电镀金刚石切割线的种类及制造工艺的研究概述 高伟，张景涛，吴平，马伯江 (青岛科技大学，青岛266061) 摘要：电镀金刚石切割线是以电镀金属为结合剂，通过金属的电沉积把金刚石磨料固结在芯线基体上而制成的一种线性切割工具。主要简述了电镀金刚石切割线的研究意义，电镀金刚石切割线的种类，电镀金刚石切割线的常用制造方法，并对金刚石切割线的进一步研究进行了展望。为电镀金刚石切割线的生产和研究提供了一定的指导。 关键词：电镀金刚石切割线;切割;硬脆材料 中图分类号：TG74;TQ164文献标志码：A文章编号：1006－852X(2012)03－0035－06 随着国家新能源战略计划的制定和实施，太阳能的开发和利用变得越来越重要。近年来太阳能光伏发电对大面积硅片的需求量不断增加。由于半导体制造技术的成熟，硅片其他方面的制造成本不断下降，但太阳能电池用硅片的切割成本一直居高不下，占到总制造成本的30%左右。硅晶片是用于太阳能光伏发电的基本材料，随着光伏发电技术的发展，要求硅片的厚度不断降低，目前可用于硅晶体等硬脆材料的切割方式主要有使用游离磨料切割和使用固结磨料切割两种。游离磨料的切割方式是最早使用的，也是目前我国切割硅晶片的主要切割方式，其切割原理是利用钢丝的快速运动将含磨料的液体带入到工件切缝中，产生切削作用。常用的磨料为碳化硅，或碳化硅和金刚石的混合物。游离磨料切割方式存在着明显的缺点，切割效率低、浆液难以回收，环境污染严重等。为了解决游离磨料切割方式存在的问题，越来越多的人开始研究固结磨料切割工具，主要集中在电镀金刚石切割线和树脂结合剂切割线［1］。电镀金刚石切割线就是以电镀金属为结合剂，通过金属的电沉积作用把金刚石磨料固结在芯线基体上而制成的一种线性切割工具，其中金刚石磨料的尺寸一般为几微米到几十微米。电镀金刚石切割线不但能够对硅晶体等硬脆材料进行精密切割，还可以实现成型加工。与游离磨料切割方式相比，电镀金刚石切割线切割硬脆材料有许多优点:切片薄、效率高、加工表面损伤小、节约材料等，尤其适合于宝石、水晶、大尺寸硅晶体等贵重硬脆材料的切割。 1·电镀金刚石切割线的种类 电镀金刚石切割线的线径一般不大于1mm，常用线径为0．1～0．4mm，其分类方法目前还不统一。一般根据基材是否为环形可分为电镀金刚石长切割线和环形电镀金刚石切割线;根据基材种类可分为以单根钢丝、双股钢丝、多股钢丝绞合线为基材的金刚石切割线;根据所用金刚石磨料是否改性可分为普通金刚石切割线和磨料带金属衣的金刚石切割线，其分类如图1。目前人们研究和应用较多的是截面为圆形的单根钢丝的金刚石长切割线，该种切割线使用时一般长度为几百米到几公里，主要用于硅晶体和蓝宝石以及其他贵重硬脆材料的切割和加工。  电镀金刚石长切割线是指采用电镀的方法将金刚石磨料固结到有头的金属基体上形成的切割线，常用基体截面形状为圆形，一般为0．12～0．5mm，主要用于硅晶体、蓝宝石的切割加工。目前该类切割线常用的基材为线径0．1～0．3mm的高碳钢丝，金刚石磨料的粒径一般为8～60μm。早期孙建章等人对这类切割线进行了研究［2］，他们采用的钢丝基材为0．5mm的60A碳素弹簧钢丝，金刚石磨料的粒径为80～100μm。大连理工大学的吴海洋、刘绪鹏以及日本学者千叶康雅等人也对电镀金刚石长切割线进行比较深入的研究［3－5］。 环形电镀金刚石切割线是指将金刚石磨料电镀到环形金属基体上形成的切割线。该类切割线使用时一般缠绕到几个导轮上进行单向循环切割，切割过程中无需换向，因此切割速度高。环形电镀金刚石切割线的环形基体一般分为两种:第一种由单根钢丝焊接成环形［6－7］，这类环形切割线的线径可以做的较小，一般不大于1mm，因此切缝较小，适合于切割硅晶体和蓝宝石等比较贵重的硬脆材料，但是焊接接头的热处理技术要求比较高，使用寿命比较短。第二种是通过缠绕的方法将单根钢丝编织成环形钢绞线或环形钢丝绳。这类环形切割线的线径一般较大，较难做到1mm以下，因此切缝较宽，切割线不易断裂，使用寿命较长，适合切割石墨、复合非金属材料等。图2为环形钢丝绳锯接头示意图。  日本学者对金刚石电沉积绞合切割线进行了较深入的研究，介绍了双股绞合切割线的制作方法，并对其性能进行了研究。开发出的双股绞合金刚石切割线结构如图3所示。其结构采用两根0．1mm的琴钢丝扭绞线为芯线基体，氨基磺酸型镀镍液为电镀液，粒径为30～40μm的金刚石微粉制作成金刚石电沉积绞合切割线。通过对其性能研究发现，该绞合切割线的切割效率可达到传统金刚石切割线的两倍。通过对其结构的研究可知，绞合切割线切割效率的提高主要是由于容屑槽促进了加工液的流入。该绞合切割线切割硅片性能的研究表明，其崩边情况和表面粗糙度与普通切割线切割性能相比几乎相同，不过该切割线的研究仍是一种有益的尝试。  厦门致力金刚石科技股份有限公司发明了一种新型多股钢丝绳金刚石切割线［8］，该金刚石切割线结构如图4。该金刚石切割线的芯线是0．5～2．0mm的钢丝绳，该种以钢丝绳为芯线的切割线分为工作段和非工作段，其中工作段上镀有金刚石磨料，非工作段上覆盖有橡塑材料层。该种金刚石切割线解决了金刚石切割线在切割时容易磨损、芯线易断裂的问题。  制造电镀金刚石切割线的金刚石磨料一般有两种:一种是不带金属衣的普通金刚石磨料;一种是通过化学镀或其他方法在表面形成一层金属外衣的金刚石磨料，常用的金属衣为镍，也有用金属钨的［9］。最初人们制造电镀金刚石切割线采用的是普通金刚石磨料。图5为国外某品牌的磨料不带金属衣的金刚石切割线。这类金刚石切割线使用时锋利性较好，切割效率高。但为了提高镀层对金刚石磨料的把持力，镀层厚度通常要达到磨料粒径的2/3左右，因此金刚石切割线的电镀时间较长，生产效率低，另外上砂速度慢，对上砂电镀技术要求较高。现在国内常用带金属镍衣的金刚石磨料制造金刚石切割线。图6为笔者自行研制的一种磨料带镍衣的线径0．31mm电镀金刚石切割线。其基材为线径0．23mm的高碳钢丝，磨料为粒径30～40μm的带镍衣的金刚石微粉。这类切割线由于采用带镍衣的金刚石磨料，因此上砂速度快，镀镍层对金刚石磨料的把持力高，镀层厚度不需要达到金刚石粒径的2/3，因此生产效率高。但如何控制电镀过程中金刚石磨料的“团聚”现象是制造这类金刚石切割线的关键。图7为 。   住友电气工业株式会社、住友电工钢线株式会社公开了一种金刚石切割线以及制造该金刚石切割线的的方法，该金刚石切割线的整个表面覆盖有一层金属薄膜。图9为该专利发明的金刚石切割线截面图。由于金刚石切割线的镀镍层中含有金属钨，因此镀层具有较高的硬度，并且使用时镀层对金刚石磨料的把持力高，镀层耐磨损。另外，根据该发明提供的金刚石切割线制造方法制作的金刚石切割线，镀层和金刚石磨粒的表面覆盖有一层金属薄膜，因此切割时进一步提高了镀层的寿命。
2·电镀金刚石切割线的制作方法 一般电镀金刚石锯丝制造工艺流程如图10所示。在上述电镀金刚石切割线制造工艺流程中，上砂工序对金刚石切割线的制造起着决定性的作用。所谓上砂指的是金刚石颗粒与金属离子通过共沉积而将金刚石磨料黏结在芯线基体上。上砂方法主要有埋砂法、落砂法和刷镀法，能否又快又好的完成上砂，是规模化、成批量生产的关键。 
2．1埋砂法 制作金刚石切割线的基材截面一般为圆形，为了保证金刚石磨料能够均匀的固结在钢丝基体的表面，目前，通常采用埋砂法制造金刚石切割线。埋砂法制造金刚石切割线的原理是将钢丝基体置于上砂槽里面，用金刚石磨料将钢丝基体全部埋住，通电后，在电沉积的作用下，和钢丝基体接触的金刚石磨料粘在基体表面上，从而完成上砂。 孙建章［2］等人设计了如图11的上砂槽，在上砂槽的内壁覆上原子膜，在原子膜上布置金刚石微粉，锯丝基体埋于微粉之中，以20mm/min的走线速度完成上砂工序。  高玉飞［11］等将厚尼龙铣削制成上砂槽，上砂时，琴钢丝固定在两端，全部埋于金刚石微粉之中。砂槽底部每隔10cm安放尼龙块撑起琴钢丝，避免上砂不均。上砂电流密度1．5～2．0A/dm2，上砂时间8～10min，镀液温度35～40℃。吴海洋［3］用吸管将含有微粉的镀液挤在切割线基体周围，直到基体完全被覆盖为止。电镀一段时间后，将基体翻转，移开多余的微粉。上砂电流密度为2．0A/dm2，上砂镀层厚度为微粉平均粒径的10%。 在曹玮公开的一项专利中，介绍了一种埋砂法制造长金刚石切割线的上砂、加厚电镀设备［12］。该设备结构简图如图12所示。电镀时，先将钢丝缠在4个表面有螺旋纹沟槽的滚筒上，下边两个滚筒之间的钢丝全部用夹板夹紧并与电镀槽固定。钢丝被夹板固定后，布砂吸砂头开始布砂，然后开始电镀。上砂结束后，布砂吸砂头吸走剩余的金刚石磨料，卸掉上砂电镀液，然后注入加厚电镀液进行加厚电镀。加厚完成后，卸掉加厚电镀液，松开夹板，滚筒旋转，钢丝向前行进一个左右夹板的距离，完成一个上砂电镀周期。然后进行下一段钢丝的电镀直至把全部钢丝电镀完。用此设备将钢丝完成上砂后，钢丝不进行运动直接转入加厚电镀，粘在钢丝表面的金刚石颗粒不易脱落。但是此方法工艺较繁琐，不易控制。  2．2落砂法(悬浮上砂法) 落砂法(悬浮上砂法)是将金刚石微粉直接加入到镀液中，通过搅拌的方式使金刚石磨料悬浮于镀液中，金刚石微粉在自身的重力作用下落到基体上。落砂法的基本模型是切割线基体以一定的走线速度通过上砂槽，槽中的金刚石微粉通过搅拌装置的搅拌而悬浮在镀液中，利用自身重力作用落至基体，完成上砂。河南工业大学的胡余沛等人对落砂法(悬浮上砂法)进行了研究［13］，重点对金刚石上砂效果的几个关键因素进行了工艺试验，讨论了阴极电流密度、搅拌方式、微粉浓度及尺寸、基体放置方式等对沉积效果的影响。试验结果表明，要想获得良好的上砂效果，对于粒径为40μm的金刚石微粉，其最佳的工艺参数是阴极电流密度为5A/dm2，搅拌速度为300r/min，采用间歇搅拌方式，金刚石微粉浓度为30g/L，45°倾斜放置基体并且定时转动。攀枝花大学的刘国钦等人的实验也得到了相似的结论［14］，并且讨论了搅拌间歇时间对金刚石微粉含量的影响。大连理工大学的吴海洋对悬浮上砂法制造金刚石切割线进行了研究［3］。湖南长沙岱勒金刚石制品有限公司发明了一种悬浮上砂法制作金刚石切割线的电镀槽［15］，该专利所发明的电镀槽如图13所示。该电镀槽的顶部和底部设有两个转轴，并且在电镀槽的底部设置有进液管，并且进液管要与外部循环泵连接。在使用时，金属线按一定螺距缠绕在上、下转轴之间，通过上、下转轴的旋转，带动金属线向前移动;同时电镀液通过循环泵和进液管进入到电镀槽中，此时悬浮在镀液中的金刚石颗粒随着电镀液的流动而流动，并且与金属线碰撞、接触，在电沉积的作用下使金刚石颗粒与金属基体结合，从而实现上砂过程。  由于落砂法存在着上砂不均匀，上砂效率低等缺点，贺跃辉等人对悬浮上砂法进行了改进，发明了一种表面改性生产金刚石切割线以及制作方法［16］。该发明专利的特点是通过向镀液中加入一定量的阳离子表面活性剂，使本身不导电的金刚石颗粒带正电荷，在电场的作用下就可以在镀液中实现有序运动，从而使金刚石颗粒均匀的固结在金属线的表面。由于金刚石表面吸附有表面活性剂，镀层与金刚石表面形成浸润型界面，增强了镀层对金刚石颗粒的把持力。该发明提高了金刚石颗粒在金属线上的沉积速度，不仅方法简单，操作方便，而且制成的金刚石切割线中金刚石分布均匀，镀层对金刚石颗粒的把持力高，可实现工业化生产。经过试验，用该方法生产的电镀金刚石切割线，生产效率为400～500m/h，钢丝线上金刚石密度5颗/mm，采用制备的电镀金刚石切割线在往复式金刚石切割线机上切割硅棒，切割走线速度900m/min，实施60片同步切割，切缝比线径宽0．05mm，切片翘曲度5μm，经过两次切割，线径磨损0．01mm，其有良好的切割力。 2．3刷镀法 日本人千叶康雅等［5］研究了毡刷的超高速电镀技术。在上砂槽内放置可以高速旋转的毡刷，基体金属线接触毡刷，两者之间产生一定的摩擦，微粉颗粒通过磁力搅拌装置悬浮在镀液中，落至毡刷上完成上砂，刷镀设备如图14所示。基体采用直径为0．2mm镀有黄铜的琴丝，磨料为平均粒径为15μm的金刚石磨粒，镀液采用氨基磺酸镍镀液，毡刷旋转速度为500r/min，其镀层生长速度可达33μm/min，比普通电镀法高出数十倍。  窦百香、高伟等对环形毛带法进行了研究［17－18］，环形毛带法上砂原理如图15所示。在电镀槽中安装两个带轮，带轮上安装由耐酸羊毛制成的环形毛带，带轮匀速转动，从而使环形毛带与带轮同步运动，在上砂过程中，环形毛带要完全浸在含有金刚石磨料的镀液中，在电镀槽中安装一个搅拌器，金刚石磨料通过搅拌器的搅拌而悬浮，并且由于自身重力的作用，镀液中有部分金刚石磨料自然沉积到环形毛带上，环形毛带的顶部就会形成一层堆积的磨料层，将金属线埋住。实际操作中，控制金属丝线和环形毛带以相同的速度运动，使金刚石磨料与金属线形成相对静止状态，通电后，由于电沉积的作用，镀液中的金属镍不断沉积到金属线上，当金属镍沉积到一定厚度时，和金属线接触的金刚石磨料粘在金属线上，从而完成上砂过程。 
3·电镀金刚石切割线的研究方向 与游离磨料切割技术相比，固结磨料金刚石切割线特别是电镀金刚石切割线在切割效率和环保等方面有着显著的优点，在最近十几年中得到了快速的发展，并且在硅晶体、宝石等硬脆材料切割领域的应用日益广泛。电镀金刚石切割线作为一种新型的硬脆材料切割工具，要想拓展其应用领域，在以下几方面还需要对其进行深入的研究。 (1)提高金刚石切割线寿命的研究。电镀金刚石切割线在硅晶体、宝石等硬脆材料切割领域的应用日益广泛，但是金刚石切割线的寿命还不尽人意，提高金刚石切割线的使用寿命，增强镀层对金刚石的把持力，制造更加持久、耐用的性能优异的金刚石切割线是当前研究的一个重要方向。 (2)电镀金刚石切割线高效率电镀工艺研究。常用的电镀金刚石切割线的制备周期长，电镀效率低，进一步加强电镀技术的研究，缩短电镀周期，提高电镀效率，降低制造电镀金刚石的成本也是当前研究的一个方向。 (3)电镀金刚石切割线切割机理的研究。目前对电镀金刚石切割线切削硬脆材料时的切割机理没有形成系统的理论，加强切割线微观切割机理、锯丝失效机理等的研究，成为金刚石切割线的研究方向之一。 (4)金刚石切割线质量评价体系的建立。对于金刚石切割线质量国家还没有制定统一标准，建立金刚石切割线的质量评价体系，以及不同用途的金刚石切割线的质量标准，成为当前研究电镀金刚石切割线的重要方向。 参考文献:略 |
