石线锯在单晶硅片和蓝宝石等贵重硬脆材料的切割加工领域广泛应用,其切割效率高、损耗小。文章就电镀金刚石线锯的研究现状及发展趋势做了分析与阐述。电镀金刚石线锯的生产效率过低,应通过调整镀液、制备工艺等途径提高线锯生产效率;目前市场上的金刚石线锯切削性能还不够理想,应通过控制切削参数及磨料分布进行改善;最终实现高性能金刚石线锯快速电镀制备工艺的完善。

电镀金刚石线锯;生产效率;切削性能;应用

1 引 言

从20世纪90年代中期开始,由于线锯加工的切缝窄、厚度均匀、翘曲度较低,而被广泛应用于单晶硅等贵重硬脆材料的加工。线锯主要分为游离磨料和固结磨料两类。游离磨料线切割加工在工业切割领域表现稳定,在光伏产业的大尺寸硅片切割领域广泛应用,但其存在加工效率较低且不利于加工更硬的材料、磨浆污染环境严重等问题,因而严重制约了该技术的进一步发展。其逐渐被电镀磨料线锯切割技术所替代,而其磨料一般采用金刚石。电镀金刚石线锯是一种在镀液中添加一定的金刚石磨料,当镀液中的金属离子在阴极还原成金属,沉积在线锯基体上时,金刚石微粒被包覆进入镀层而制成的线性锯切工具。其比原来的游离磨粒线锯具有更高的耐磨性,同时能够承受较大的切削力和较长的切削时间。

2 研究进展

2.1 制备工艺

电镀金刚石线锯的制作过程包括前处理、预镀、上砂、加厚和后续处理等。前处理即为镀前对基体打磨、碱洗除油和酸洗活化,采用砂纸和氧化铝粉进行打磨除掉基体表面的毛刺和锈,碱洗除油和酸洗活化的目的是去除基体表面的附着物,露出金属晶格,在电镀时得到与基体结合良好的金属镀层。预镀是为了在基体与金刚石之间镀上一层1～3μm的过渡层,该镀层不含金刚石且有两个作用:一方面可以阻止基体发生“氢脆”现象;另一方面可以确保镀层(结合剂)与基体具有足够的结合力。上砂是把金刚石作为第二相粒子复合电镀到基体上的工序,是复合电镀的最关键部分。上砂的方式主要有埋砂法和悬浮法,埋砂法制造效率低、制备周期长、制造设备复杂,在实际生产中很少使用;生产中主要采用悬浮法,但是该方法的影响因素也很多。加厚是为了提高结合剂(金属镀层)对金刚石磨料的把持力,这是因为上砂时与金刚石同时沉积到基体上的金属镀层一般比较薄,加厚镀镀液中一般不含金刚石且加厚镀镀覆时间较长、镀层较厚。后处理通常将锯丝放入200℃～250℃的烘箱中保温2 h,达到除氢处理的效果。由于在复合电镀过程中,部分H+在阴极基体上还原,以氢原子形式渗入基体和镀层晶格点阵中,使线锯韧性下降,这就是所谓的“氢脆”现象。

2.2 研究现状及趋势

2.2.1 生产效率

目前虽然电镀金刚石线锯在硬脆材料的加工领域得到广泛应用,但其生产效率仍比较低,为改善这一状况许多学者都进行了相关的研究。王亮亮[1]等通过研究认为刷镀法制造线锯所用阴极电流密度是埋砂法和落砂法的数倍乃至几十倍,在预镀和加厚槽中安放刷镀装置,可很大程度地缩短两个工序所需时间,生产效率也随之提高了。张景涛[2]以复合电镀的基本理论为基础,研究了影响上砂的工艺参数。结果表明:表面镀有一层镍衣的金刚石颗粒替换普通的金刚石颗粒,上砂速度可以提高一倍以上,很大程度地提高了电镀金刚石线锯的生产效率。Chiba,Y.[3]提出利用超高速电镀用毡刷制造电镀金刚石线锯,实验表明该工艺使得生产速度提高了30倍,且生产出的线锯具有更高的耐磨性。Tani,Yasuhiro.[4]提出了一种用于生产电镀金刚石线锯的滚筒制造法,利用该工艺制作线锯时许多金刚石线锯可以在一个单一的机器上进行快速的制造。这些研究的发展为电镀金刚石线锯提高生产效率降低生产成本奠定了基础。综合来看,为提高电镀金刚石线锯生产效率,应通过调整镀液配方、上砂方式等工艺进行改善,可最终实现电镀金刚石线锯的快速制备。

2.2.2 切削性能

电镀金刚石线锯的切削性能是其加工质量的关键因素,也是值得深入研究的课题。研究线锯切割性能最简单的方法就是通过电镀金刚石线锯的切割实验及叠加原理和轨迹曲线计算建立的锯切轨迹方程[5]进行推算,它为优化金刚石线锯的切割工艺参数提供了理论基础。利用计算机优势模拟线锯的切割过程[6],为改变磨粒大小、线速度、进给速度等参数来提高线锯切削能力的研究创造了有利条件。高玉飞[7]在理论上探讨了单晶硅各向异性材料特性对电镀金刚石线锯切割硅晶片过程的影响。研究发现:在确定的工艺参数下,当锯丝切入方向使锯切两边材料的弹性模量分布关于锯丝切入方向呈对称性时,可有效地提高晶片面形质量;锯丝切入方向与被锯切晶面内的易开裂方向一致时,可有效减少晶片表面破碎。Gao[8]对往复式电镀金刚石线锯加工单晶硅的脆韧转变进行了研究,结果表明:材料去除方式和工件进给速度及线速度间有密切关系,而通过控制和调节工件进给速度和线速度间的比值可实现完全脆性、韧性、延性的去除方式。Kim[9]基于不同浓度线锯的实验结果对线锯切割性能进行了研究,结果表明:金刚石磨料的浓度和切削性能具有很密切的关系,且低浓度的金刚石线锯具有较强的材料去除率。Meng[10]研究了线速度和张力对振动的影响,发现:减少线锯切割过程中的振动更有效的方法是增加张力而不是降低线速度。Ge[11]等认为光亮镀液可提高电镀金刚石线锯的性能,并根据电流密度和时间对电镀层的影响设计出最佳的制备工艺。电镀金刚石线锯的切割方向、进给速度、走线速度、磨料的分布等参数严重影响材料表面的加工质量。其中切割方向、进给速度、走线速度等参数可通过实验找到最佳值且易控制,但磨料的分布影响因素比较多,目前还不能得到很好的控制。

2.2.3 应用

随着电镀金刚石线锯的不断发展,其性能得到了进一步的开发与利用,很多学者对此进行了不同的尝试。王敬[12]等制备了具有绞合钢线芯的三丝绞合电镀金刚石线锯,通过实验发现三丝绞合电镀金刚石线锯切割时的线弓明显小于单丝电镀金刚石线锯,具有磨损小、切割能力强、使用寿命长等优点。Inoue, makoto[13]开发了一种新型可切割硬质材料的线锯,其第一层为用焊锡把镀镍金刚石磨料暂时固定在有黄铜涂层的钢琴丝上,第二层镀镍加固,当用该线锯切割蓝宝石时切割面的各项性质都是非常好的。Gao[14]独自设计的具有一定生产效率的金刚石线锯可成功切割海底输油管,并对其各项工艺参数间的相互关系进行了研究。金刚石线锯在切割硅锭时,在切口处会有硅损失,对硅材料造成了浪费。而利用氢镍发生化学反应的工艺[15]可以很好地回收切口处损失的硅。中国有色桂林矿产地质研究院有限公司采用多条环形金刚石线锯排列成纵横的网状线切割多晶硅锭,可有效利用环形金刚石线锯单方向、无惯性力、高速运动的特性使加工效率提高几倍[16]。长沙岱勒公司利用牵引装置,牵引金刚石线锯依次穿过退镍槽、金刚石拉丝模,进行退镍及剥离金刚石,可有效地回收金刚石[17],该发明处理过程效率高、剥离完全且整个过程造成的损失很小。

3 结 论

首先电镀金刚石线锯的生产效率过低,应通过调整镀液、制备工艺等途径提高线锯生产效率。目前市场上金刚石线锯的切削性能还不够理想,虽通过控制切割方向、进给速度、走线速度等参数可以得到改善,但磨料的分布还不能很好的控制。通过不断地研究与发展,最终可实现高性能金刚石线锯快速电镀制备工艺的完善,同时电镀金刚石线锯也能得到更加充分的应用。

[1] 王亮亮,王秦生,等.电镀金刚石线锯上砂方式的进展[J].机械电子等磨削切削类工具及应用,2011:197-201.

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[11] Ge.Study on electroplated diamond wire saw development and wire saw analysis[J].Key Engineering Materials,2009,V416: 311-315.

[12] 王敬,李海强,等.三丝绞合电镀金刚石线锯的切割性能研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2013,33(197):67-70.

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[16] 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司.多晶硅锭开方金刚石线锯装置[P].中国.CN 203680563 U.2014-7-2.

[17] 长沙岱勒新材料科技有限公司.回收废旧的金刚石线锯的装置及方法[p].中国.CN 103056153 A.2013.

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

代晓南(1989-),男,硕士研究生。主要从事电镀金刚石线锯开发、应用等方面研究工作。E-mail:xiaonandai36@163.com。

代晓南,何伟春,栗正新.电镀金刚石线锯研究进展[J].超硬材料工程,2017,29(1):52-54.