电镀金刚石线锯制备及应用的研究现状

王蕊，刘新宽,，徐斌，刘平，陈晓红，盛荣生，詹宝华，雷雪松

（1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093；2.盛利维尔(中国)新材料技术股份有限公司，江苏 金坛 213200）

电镀金刚石线锯制备及应用的研究现状

王蕊1，刘新宽1,*，徐斌2，刘平1，陈晓红1，盛荣生2，詹宝华2，雷雪松2

（1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093；2.盛利维尔(中国)新材料技术股份有限公司，江苏 金坛 213200）

从制备材料(包括线芯和磨料)、上砂方法和应用(如切割石材、陶瓷、单晶硅、宝石、磷酸二氢钾晶体)方面对电镀金刚石线锯的研究现状进行综述，展望了其未来的研究方向。

金刚石线锯；电镀；线芯；磨粒；复合镀；切割

1 电镀金刚石线锯用材料

1. 1 金属线芯

为满足切割需要，电镀金刚石线锯的线芯必须具有优良的弯曲疲劳、扭曲性能和高抗拉强度。为便于电镀，金属线芯的电极电位应低于沉积金属的电位。目前常用的电镀金刚石线芯有65Mn冷拉钢丝[8]、琴钢丝[9-10]、不锈钢丝[11-12]和镀铜高碳钢丝[13-14]。

金属芯线的直径应根据被加工件、加工方式及设备条件而定。对于KDP、碲锌镉(Cd1-xZnxTe，简称CZT)、CaF2等软脆功能晶体材料的精密切割而言，一般要求金刚石线锯的基体线径为0.1 ～ 0.2 mm，并采用微粉级金刚石[10]；对于机械、建筑、石材等硬脆材料的锯切加工而言，电镀金刚石线锯的基体线径应大于0.5 mm，并采用大粒度金刚石磨料[12]。

传统的金属线芯结构为单根金属丝(线)，横截面为圆。用这种结构的线芯制成的金刚石线锯进行切割时，切屑附着于磨粒表面，镀层的外表面很快被磨去，磨粒就很容易脱落，导致线锯的切割性能逐渐下降。为提高电镀金刚石线锯的切割效率，延长其使用寿命，出现了以钢丝绞合线为芯线的绞合线锯[15]。李海强等[16]研制的三丝绞合电镀金刚石线锯，在相同条件下切割方形多晶硅锭时，其线弓比传统线锯的线弓低23%。此外还有F. Schmid等的泪滴状线锯[17](见图1)、高伟等的环形电镀金刚石线锯[8]以及盛利威尔(中国)新材料技术股份有限公司的异形钢丝捻绳金刚绳[18](见图 2)。其中异形钢丝捻绳线锯由若干嵌有金刚石颗粒的异形钢丝捻合而成，不同钢丝之间形成V形的弧形结构排屑槽，可防止积屑和液体残留，排屑槽内还设有方形弹片，有助于加快排屑。

图1 泪滴状线锯基体的截面图Figure 1 Cross-sectional diagram of teardrop-shaped wire saw substrate

图2 异形金刚石线锯捻绳Figure 2 Special-shaped rope twisted from diamond wire saw

1. 2 金刚石磨料

复合镀层的性能由镀层金属与夹杂其中的第二相超硬磨料共同决定。在镀层金属确定的前提下，第二相超硬磨料便成为决定线锯性能的关键。用于电镀金刚石线锯制造的金刚石磨料的粒度组成、杂质含量、表面状况等都要满足一定的要求。

为保证加工件的表面质量、切削损耗量和切削效率，应选择粒径适宜的金刚石磨粒，可通过综合分析磨粒粒径对工件表面质量、材料去除率、声发射信号、摩擦因数、磨屑等性能指标的影响，并结合磨粒切入深度，选择最佳的磨粒粒径[17]。李娟等[19]在用金刚石线锯切割大理石时发现，随线锯上金刚石粒径(100 ～ 180目)减小，线锯切割的加工效率降低。

在实际生产中，既要保证金刚石线锯的使用性能，还要兼顾金刚石线锯的生产效率。金刚石磨料的表面特性对电镀过程中的上砂率和线锯性能有很大的影响。而对金刚石微粒进行表面改性不仅不会削弱金刚石的物理化学性能，反而会使其在原有的基础上有所提高[20]。最常用的是对金刚石进行电镀或化学镀，主要为镀覆单金属(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]。王艳辉等[23]采用镀钛金刚石微粉制作线锯，实现了快速上砂、快速沉积、金刚石与镀层牢固结合。张晓杰等[24]研究了镀镍和未镀镍金刚石在制造电镀金刚石线锯中的上砂机理，发现镀镍金刚石会与镀液中各种离子相互作用以及影响电场和磁场，显著改变复合镀的开路电位、阴极极化程度、电荷转移电阻和溶液电阻。

2 电镀金刚石线锯的制备工艺

电镀制备金刚石线锯的工艺流程一般为：基材预处理→预镀→上砂镀→加厚镀→镀后处理。其中，上砂镀是指金刚石磨粒作为第二相粒子与金属一起沉积到基体表面的过程，是影响电镀金刚石线锯表面形貌和加工性能的关键工序。常见的上砂方法主要有埋砂法、悬浮法和刷镀法。

埋砂法主要通过机械沉降实现共沉积，所以受液流的影响较大，表面存在涡流时难以有效上砂，稳流时电流对上砂量的影响不大[24]。埋砂法适用于多形面工件的多表面上砂，但砂层过厚会阻碍电解液的传质和导电，氢气不易逸出，导致上砂效率较低，并且需要的砂量多，所以埋砂层以薄为宜。为了提高埋砂法的上砂效果，学者们对埋砂工艺和设备不断地进行探索和优化。J. Lukschandel等[25]在电镀制备金刚石线锯时采用二次上砂：先镀一层粒度10 ～ 50 μm的金刚石，再镀一层粒度1 ～ 6 μm的金刚石。如此除了可以减小外层的残余压应力，还能提高镀层结合力，所得线锯可用以切割硬度较高的物质(如陶瓷)。深圳市常兴技术股份有限公司[26]研发了一种新型细粒度金刚石磨具埋砂生产装置，该装置的电镀槽内有上砂机构、加厚槽、阳极篮、电镀液循环机构和控温机构，通过主控机保证这些机构间配合，既能保证同批次产品的质量稳定性和公用性，又能提高电镀液的利用率，并实现节能减排。

悬砂法制备电镀金刚石线锯分为吸附、嵌入和掩埋3个阶段[10]，上砂原理模型如图3所示。随着阴极(线芯)表面金属离子(如 Ni2+)还原沉积形成镀层，金刚石磨粒嵌入基质镀层，当镀层厚度大于磨粒的半径时，可以认为金刚石磨粒已经固结在金属线芯上。金刚石磨粒在镀液中均匀分散是悬砂法制备电镀金刚石线锯顺利进行的前提条件[27]。其中，机械搅拌应用最广，但由于机械搅拌分散时不同方向、高度和镀件不同部位的搅拌强度难调节，易造成线锯上金刚石微粒分布不均的缺陷。为此，吴海洋[28]设计了平板泵法搅拌镀液。在镀槽内放置多孔仿形板，施镀时由电动机带动曲杆滑块装置使多孔板在距槽底一定高度范围内上下运动，从而保证了金刚石微粒在镀液中的均匀分散。在镀液中添加表面活性剂也是改善微粒在镀液中分散能力的常用方法。惠骏等[29]探索了分别采用六偏磷酸钠(SHP)和聚乙二醇(PEG)作为分散剂时金刚石颗粒在水体系中的分散性，发现SHP对金刚石的分散效果优于PEG。此外，微粒的形状、大小以及电流密度都对上砂过程有重要作用。张飞等[30]发现在搅拌上砂过程中使用双脉冲电源可以提供比使用直流电源时高得多的瞬时电流密度，进而增强体系的电化学极化，改善镀层质量的同时提高了镀镍金刚石磨粒的极化率，提升了金刚石的固结强度。

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

电刷镀作为一种典型的表面处理技术，以数十倍于一般电镀的电流密度施镀，其生产效率很高[31]。但采用复合电刷镀制备的固结磨料线锯存在线芯圆周上磨粒分布不均的问题[32]。为解决这一问题，Y. Chiba等[1]采用了一种旋转毡刷，它可以完全包住线锯基体。窦百香等[33]则提出了一种环形毛带上砂法。另外，采用复合电刷镀法制备金刚石线锯时，固结磨料的粒径较小，通常在1 ～ 40 μm之间，这也限制了复合电刷镀在金刚石线锯制备方面的应用。

3 电镀金刚石线锯的应用

电镀金刚石线锯应用广泛，不仅可用于陶瓷、石材、玻璃等普通硬脆材料的切割，而且可用于单晶硅、宝石、水晶等贵重硬脆材料的切割。

陈超等[34]用自制线径为2.5 mm的金属固结环形金刚石线锯对1 m × 2 m的大理石进行切割，切割面小(锯缝宽度约3 mm)，光滑，粗糙度＜0.3 mm。吴平[35]采用自制线径为0.33 mm、颗粒密度约50个/mm2的电镀金刚石线锯对外径60 mm、内径40 mm的氮化硅陶瓷管进行切割。结果表明，陶瓷管锯口平整，无毛刺和裂纹，线锯上的金刚石磨粒虽有破裂现象，但无脱落，仍可继续使用。

高玉飞[36]用名义直径为0.28 mm、磨粒粒度为30 ～ 40 μm的电镀金刚石锯丝，将直径45 mm的(111)单晶硅棒切割成0.5 mm厚的切片，并研究了切割工艺参数对锯切硅片表面粗糙度、总厚度偏差和翘曲度的影响。他发现随锯丝速率或工件进给速率增大，锯切的硅片表面粗糙度减小，并且工件的进给速率对硅片表面粗糙度的影响更明显。蔡二辉[37]采用金刚石线锯对单晶硅片进行刻划，并提出了刻划机理和模型：在较大压力下，金刚石主要以脆性模式加工晶体硅，划痕呈破碎崩坑状；在较小压力下，金刚石主要以塑性模式加工晶体硅，划痕相对平直、光滑。

陈超等[38]用线径0.7 mm、周长4 m的环形金刚石线锯切割直径53 mm的蓝宝石晶棒，发现当线速率为20 m/s、进给速率为0.5 mm/min、张紧力为50 N时，切割表面质量最好，表面粗糙度为0.473 μm。他们同时提出环形金刚石锯丝的失效原因为：金刚石磨损导致切割力增大，当切割力大于钢丝基体的承受能力时钢丝断开，进而失效。

KDP晶体具有软且脆、易潮解、各向异性等特性，是公认的难加工材料之一。王强国[39]分别采用线径0.3 mm、金刚石磨粒粒径40 μm和线径0.4 mm、金刚石磨粒粒径60 μm的电镀金刚石线锯对KDP晶体进行往复式切割与连续式切割。结果表明，采用往复式线锯切割时，在切割效率允许的情况下，宜采用较低金刚石粒度的线锯和较低的切割进给速率；采用连续式线锯切割时，采用1.88 m/s线锯速率、52.46 N/m 切割压力时可使工件的亚表面损伤最浅、崩边深度和平面度也较低。滕晓辑等[40]使用线径0.26 mm的电镀金刚石线锯切割390 mm × 100 mm × 10 mm的KDP晶体，利用KDP易潮解的特点，提出基于微乳液的水溶解辅助金刚石线锯精密切割新方法。与常用的同浓度油冷却相比，采用水溶解辅助时晶体的切割表面更平坦，表面粗糙度更低，且加工效率可提高15% ～ 20%。

4 结语

电镀金刚石线锯在非金属材料和非导电材料的加工方面得到了广泛应用，需求量也很大，其制备已成为研究的热点。虽然目前已经取得不少成果，但想要快速、高效地制造出切割性能优异的电镀金刚石线锯，仍需要从以下几个方面作进一步的研究：(1)线锯用线芯基体材料单一，对基体材料的研究相对较少，需要进一步拓展适用于制作线锯的材料；(2)对线芯的形态、结构有所研究，但对有关其提高切割效率和表面质量的理论研究较少；(3)对金刚石在线芯上排布的研究比较匮乏，金刚石磨料在线芯上的分布规律及上砂率对切割效果的影响规律值得研究。

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[ 编辑：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

随着半导体信息技术和光伏技术的迅速发展，对单晶硅、宝石、大尺寸KDP(磷酸二氢钾)晶体等贵重硬脆材料的切割加工要求越来越精密。固结磨料线锯以加工效率高、精度高、切割环境友好等优势而被广泛应用。固结磨料线锯按磨料的固结方式可分为压入型、树脂型、钎焊型和电镀型 4种[1]。其中，电镀金刚石线锯拥有耐磨性、耐热性好和制造直径灵活的优点，并且切割效率高，锯切力小，锯缝整齐，切面精细，噪音低，环境污染小[2]，不仅适用于加工石材、玻璃等普通硬脆材料，而且特别适合锯切陶瓷、宝石、水晶等贵重的硬脆材料[3-4]。如此广的应用范围引起人们对它的关注与深入研究。目前已有多篇文献[2,5-7]从电镀金刚石线锯的制备原理、工艺参数等方面总结了电镀金刚石线锯的研究现状，然而很少涉及金刚石磨料和电镀金刚石线锯的应用。本文从金刚石线锯的制备材料、制备工艺以及应用这三方面综述了电镀金刚石线锯的研究进展，并对其未来的研究方向进行了展望，旨在为开展相关研究与生产提供参考。

2017-03-28

2017-05-19

王蕊（1989-），女，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为复合电镀。

作者联系方式：刘新宽，副教授，(E-mail) xinkuanliu@163.com。