电镀金刚石线锯的研究现状
3广西科学研究与技术开发计划资助项目(桂科能0511200122B1) 向波:男,硕士生 Tel :0731******** E 2mail :xiangbo0912@https://www.sodocs.net/doc/ba27741.html, 贺跃辉:通讯作者,男,博士生导师 E 2mail :yuehui @https://www.sodocs.net/doc/ba27741.html,
电镀金刚石线锯的研究现状3
向 波1,贺跃辉1,谢志刚1,2,黄艳华1
(1 中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083;2 桂林特邦新材料有限公司,桂林541004)
摘要 电镀金刚石线锯是用电镀的方法在金属丝(线)上沉积一层金属,并在沉积的金属内固结金刚石磨料制
成的一种线性超硬材料工具。综述了电镀金刚石线锯的原理、模型和特点,以及制备过程中使用的材料(基体材料、金刚石和电镀液)和工艺及其应用实例,并对电镀金刚石线锯的进一步发展进行了展望。为开展电镀金刚石线锯的研究和生产提供了一定的指导。
关键词 电镀金刚石线锯 特点 制备 现状
R esearch Progress in Electroplated Diamond Wire Sa w
XIAN G Bo 1,H E Yuehui 1,XIE Zhigang 1,2,HUAN G Yanhua 1
(1 State Key Labrotary of Powder Metallurgy ,Central South University ,Changsha 410083;
2 Guilin Tebon New Material Co.Ltd ,Guilin 541004)
Abstract Electroplated diamond wire saw is a kind of linearity superhard material tool ,which is prepared by
electroplating a layer metal deposit on metal wire and concreting diamond in the deposited metal.In this paper ,the principle ,model ,characteristics ,materials ,technics and applied example of electroplated diamond wire saw are sum 2marized.And the f urther development of electroplated diamond wire saw is also forecasted.This paper will provide a guidance for investigation and production of electroplated diamond wire saw.
K ey w ords
electroplated diamond wire saw ,characteristic ,preparation ,progress
0 引言
20世纪90年代,国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题,
采用了线锯加工技术将硅棒切割成片。早期的线锯加工技术是
采用裸露的金属线和游离的磨料,在加工过程中,将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用[1]。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间,以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工,人们将金刚石磨料以一定的方式固定到金属线上,从而产生了固定金刚石线锯[2,3]。电镀金刚石线锯是固定金刚石线锯的一种。
电镀金刚石线锯由于具有良好的性能,受到人们极大关注,国外生产技术已基本成熟,并且申请了多项专利[4]。而国内对电镀金刚石线锯的研究和生产还处在起步阶段,使用的电镀金刚石线锯主要依靠进口。本文对电镀金刚石线锯的特点、原理及其制备用的材料和工艺进行了综述,旨在为开展电镀金刚石线锯的研究和生产提供一定的指导。
1 电镀金刚石线锯的原理、模型和特点
电镀金刚石线锯是用电镀的方法在金属丝(线)(基体)上沉积一层金属(一般为镍及镍钴合金)并在沉积的金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具,其示意图如图1所示。金属镀层是结合剂,金刚石磨料用于切削加工。电镀金刚石线锯根据需要可制成不同的直径和长度;线锯可以装在不同
的设备上形成不同的加工方式,如往复循环(锯架)式、高速带锯式、线切割式等。对硬脆材料的加工,线锯不仅可以切割薄片,也可加工曲面,更可以用于小孔的研修,其应用前景十分广阔
。
图1 电镀金刚石线锯示意图
与其它加工技术相比,电镀金刚石线锯具有其独特的优点:
(1)与游离磨料线锯相比,其加工效率更高,能耗更低[5];(2)可避免烧结金刚石工具制造过程中的混料、制粒、烧结、焊接(或注塑)等繁琐工序;(3)可用于对电子放电加工EDM 无法加工的非导体进行加工;(4)金刚石线锯缠绕在滚筒周围,可以同时对加工件(如硅棒)进行多次切割,并且可以同时对多个加工件进行加工;(5)由于烧结金刚石线锯串珠之间存在间距,间距部分可能过早地磨损导致钢丝(线)的断裂[6,7],而电镀金刚石线锯中金刚石的连续分布,可避免线锯的过早断裂;(6)与圆锯和带锯相比,线锯能灵活地改变切割方向,可以用于加工复杂的几何形状;(7)由于线锯直径小(一般<1mm ),加工时切口损失小,这
对于成本昂贵的半导体和宝石的加工具有重要的意义[8]。
2 电镀金刚石线锯的制备
2.1 电镀金刚石线锯的基本材料
2.1.1 基体材料
电镀金刚石线锯的基体材料为金属丝(线)。金属丝(线)可以是钢丝(线)、不锈钢丝(线)、钨钼丝(线)、钼丝(线)和黄铜丝(线)[9]。为适应加工,基体材料应选用抗拉强度高且韧性较好的材料;为便于电镀,其电极电位应低于沉积金属(如镍及镍合金)的电位。金属丝(线)的直径与长度的确定应根据被加工材料、加工方式及设备条件而定。一般情况下,为节省被加工材料,提高线柔性应尽量选用小直径的金属丝(线)。目前,人们研究较多的是采用钢丝作为基体材料,如孙建章等[10]用直径为Φ0.5mm 的碳素弹簧钢丝(线)作为基体材料,高伟等[11]采用Φ0.8mm 的65Mn 冷拉钢作为线锯的基体材料,L ukschandel 等[12]采用Φ0.15～0.3mm 的钢丝作为基体材料。
为了进一步提高电镀金刚石线锯的加工效率,石川宪一等[13]
对传统的单根线锯的基体材料进行改进,采用由2根极细琴钢丝捻成的绞合线作为基体材料,在其表面电沉积金刚石磨粒,其示意图如图2所示。绞合线锯的切割效率最大可达单根线锯的2倍左右,从几何学上研究其加工机理得知,绞合线的效果主要是容屑槽促进了加工液的流入,从而促进了绞合线锯的切割效率
。
图2 电镀金刚石绞线线锯示意图
2.1.2 金刚石
为了便于电镀,并且使线锯的直径控制在一定的范围内,电
镀金刚石线锯一般采用颗粒比较细小的金刚石。对于复合电镀,第二相粒子金刚石的颗粒越小,越有利于复合电镀,在金属
丝(线)的表面沉积的越多。E.C.Lee 等[14]对2～4μm 、4～
8μm 、10～15
μm 和20～30μm 的金刚石进行了复合镀研究,部分复合镀后形貌见图3。由图可以看出,金刚石的颗粒越小,在钢丝(线)的表面沉积的越多。因此,从电镀角度来说,金刚石颗粒越小越有利于复合镀。研究者[15～17]对纳米金刚石的复合电镀也进行了研究,但由于其易于团聚,电镀时需要进行分散[18]
。
图3 钢丝表面复合镀不同尺寸规格金刚石后的形貌谢华等[19]对纳米金刚石和微米金刚石复合镀层的耐磨性
进行了对比研究,研究表明:微米金刚石复合镀层具有较好的耐磨性,纳米金刚石复合镀层耐磨性受热处理温度的影响十分显
著,而微米金刚石复合镀层的耐磨性随热处理温度的变化并不明显。纳米金刚石复合镀层的耐磨性主要由基质决定,纳米金刚石的加入并没有明显改变镀层的耐磨性及其磨损机制,而微米金刚石复合镀层的耐磨性并不主要取决于基质,更主要的作用因素是复合粒子,即微米金刚石改变了镀层的磨损机制,使复合镀层具有更好的耐磨性。因此,从耐磨性角度来说,金刚石颗粒并不是越小越好,需要具有一定的粒径。
2.1.3 电镀液
电镀金刚石线锯一般采用复合电镀镍(或镍合金)2金刚石的方法制造。复合电镀镍(或镍合金)2金刚石用的电镀液配方有多种,常见的是以硫酸镍为主盐[20]。但对于有弯曲运动的电镀金刚石线锯的最佳选择则是以氨基磺酸镍为主盐的镀液,其具有镍沉积速度快、内应力小和适宜等时性等优点,因此特别适合电镀金刚石线锯。
2.2 电镀金刚石线锯的制备工艺2.2.1 预处理
(1)基体材料预处理:为了增强镀层与基体的结合力,电镀
前需要对基体进行预处理。电镀金刚石线锯的预处理工序与普通电镀的预处理工序基本相同,一般包括: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[21]。碱洗除油和酸洗活化在超声波中进行效果更好[22]。
(2)金刚石预处理:电镀前对金刚石进行预处理。首先将金刚石在NaO H 溶液中煮沸10min ,去除表面油污。再在HNO 3中煮沸20min ,去除表面杂质,同时使金刚石表面粗糙和达到亲水的目的,以加强金刚石表面与镀层的结合能力。酸煮冷却后
反复水洗至中性,用镀液浸泡备用。
2.2.2 电镀
复合电镀工序一般包括预镀、上砂和加厚镀。
(1)预镀:预镀是为了在基体与金刚石之间镀上一层过渡层。过渡层不含金刚石,有两个作用:一方面可以阻止基体“氢脆”发生,另一方面可以确保镀层(结合剂)与基体具有足够的结合力[12]。预镀初期采用冲击电流可以提高镍的覆盖能力,增加底层与基体的结合面积,有利于得到平整光滑的镀层。预镀液配方较多,高伟等[23]采用以硫酸镍为主盐的预镀液配方,具体如表1所示;孙建章等[8]采用以氨基磺酸镍为主盐的预镀液配方,具体如表2所示。
表1 镀镍镀液配方
原料硫酸镍硫酸钴硼酸氯化钠
十二烷基硫酸钠1,4丁炔
二醇
糖精
浓度/(g/L )
280
10
30
16
0.1
0.7
1.0
表2 镀液组成及工艺条件
过程Ni (NH 2SO 3)2?4H 2O
含量/(g/L )NiCl 2?6H 2O
含量/(g/L )H 2BO 3含
量/(g/L )pH 值
温度℃
阴极电流密度
A/cm 2预镀40012404500.03上砂600
15
42
4600.03加厚镀
750
15
42
4
70
0.38
(2)上砂: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。工业用人造金刚石磨料
分为磨粒(平均粒径41.5～1090
μm )和微粉(0～40μm )两种。对于粗颗粒磨料常采用埋砂法上砂;而对于较细的磨料和微粉多采用搅拌悬浮的方法上砂[24]。高伟等[23]用埋砂法对环形金刚石线锯进行上砂,采用英国De Beers 公司提供的PDA768型金刚石磨料,使用前用浓硝酸浸泡30min ,以增加金刚石磨料的亲水能力,然后用清水冲洗后浸泡于镀液中备用。砂槽采用厚度为1mm 的PVC 板材粘结而成,在砂槽各表面上钻出直径为2mm 的密集小孔,用胶将300#尼龙筛网布粘贴在砂槽壁上。上砂时,将锯丝基体埋入砂槽中,轻轻晃动砂槽,使金刚石磨料与锯丝基体紧密接触,以确保上砂均匀。孙建章等[10]设计了特殊的置砂槽,即在用聚氯乙烯制成置砂槽的两侧及下方铣出长孔,在槽内壁上覆有原子膜。该膜既可托住金刚石磨料,又不阻碍金属离子通过。在置砂槽四周布有镍条,构成合理阴阳极排布,从而实现钢丝的均匀上砂,置砂槽结构见图4。其镀液是以氨基磺酸镍为主盐,进行Ni 2金刚石的复合镀,镀液的组成和工艺条件如表2所示。为确保上砂均匀,E.C.Lee 等[14]用具有一定直径(如1.2cm 、2.0cm 或3cm )圆筒形状的金属钯作不溶性的阳极
,用低碳钢丝(线)
穿过钯圆筒的中心作阴极,进行金刚石的复合电镀,其示意图如图5所示;其镀渡以氨基磺酸镍为主盐,进行Ni 2金刚石的复合镀,镀液的组成如表3所示。
表3 镀液组成
原料
含量浓度/(g/L )
Ni (N H 2SO 3)2?4H 2O
500
NiCl 2?6H 2O
5H 2BO 3
40
图4 置砂槽结构简图
图5 电镀装置示意图
(3)加厚镀: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,为提高结合剂(金属镀层)对金刚石磨料的把持力,上砂后,需要将锯丝移入加厚镀槽中进行加厚处理。加厚镀镀液中一般不含金刚石,并且加厚镀镀覆时间较长,镀层较厚。长丝锯使用的加厚镀工艺如表2所示。环形电镀金刚石线锯[8]使用的加厚镀工艺为:镀液组成如表1所示,加厚镀电流为
01012A/cm 2,加厚镀时间为1.5～2.5h (根据金刚石粒度而定)。
2.2.3 后续处理
电镀时,在阴极上析出金属的同时,往往还有氢离子在阴极上还原,其中一部分形成氢气放出,另一部分则以氢原子的形态渗入基体金属及镀层的晶格点阵中,使基体金属及镀层韧性下降而变脆,发生“氢脆”现象。因此,为了防止“氢脆”现象的发生和减少镀层残余应力,增加金属结合剂的硬度和耐磨性,电镀完成后需要进行除氢和后续处理。具体方法是电镀后将线锯置于一定的加热装置中,并保温一段时间。L ukschandel 等[12]将2
种不同的线锯分别在150～200℃和350℃进行后续处理。高伟等[10]将线锯置于200～250℃的烘箱中,保温2h 进行除氢处理。
2.2.4 制备电镀金刚石线锯的新工艺
W.I.Clark 等[4]采用激光技术对电镀金刚石线锯进行处
理,激光处理可以提高结合剂对金刚石的把持力,具体如图6所示。图6(a )为经过激光处理的线锯,金刚石的出露不明显,这是因为在金刚石的外层又镀覆了一层金属。图6(b )为复合电镀沉积细颗粒金刚石的形貌,细颗粒金刚石有利于减少加工时金刚石的损失。
图6 电镀金刚石线锯形貌
为增强金属结合剂对金刚石的把持力,L ukschandel 等[12]
采用两次上砂处理,第一次先镀一层粗的金刚石,然后再镀一层细的金刚石,这样可以减小外层残余压应力的作用,有利于提高结合力,而且还可以用于切割硬度比较高的物质(如陶瓷)和降低后续处理的温度。
由于传统电镀技术需要的时间较长,导致生产成本较高。为了缩短加工时间和降低成本,Chiba Y 等[25]研究了采用毡刷的超高速电镀技术。超高速电镀技术的生产效率是传统电镀技术的30倍,并且采用新工艺制造的线锯比传统电镀金刚石线锯的耐磨性及把持强度也明显提高。葛培琪[26]认为具有金属涂层的金刚石磨粒容易沉积到锯丝表面上,而且电镀层对磨粒的把持强度高,其中,采用镍涂层的金刚石磨料效果最好。
3 应用实例
陈福恭[9]在其专利中对一系列不同的线锯基体和使用对象
进行了实施,具体见表4。
表4 不同的线锯基体和使用效果
实施例
基体
镀层厚度用途及效果
1
钢丝(线)2丝(线)对硬度为HRC78的玉石进行切割,较理想2不锈钢丝(线)2丝(线)对硬度为HRC70的玻璃进行切割,较理想3铝丝(线)
2丝(线)对硬度为HRC82的玉石进行切割,较理想
4钢丝(线)3丝(线)对硬度为HRC78的玉石进行切割,较理想5不锈钢丝(线)1丝(线)对硬度为HRC70的玻璃进行切割,较理想6黄铜丝(线)2丝(线)对硬度为HRC70的玻璃进行切割,较理想7不锈钢丝(线)4丝(线)对硬度为HRC83的玉石进行切割,较理想8钢丝(线)4丝(线)对硬度为HRC83的玉石进行切割,较理想9
钨铝丝(线)
3丝(线)对硬度为HRC70的玻璃进行切割,较理想
从上述实施例可以看出,在线切割机床上采用表面镀金刚
石的金属丝(线)后,能成功完成对非金属材料或者非导电体材料的切割,而且效果较为理想。
W I Clark 等[27]将电镀金刚石线锯用于切割木材和泡沫陶瓷。进行切割实验后金刚石线锯的表面形貌如图7所示,其中D 代表正常的金刚石颗粒,而F 代表脱落的金刚石颗粒。由图可见,用于切割泡沫陶瓷的金刚石线锯的金刚石保持较好,而用于切割木材的金刚石线锯的金刚石脱落较多。实验表明,电镀金刚石线锯对于泡沫陶瓷具有很好的切割效果,而对于木材的加工,电镀金刚石线锯的金刚石易于脱落,寿命较短。这说明,用于切割木材的金刚石线锯技术还有待进一步加强
。
图7 切割实验后的线锯
Hardin 等[28,29]将电镀金刚石线锯用于单晶SiC 的切割,使
用的金刚石线锯的直径为0.22mm ,磨料为粒径20μm 的金刚石。实验结果证明了金刚石线锯用于加工SiC 的可行性。
Meng J.F.等[30]研究了用金刚石线锯切割Al 2O 3/TiC 陶瓷。
4 结束语
电镀金刚石线锯在非金属材料和非导电体材料的加工方面得到了广泛的应用,已成为研究的热点。目前,研究电镀金刚石线锯用的基体,主要是钢丝基体,对其它基体的研究比较少,基体材料比较单一,因此进一步拓展电镀金刚石线锯用的基体将成为研究方向之一。
由于目前常用的电镀金刚石线锯的使用寿命还不能尽如人意,进一步增强结合剂对金刚石的把持力,开发更加持久、耐用的电镀金刚石线锯将成为研究方向之一。
目前常用的制备电镀金刚石线锯的电镀技术需要时间较长,进一步加强电镀技术的研究,缩短制备周期和降低制造成本也将成为研究方向之一。
电镀金刚石线锯在国外已经进行了比较深入的研究,而国内在这一方面的研究还处在起步阶段,希望本文能对国内电镀金刚石线锯的研究和生产提供一定的指导作用。
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(责任编辑 刘 恋)
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