环形金刚石线锯

2024-10-05

环形金刚石线锯（精选7篇）

环形金刚石线锯篇1

1 引言

目前,国内外对环形电镀金刚石线锯的研究报道较少。1993年日本进行了环形电镀金刚石线锯的研究,并提出了如何把钢丝基体焊接成环形的方法[1]。Well Diamond Wire saws公司研制的环形电镀金刚石线锯,其锯切线速度可达20m/s[2]。高伟、刘镇昌等人[3]采取复合电镀的方法用Φ0.8mm的65Mn钢丝作基体材料研制了环形电镀金刚石线锯,并在自制的试验设备上进行花岗岩锯切。孟剑锋[4]通过进口环形电镀金刚石线锯加工单晶硅和LT55陶瓷的试验,建立了切片表面粗糙度Ra模型,提出改善切片表面粗糙度的措施,同时还提出减小锯丝磨损的措施。贺东溥[5]对环形电镀金刚石线锯切割SiC的加工质量进行了研究,分析了锯切工艺参数对SiC表面粗糙度和表面形貌的影响规律。总之,环形电镀金刚石线锯具有锯切表面质量好,锯切效率高,切缝窄,锯切力小,污染小等优良特性,尤其适合贵重硬脆材料的切割加工。本文采用Φ0.5mm的不锈钢丝作为基体材料,通过电镀的方法研制出环形金刚石线锯,并在自制的试验设备上对大理石进行了切割。试验表明:工件表面粗糙度随锯丝速度增加和进给速度的减小而降低,随锯丝张紧力的增加先降低后增大。

2 试验设计

本试验采用的天然大理石工件尺寸为120mm×120mm×400mm,邵氏硬度为36.4～44.2,使用自制的环形电镀金刚石线锯切割,切片厚度为2mm。环形金刚石线锯锯丝以直径Φ0.5mm的不锈钢丝为基体材料,金刚石磨粒大小为120～140目,线锯直径约0.75mm,锯丝最大张紧力为150N。

2.1 试验设备

本试验所采用的试验设备是自制的环形金刚石线锯切割机床,锯切线速度最高可达50m/s,进给速度可达20mm/min,但是受工作条件及精度的限制,切割稳定线速度在30m/s,进给速度可达15mm/min。

2.2 试验方案

影响大理石表面粗糙度Ra的锯切工艺参数有锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力三个因素。为了得到切片表面粗糙度最优时的工艺参数,本试验设计了正交试验,取锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力3个因素,每个因素水平都为3,见表1。

3 试验结果与分析

表2是锯切工艺参数正交试验设计表。表中的大理石表面粗糙度Ra值是用时代公司生产的TR200手持式粗糙度仪测量的。K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值之和,K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值的平均值,Rj表示极差值。

从表中可以看出:R2﹥R1﹥R3 三个参数对表面质量都有不同程度的影响,其中工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。为了进一步确定锯切大理石表面粗糙度的最优工艺参数,根据正交试验结果分别做出了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响,如图1、图2和图3 。

由图1可以看出:随着锯丝线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。这是因为锯丝速度增加使得单个磨粒的切削深度减小,这样单个磨粒的材料去除率减小,表面质量得到改善。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,当线速度超过30m/s时,工件处锯丝振幅约为0.3mm,张紧轮处锯丝振幅约为0.5mm,显然对锯丝的工作寿命造成一定程度的影响。

从图2的曲线可以看出:随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。造成这一现象的原因是工件进给速度的增大使得锯丝与工件之间的作用力增大,这样就增加了单个磨粒的切削深度,表面质量降低。

从图3中得知:随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。增加锯丝张紧力,有利于减小锯丝的振动,降低表面粗糙度值。当张紧力超过100N时,锯丝与工件间的应力增大,使得单个磨粒的切削深度增加,又加上锯丝磨损也较快,磨损和脱落的金刚石颗粒随机械冲击力被压入到工件表面,大理石表面粗糙度又开始增加。所以调节张紧力时要留有一定的余度,不要过紧。

根据上述分析,用环形电镀金刚石线锯锯切大理石时,要获得较好的表面粗糙度,又要得到较高的切割效率,在本试验参数范围内,工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N是最好的切割工艺。

4 金刚石锯丝磨损分析

锯丝的磨损包括磨粒磨损和镀层磨损两方面。为了锯丝制作工艺的进一步改进,降低锯丝的磨损,延长锯丝的使用寿命,必须弄清锯丝的磨损机理。借助JSM-6380LV扫描电子显微镜(SEM)观察切割后锯丝的磨损情况。图4是环形电镀金刚石线锯使用前和使用后SEM图。

4.1 金刚石磨粒磨损

锯丝锯切过程中,磨粒与材料表面接触,不断受到工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用,使金刚石磨粒不可避免地出现磨损、破碎和脱落。磨粒磨损可分为磨粒局部破碎、局部折断、磨平、整体破碎和磨粒脱落等形式。磨粒局部破碎使金刚石磨粒产生新的切削刃,提高了金刚石线锯的切削能力,属正常磨损。随着切割过程的进行,磨粒受工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用影响越来越大,金刚石磨粒被磨平或整体破碎,有效切削刃的数量越来越少,线锯的切削能力随之下降,可见它们属于有害的磨损形式。

锯丝在使用一段时间后出现磨粒脱落(图4b)现象,这往往是由于金刚石磨粒在摩擦和冲击作用并加上镀层把持力降低的情况下从基体上直接脱落的。

4.2 镀层的磨损

镀层是把金刚石磨粒固结在钢丝基体上的媒介,所以镀层对磨粒的把持力是非常重要的。镀层的磨损(图4b)会降低对磨粒的把持力,造成磨粒的脱落,缩短锯丝的使用寿命,镀层的磨损主要发生在磨损的后期,它的表现形式为镀层局部与完全脱落、镀层裂纹和磨损。在锯丝磨损的初期,主要是金刚石磨粒的脱落和破碎,随着磨损的加剧,镀层也开始受到工件材料的直接摩擦。由于镀层的硬度较低,镀层急剧磨损,这就降低了它对磨粒的把持力,使磨粒迅速脱落,锯丝整体进入急剧磨损阶段,此时线锯失去切割能力。

4.3 减少锯丝磨损措施

锯丝的主要磨损形式是磨粒的脱落,要想减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命,应采取以下措施:(1)增加镀层的强度,提高镀层对金刚石磨粒的把持力,减少锯丝磨损。(2)在现有的实验条件下尽可能提高机床的精度,以减小锯丝的振动,延长锯丝使用寿命。(3)在切割工艺参数范围内进一步提高锯丝线速度,因为随着线速度增大,锯切力减小,锯丝磨损也减少。

5 结论

通过正交试验,利用环形电镀金刚石线锯对大理石进行了切割,并详细分析了锯切线速度、工件进给速度和锯丝张紧力等锯切工艺参数对大理石表面粗糙度的影响,得出如下结论:

(1)工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。同时进给速度还影响大理石的锯切效率,两者兼顾,最优工件进给速度取10mm/min。

(2)锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响没有工件进给速度的影响大,随着线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,影响了线锯的工作寿命。考虑到线速度对大理石表面粗糙度的影响不是最大的,所以最优锯丝线速度取30m/s。

(3)锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响最小,随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。锯丝张紧力为100N,大理石表面粗糙度最好。

(4)锯丝的磨损机理是磨粒的脱落,要想减少磨粒的脱落,必须提高镀层的把持力,减小锯丝的振动和提高锯丝线速度,从而减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命。

摘要：选用环形电镀金刚石线锯切割大理石,分析了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面加工质量的影响,研究了金刚石锯丝的磨损机理。结果表明:工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。在本试验参数范围内,最优工艺参数为:工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N。

关键词：环形金刚石线锯,大理石,正交试验,表面粗糙度

参考文献

[1]1Kao et al.Wafer Slicing and Wire Saw Manufacturing Tech-nology[J].The NSF Grantees Conference.1997.

[2]http://www.well diamond wire saws.com.

[3]高伟,刘镇昌.用复合电镀法制造环形电镀金刚石线锯[J].金刚石与磨料磨具工程.2004(2):48-51.

[4]孟剑峰.环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究[D].山东大学博士论文.2006,9.

[5]贺东溥.金刚石线锯切割SiC的加工质量研究[D].山东大学硕士学位论文.2010,5.

环形金刚石线锯篇2

蓝宝石的组成为氧化铝 (Al2O3) , 是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成, 其晶体为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane, C-Plane及R-Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽, 从近紫外光 (190nm) 到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上, 具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高 (2045℃) 等特点, 它是一种相当难加工的材料, 因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶 (GaN) 的材料品质, 而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关, 蓝宝石 (单晶Al2O3 ) C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小, 同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求, 这使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

蓝宝石基片的原材料是晶棒, 晶棒由蓝宝石晶体加工而成。其相关制造流程有:定向-掏棒-切片-研磨-倒角-抛光-清洗-品鉴, 其中切割工序位于整个流程的最前端, 切割加工的好坏将直接影响后续加工。LED蓝宝石硬度高, 切片厚度要求在330um～430um, 切割难度较大。目前切割蓝宝石晶片主要使用金刚石多线锯, 线锯直径在0.25～0.35mm, 而开方、截断、晶棒两头主要使用带锯加工。金刚石线在国内已经较成熟, 而且价格比国外进口的便宜, 但多线锯切割的主要技术还是由国外少数厂家控制[1]。

切割蓝宝石多使用金刚石多线锯, 切割加工的运动是往复的。由于线锯需要换向, 所以线锯速度低且经常变化, 这带来两个问题:一是线速度低, 限制加工效率;二是材料加工表面存在线锯换向时的痕迹, 影响表面质量[2,3]。使用往复式金刚石线 (0.3mm) 切割2英寸蓝宝石晶棒需要耗时3～4个小时。而环形金刚石线切割时锯丝单方向运动, 线速度较高 (20m/s) , 30分钟即可完成2英寸蓝宝石晶棒的切断。本文对环形金刚石线锯切割蓝宝石晶体进行了研究, 分析了切割工艺对蓝宝石切片表面粗糙度及晶片总厚度偏差及表面形貌的影响。实验表明:环形金刚石线锯克服了多线锯切割的缺点, 在切割线速度20m/s、进给速度0.5㎜/min及张紧砝码质量5kg时切割效果最好。

2 试验

切割实验在自制的环形金刚石线切割机上进行, 设备示意如图1所示。

切割时环形金刚石线锯采用重锤法调节张力, 可以根据进给量的大小, 自动调整线锯的受力, 不至于使锯丝局部受力过大断开。切割采用自来水冷却及切屑的清除。由于切缝不到1毫米, 水流量较小时, 清屑不彻底会引起切割表面的不平整, 有明显切痕, 故切割时应保持水量在100ml/min以上。

晶片表面粗糙度Ra值使用时代公司TR200手持式粗糙度仪测量, 测量值为5个测量值的平均值。

3 结果分析

3.1 切割工艺参数对晶片粗糙度的影响

影响晶片表面粗糙度的切割工艺参数有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G等因素。因此为了提高晶片表面质量, 提高锯切效率有必要对锯切工艺参数优化, 为此, 设计了一组正交试验。基于提高晶片表面质量和锯切效率的影响因素有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G, 因此, 每个因素取三个位级, 因素位级见表2。锯切工艺参数优化正交试验计划及试验结果见表2、表3。

正交实验结果表明:金刚石线运行速度, 进给速度, 张紧配重对切割表面质量都有不同程度的影响。由试验结果可以看出, 环形金刚石线锯切割蓝宝石表面粗糙度均在1微米以下, 试验4号线速度20 m/s, 进给0.5mm/min, 张紧砝码重50N时切割表面质量最好, 为0.473μm。切割线速度是切割工艺中一个重要的参数, 特别是对于金刚石工具而言。金刚石工具在高速运行的情况下, 单位面积去除率极高, 更能体现其优越性能, 试验7、8、9号均获得了较好的晶片表面质量。但是在实际的加工过程中发现, 切割硬度较高材料时, 速度过高会加速金刚石的磨损, 随着时间的推移, 切割每片的时间在延长, 切割线会更弯曲, 切割力变大, 最终导致环形金刚石线受力过大而断开。实验表明, 在线速度20m/s时较好, 既可以保持平稳进刀, 也可以保持金刚石的持久锋利。试验3、6、9号粗糙度值较大, 原因是3组实验线锯进给速度较快, 而进给速度是影响切割表面质量的主要因素, 进给速度适当时切割表面平整, 随着进给速度的增加, 单颗粒去除率增加, 切割力随之增加, 表现在切割表面上就成为线痕, 另外切割片整个表面也表现出不平整、弯曲现象, 甚至会产生一边厚一边薄的现象。由表3可知, 从极差角度, 张紧力对粗糙度的影响较小, 在不影响锯丝振动和锯丝受力在屈服强度以下应当尽量增加砝码重量, 根据线锯基体的抗拉强度计算, 配重在50N时为宜。

3.3 晶片表面形貌分析

扫描电子显微镜是视觉描述加工表面粗糙度的一个非常好的方法。

图3-图4为晶片表面的扫描电镜 (SEM) 照片, 更直观地展现了晶片表面粗糙度的变化。照片显示不同工艺切割的晶片表面, 沿着切割丝运动的方向均存在划痕和凹坑。可以看出:4号试验切割的晶片表面划痕相对较少, 划痕的宽度较窄。

图3a、图4a也充分证明了在较大进给工艺下单颗金刚石压入深度增加, 材料去除率和切割力的增加, 晶片表面脆性断裂加剧, 凹坑、线痕加宽、加深, 最终表现出粗糙度的增加。主要是因为材料在脆性模式下去除, 切屑的形成是裂纹扩展交叉的结果, 最终以微观与宏观破碎的块状去除。个别凹坑看起来较严重, 整个区域看起来破碎不堪, 看起来好像是崩掉的, 其实可能是由于在切割过程中脱落金刚石磨粒被挤压嵌入加工表面所造成的, 这对材料表面质量的损害更严重。

3.2 锯丝失效机理

从整个加工过程来看, 最终是环形金刚石线的断开使切割无法进行。对环形金刚石线进行扫描电镜观察后发现, 锯丝的断开可以用金刚石的磨损和脱落来解释。环形金刚石线锯丝表面的金刚石脱落的相对较少, 镍层的磨损, 开裂现象不明显, 金刚石颗粒的磨损情况比较严重。由图5、图6可知, 金刚石长期的切割作业, 由原来的尖角锋利刃变成了圆球形, 有的已被磨平, 这样就丧失了切割的能力。当大部分金刚石丧失切割能力后, 恒位移仍进给仍在继续, 切割力急剧增加, 金刚石颗粒就会从钢丝基体上脱落下来。随着时间的推移, 钢丝上的金刚石脱落殆尽, 超过锯丝的承受能力时, 锯丝就会断裂。

4 结语

通过使用环形金刚石线锯切割蓝宝石试验, 分析了切割蓝宝石切割工艺对蓝宝石晶片表面粗糙度的影响。

使用环形金刚石线锯具有切割效率高, 切割效果好的优势, 切割片厚度最薄在0.2毫米, 切割表面粗糙度在1微米以下, 约半小时时间即可切断直径53毫米的晶棒;

切割线速度25米/秒或者更高, 进给速度1.5毫米/分或更高, 实验表明:在线速度20米/秒, 进给速度0.5毫米/秒时, 切割效果最好;

增大张紧力, 有助于减少锯丝的振动, 也可提高晶片表面的质量;

锯丝的失效原因为金刚石磨损, 导致切割力增大使切割力大于钢丝基体的承受力而断开尽而失效的。

摘要：使用环形金刚石线直径为0.70毫米, 长4米, 切割直径53毫米的蓝宝石晶体, 30分钟即可完成切割。论文研究切割线速度, 进给速度等对蓝宝石切割面粗糙度的影响。通过试验找到环形金刚石线切割蓝宝石片的最佳工艺参数并对其切割机理进行了探讨。

关键词：蓝宝石,环形金刚石线锯,切割机理

参考文献

[1]张波, 刘文涛, 胡晓冬, 李伟.线锯切割技术的应用与发展[J].超硬材料工程, 2008, 20 (1) :45-48.

[2]黄波, 高玉飞, 葛培琪.金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析[J].金刚石与磨料磨具工程, 2011, 31 (1) :53-57.

金刚石线锯技术问题探讨篇3

太阳能光伏产业的发展核心在于硅晶片, 硅晶片是光伏电池的关键元件, 在总成本中占相当比重, 因此在硅晶片的生产中应尽可能降低其成本。而降低硅晶片的生产成本主要在于减小晶片厚度、减少切缝损耗、提高产量, 为此, 先进的线切割技术至关重要。就当前技术而言, 金刚石线锯是发展趋势。国际上许多制造厂商纷纷致力于金刚石线锯的研制。现将金刚石线锯的有关技术问题论述于下。

1 金刚石线锯的母线

金刚石线锯是把金刚石磨料固结到金属母线上构成的。母线的材质、规格、强度与连接等技术要求对线锯性能至关重要。

1.1 材质

金刚石线锯工作时承受较大的拉力。通常母线需用高强度钢丝制作, 例如不锈钢丝、钨钼合金丝、优质碳素结构钢钢丝或钢琴线等。

钢琴线一般采用弹性和韧性高的合金材料或不锈钢钢丝等制成, 常用直径范围0.15mm~0.5mm, 标准平均拉力为900N。采用钢琴线制作金刚石线锯比较便捷, 强度和规格可满足一般技术要求。但有不少金刚石线锯生产厂家一直在寻求其它更理想的材料来制作母线。例如美国Kaser Technology West公司采用的Carpenter Stainless Steal Type 321是一种钛稳化奥氏体镍铬不锈钢;也有采用高强度珠光体高碳钢的。有人认为母线最好采用碳素钢, 最低含碳量为0.70wt%, 所制出的母线可达到较小的直径而且可满足强度要求。日本住友电工公司采用的是SWRS77A和SWRS 82A号钢制作母线, 它是一种优质碳素结构钢。比利时Bekaert Group公司则采用冷板高碳镀钢线制作母线, 可达到较高的强度。

1.2 规格

Kaser Technology West公司的研究认为, 金刚石线锯母线的直径要小于0.58mm, 最好在0.20至0.30mm之间。

从目前使用的金刚石线锯来看, 采用的母线直径范围是0.15~0.30mm、0.50mm和0.80mm。但从锯切效率来看, 特别是锯切贵重的晶体材料如红宝石等, 要求母线的直径当然是越小越好。就目前技术水平而言, 拉制的高强度线材的直径最小可达0.12mm, 据称比利时Bekaert Group公司已掌握超高抗拉强度线材的拉制技术, 可生产出直径小至0.10mm的线材。该公司目前生产的高强度冷板高碳镀铜钢线的技术规格见表1。

国际上能生产工业用高强度优质碳素钢线材的国家除比利时外还有日本住友电工公司。该公司采用直径为1.0或1.2mm的钢线为原材, 经过20多道拉板工序与20多个天然金刚石拉丝模才能将直径细化到0.160~0.177mm。每经过一道拉丝模的拉制, 直径缩小约0.05mm。成品用激光扫描测微仪检测, 观察其表面是否有刮伤痕迹, 直径差控制在±1μm。

1.3 强度

美国LTW公司的研究认为, 金刚石线锯母线的强度至少在2070MPa或以上。

母线强度除了取决于本身材质还与热处理工艺密切相关。Kaser Technology West公司研制的Superwire和Superlok金刚石线锯的母线采用的是一种奥氏体铬镍不锈钢, 经热处理后抗拉强度可达到276kg/mm2。其热处理工艺为1750~1950F退火, 水淬, 再经过1550~1650F稳定化处理以消除内应力。

比利时Bekaert Group公司生产的冷板高碳镀铜钢线的强度如表2所列。

日本住友电工的标准母线直径为0.14~0.18mm, 抗拉强度为2900~3200MPa。

有的公司采用最低含碳量为0.70wt%的碳素钢制作母线, 其不同直径的抗拉强度见表3。

1.4 连接

金刚石线锯有两种:一种是单直线金刚石线锯, 装在锯床上作复位运动完成锯切作用;一种是环形线金刚石线锯, 两端头尾相接成环形线, 进行周而复始的连接循环锯切。后者的传统连接方法是将两端头做成斜面搭接在一起或做成钝圆状对接后进行熔焊。这种连接方法往往在焊接处产生脆性区, 工作时容易裂断。为了解决此问题, 可将线两端头垂直切平对接进行精密电焊, 去除焊渣后进行热处理, 加热至1450~1550F, 空气中冷却。

1.5 其它结构形式

金刚石线锯的母线结构除了单线还有绞合线, 单线截面形状有圆形也有水滴形。

Suwake Hitoshi等人曾用两根直径为58μm的钢琴线捻成双股绞线制成外径为150μm的金刚石线锯。在锯切硼硅酸耐热玻璃的试验中锯切效率可提高2倍, 使用寿命延长, 切割面光洁度也有所提高。应指出的是, 耐热玻璃是硬度不算很高的脆性材料;绞合线的强度比单线的高, 但其外径增大了, 势必增加了锯缝损耗;而且在锯切过程中, 线锯张紧度不够稳定。因此双股绞合形式的母线是否适合于制造锯切硅晶片等高硬脆材料的金刚石线锯值得探讨。

2 金刚石磨料的选择

金刚石线锯所采用的金刚石磨料为天然金刚石或人造金刚石。选用时主要考虑的是粒度。根据使用条件与制造工艺要求还应考虑其它物理特性。

2.1 粒度

金刚石线锯切割各种硬脆材料薄片时, 不但要尽量减少锯缝损耗, 还要确保薄片严格的质量要求, 即厚度均匀、极少扭曲、表面损伤深度越小越好, 因此金刚石线锯选用的金刚石磨料粒度十分细小, 一般可用粒度范围是:2~4μm, 4~8μm, 10~15μm, 20~30μm, 30~40μm。为了降低成本, 从锯切效率考虑, 金刚石磨料的粒度不可太细小。根据新锯切材料的质地不同, 金刚石线锯新选用的金刚石磨料的粒度亦不同。例如锯切单晶硅的金刚石线锯通常选用10~20μm的金刚石磨料;锯切硬度大于硅的蓝宝石等则是选用30~40μm的金刚石磨粒。此外, 母线直径越小宜选用粒度较小的金刚石磨料以减小切削力, 因为母线直径越小可承受的拉力也越小。但是, 金刚石磨料粒度越小则切削效率也越小, 会影响锯切效率。总之, 金刚石磨料粒度的选择应综合考虑。

2.2 其它物理特性

对不同的使用条件应考虑金刚石磨料的其它物理特性, 有些易裂碎的金刚石磨料更有利于锯切效率的提高。一般人造金刚石的易碎性大于天然金刚石, 而且价格也更低廉, 所以比较适合于制造金刚石线锯。

就制造工艺而言, 电镀金刚石线锯选用的金刚石磨料应具有较好的导电性, 或者采用镀金属衣的金刚石磨料如镀镍金刚石等。

3 金刚石磨料在母线上的固着方法

在一般金刚石工具制造中, 将金刚石固着在基体上有多种方法, 金刚石线锯是一种特殊金刚石工具, 金刚石作为磨料如何固着到细长的母线上?从技术的角度考虑, 应对金刚石浓度严格控制, 使金刚石磨料以单层形式均匀分布在母线表面;从生产角度考虑应有稳定的工艺流程, 从使用角度考虑应对金刚石有足够大的包持力。能够满足这些条件的固着方法目前可行的有两种:一是树脂粘结法;另一是电镀固着法。

3.1 树脂粘结法

树脂粘结金刚石线锯具有很多优点, 而且生产成本较低, 所以广泛被采用。可选用的树脂有苯酚甲醛树脂、三聚氰胺酚甲醛树脂、环氧胺树脂、丙烯酸树脂类等, 而最常用的是酚醛树脂即树脂粘结型砂轮所用的树脂。但在实际应用中的主要问题是所制成的金刚石线锯强度低, 易发生扭曲和裂断。原因是在树脂加热固化过程中, 容易引起作为母线的金属线变脆。可在树脂粘结剂中加入金属粉末例如铜粉等, 不但可提高强度, 而且也提高了耐热性和耐磨性, 从而提高了锯切效率。当然, 何种类型的树脂适宜加入何种金属粉末, 金属粉末的配比及其目数等工艺问题都有待深入研究。

3.2 电镀固着法

电镀固着法的最大优点是对金刚石磨料的包持力比树脂粘结法的大, 线锯能够以较高的锯切速度工作, 为了进一步提高对金刚石的包持力, 有的制造厂家采用镀金属衣的金刚石, 即在金刚石表面以电镀或化学镀的方法镀上一薄层金属如钛、铬、铜或镍等, 最常用的是镍。

在电镀金刚石线锯的制造过程中很重要的一点是, 不但要保持金刚石磨料在母线上的均匀分布, 还要控制好镀层的应力以防止线锯在工作中发生镀层剥落。

目前电镀金刚石线锯因具有较高的锯切速度和耐磨性, 已得到用户的普遍认可, 但由于电镀过程花费时间太长, 制造成本高, 为此, 在本世纪初, 日本三菱电气和东京大学都在研究快速电镀技术, 其研究内容包括金刚石磨料的导电性、表面活性剂、毛毡刷的形状以及金刚石磨料数量控制和保持线锯外径的均一性等。

4 有待探索研究的课题

4.1 复合固着法

固着磨料型线锯除了用树脂粘结或电镀固着金刚石磨料之外, 还有一种复合固着法, 即以较硬金属制成母线的芯线, 外包一层较软金属, 将金刚石磨料嵌入软金属层中, 再用一层有机粘结剂增强对其包持力。换言之即将金刚石磨料颗粒的一部分嵌入软金属层中, 一部分嵌入有机粘结剂中, 受到双重包持作用。芯线最好采用高强度珠光体高碳钢拉制, 外包层用硬度较低的低碳铁素体钢或者铜、锡、锌、铝、镍的合金等金属;有机粘结剂为热固性高分子聚合物如酚醛树脂、苯酚甲醛、三聚氰胺树脂或丙烯酸树脂类。这种复合固着磨料线锯可望在太阳能和半导体工业中锯切硅晶片或在锯切贵重晶体材料方面获得实在性进展。

4.2 母线精细喷砂处理技术

目前使用的固结磨料线锯有树脂粘结金刚石线锯和电镀金刚石线锯。无论何种固着方式都存在进一步提高固着强度的问题。众所周知, 喷砂处理是对金属表面进行清理净化和使表面变粗糙的一种技术。若能够采用特殊的精细喷砂处理技术对细长的金属母线进行喷砂处理, 可提高其表面粗糙度, 从而有可能提高金刚石磨料在母线上的固着强度。

4.3 金刚石磨料表面织构化处理

表面织构化处理 (Surface textured) 即对材料表面进行高温蒸汽侵蚀使其表面变得粗糙呈织物纹理状。实验证实, 这种处理技术可用于微米级单晶金刚石和锯片级金刚石, 粒度从4~8μm到25/30目。金刚石经过表面织构化处理后提高了表面粗糙度, 增大了表面面积。无论对树脂粘结金刚石或电镀金刚石都可增加粘结的有效面积同时提高表面粗糙度, 从而提高粘结剂或电镀层对它的包持力。此外, 处理后的金刚石表面化学性质无改变, 无石墨化现象, 而且经过处理后消除了有裂纹和有危弱尖棱的金刚石颗粒, 从而提高了整体金刚石磨料的抗压碎强度, 十分有利于树脂粘结金刚石线锯和电镀金刚石线锯性能的提高。

4.4 微水刀激光技术

蓝宝石是优良的透波材料, 广泛用于国防、科研和各工业部门, 可满足多模式复合制导 (电视、红外成像、雷达等) 的需求, 军事上用作红外线装置和高强度激光器的窗口材料, 也是目前发蓝光或白光二极管和蓝光激光器的首选基片材料。锯切此类不可再生的贵重硬脆材料很重要的一点就是尽可能减少切缝损耗以便充分利用原材料, 降低元器件的生产成本。

目前线锯切技术已广泛应用于光伏电池行业中硅晶片的切割。为了大幅度降低光伏电池的生产成本, 必须减少晶锭的锯切损耗、减小晶片的厚度、提高晶片的锯切效率。据预测, 下一代超薄型晶片的厚度将从目前的200μm减薄到100μm或以下。而现有的线锯切技术, 无论是电镀金刚石线锯或树脂粘结金刚石线锯, 由于其固着的局限性很难满足要求。因此线锯生产厂家一直在寻求最大程度减小线锯锯缝的途径, 甚至提出零锯缝的概念———即无锯缝切割技术。

在前沿科技领域中, 微水刀激光切割技术已应用于坚硬材料的精加工。因此将它应用于硅晶片的切割, 实现无锯缝切割是有可能的。因为从理论上说, 微水刀激光切割技术的特点与特性具备晶片切割的要求条件。其一, 激光的能量足以切割高硬脆性材料;其二, 微水刀的水射流呈圆柱状, 被导向的激光束是平行的, 切割面可保持高度平行垂直;其三, 微水刀激光切割的切缝宽度只有30~40μm, 比现有线锯的锯缝小得多;其四, 由于水射流的作用可避免被切割材料的热损伤;其五, 切割面有一薄层水膜覆盖可避免切割过程中熔屑的沾污。

当然, 科学技术要转化为生产力, 仍需科学试验与生产实践。

参考文献

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[6]Chiba Yosuaki et al.Development of high-speed electroplating method of a wire for slicing a silieon ingot.

金刚石线锯切割设备现状分析篇4

目前,硬脆性材料,如晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷等,具有优良、稳定的物理和化学性能,在电子、光学及其它领域得到广泛应用。随着工业的发展,需求量不断增加,切割加工量也大幅增长。由于硬脆材料硬度高、脆性大,因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序,锯切加工成本约占加工总成本的50%以上,因此,切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注,并得到迅速发展[1]。从目前国内外加工的现状来看,硬脆性材料切割方法主要有:金刚石圆盘锯切割、金刚石带锯切割、电火花线切割、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等。在国际上,游离磨料线锯切割在晶体硅的切割中占主流地位,但是这种技术存在明显的不足:线锯走丝速度低,通常≤10m/s,切割效率低,锯丝使用寿命短,切割大尺寸坯料时磨料难以进入到长而深的切缝,磨浆的处理和回收成本较高。因此,近来出现金刚石线锯代替游离磨料线锯的发展趋势[2]。

2 国外硅片金刚石线切割设备的最新发展

今年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上,国际各大公司展出了其最新产品。如日本某公司展出最新研制的T-8253B型金刚石多线切割机,见图1。该机线速度1000m/min,生产能力比游离丝切割机提高2倍以上,实现TTV<10μm,成品率98%的高精度加工,金刚石线消耗量1.5m/片以下,实行低成本生产,单位面积内生产能力4.7万片/m2。瑞士某公司展会上推出BM850金刚石多线开方机和DS265切片机,其性能十分优越,代表了当今世界切割设备的最高水平。

2.1 BM850型金刚石线锯开方机(见图2)

A、特点

①G5大型晶锭(850×850×450)一次性开方。

②采用Φ350μm金刚石线,可精确定位和进行张力控制,切割线消耗量最少。

③产能最高,每年切方36000～52000块(相当于120～170MW)。

B、技术参数(见表1)

2.2 DS265型金刚石多线切割机(见图3)特点

(1)采用金刚石线提高线速度,提高进给速度,实现最高产能。

(2)摇摆机构优化了金刚石线切割长度,缩短切割时间,并提高晶片质量。

(3)最高产量(方锭300mm)≥90000片/年。

(4)总运行成本最低,线耗量≤3m/片。

(5)最新一代断线监控系统,实时停机,确保工件和导轮不受损。

(6)技术参数(见表2)

其摇摆机构特点,见图4。

该机安装单晶硅棒的机构在切片过程,呈5度的往复摇摆。这使金刚石线进给时,与工件接触长度保持恒定,以保证硅片的切割质量。

综上所述,经过十几年的不断创新改进,国外新一代金刚石多线切割机显示出更加优越的特点:

(1)使用的切割线更细,切出的硅片更薄,大大减少了硅原料消耗。硅片厚度从原来的330μm减薄到180～220μm,设备制造精度更高。进一步发展,还可将硅片厚度从180μm减薄到150μm,制造成本再降低25%。

(2)考虑到使用金刚石线,将线速度提高到1000m/min以上;进给速度提高到1～5mm/min;生产效率提高2～3倍。

(3)由于生产能力的大幅提高,则要求更为精密的数控系统,具备先进合理的工艺控制和切割线张力控制与监测系统。

(4)美国某公司为在保持速度前提下提高机台产量,推出一套最新的MaxEdge系统,采用独特的两组独立控制的切割组件。该系统结合更细的切割线和更薄硅片,提升了线锯技术,降低了太阳能电力的每瓦成本。见图5.[3]

3 国内金刚石多线锯设备

近年来,由于国家的重视,将大规模集成电路制造装备与成套工艺专项课题列入国家重大科技专项,另外,国内有关设备制造企业也看到了这个巨大的商机,大力投入人力物力开展研制开发,先以仿制为主,逐渐转向自主创新并研制出有自身知识产权的金刚石线切割机,用以替代原游离磨料钢线切割方式。

如:上海某公司生产的NWSS-125D金刚线切方机,如图6。该设备是用纯金刚线切割晶体硅的大型设备,可切(1000×1000×400)mm的晶锭。特点是与传统的砂浆油切割相比,效率高,切割速度可达1.5～2.0mm/min,是传统方式的2倍以上。设备占地面积比传统砂浆线切割设备更小,采用四门柱型结构,装卸料更趋灵活方便。该机使用金刚线切割产品,大大降低了原先用砂浆油切割的污染程度和废液的回收成本,是传统线切方机的升级换代产品。

4 金刚石单线锯机应用前景广阔

国内半导体制造和光伏电池上游加工,包括:去头尾、截断、开方等的加工,大部分仍然采用金刚石带锯设备,加工表面粗糙,浪费材料,使用金刚石线锯机切割加工,能得到更高的质量。

4.1 JXQ-401金刚石单线切割机

北京某单位研制的一款JXQ-401金刚石单线切割机,只是规格太小(110×110mm),若加以放大至300×300mm,即可用于单晶硅切割。该机工件夹持装置设计为6度的摆动机构,保证切割线与工件接触长度均匀,提高切割效率和晶片质量。

JXQ-401金刚石单线切割机主要技术性能:

a) 切割晶体最大尺寸: (110×110)mm

b) 切割线最大线速度: 1000m/min

c) 工作台进给速度: 0.001～0.4mm/s

d) 摆动角度: 6°

e) 切片厚度误差: TTV≤25μm

f) 晶片表面粗糙度: Ra≤ 1.6μm

4.2 瑞士某公司生产的各种型号的环形线锯机

瑞士某公司开发生产系列金刚石线锯机,包括往复式线锯机和环形线锯机。环形线锯机相对往复式线锯机,线速度有了较大的提高,达20m/s;环线周长2.2m～2.4m。如6234型切割机,见图7。

目前,大型往复式金刚石线锯机占金刚石线锯主导地位。但往复式由于受到正反转惯性作用,线速比较低,仅是3～10m/s,效率低,小型单线金刚石切割机也受到同样的局限性,而环形线锯则克服了往复线锯的缺点,线速可高达50m/s,可实现高效生产,因此在一些需要精密切片的工业加工领域,硅晶体、特种陶瓷加工等得到推广应用,并显示出其独特的高效及优越性。随着工业的发展,在晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷、石墨模具、名贵石材等行业有着广阔的应用前景。

6 结束语

超硬材料行业除了重视金刚石线锯的研究之外,更要大力投入切割设备的研究,因为两者是密不可分的。当然,硬脆性材料切割设备是高精密设备,除了设计之外,还要配以高精密机械制造装备和高水平的机加工技术,才能保证设备的制造质量和技术性能指标。超硬材料行业应该为我国半导体产业和光伏产业的发展,为减少消耗,降低制造成本,解决生产中的关键工艺技术,打破当前国外设备的垄断局面,作出更大的贡献!

参考文献

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[2]郑超.硅片切割设备现状与发展综述[J].超硬材料论坛论文集,2011,11(191-196).

[3]吕智,郑超.固结金刚石线锯技术[J].超硬材料论坛论文集,2011,11(186).

[4]李永强.向年两会报告:光伏生产装备国产化仍在路上[J].中国能源报,2011.3.3.

PWS精密固结金刚石线锯的研发篇5

A.L.M.T.公司为了跟上市场动态变化的步伐, 对固结金刚石线锯的研究与开发工作一直进行着不懈的努力。目前已有两种新型的线锯即树脂粘结的PWS-R型和电镀的PWS-E型投放市场。这种新产品现已被许多晶片生产厂家所采用。在锯切薄片的性能方面可满足他们的要求。

在本研究报告中, 对PWS-R型和PWS-E型线锯的特点以及为太阳能电池锯切硅晶锭和为发光二极管锯切蓝宝石晶棒的实例均作了介绍。

1 PWS-R型和PWS-E型线锯的特点

一般来说, 固结金刚石线锯是把金刚石磨料固结到钢琴琴线上制成。不同的琴线生产厂家和研究工作者提出了许多有关金刚石的固结方法, 不过这些方法的适用应考虑金刚石浓度的控制、稳定的生产过程和足够大的金刚石保持力。根据以上技术要求。PWS-R型线锯选用了热固性树脂, 而PWS-E型线锯则选用了电镀材料。两者在金刚石砂轮制造中一直是作为经过考验的粘结材料而被采用的。这两种类型的固结金刚石线锯主要是采用A.L.M.T.公司现有的技术研发的, 其特点阐述于下。

1.1 PWS-R型线锯

PWS-R型线锯的外观与结构如图1所示。它由两个步骤加工而成。第一步是在钢琴琴线上涂敷一种包含金刚石磨料、热固性树脂和溶剂的涂料溶液, 第二步是热处理。目的是在去除溶剂的同时固化树脂。至关重要的是要把金刚石磨料以单层形式并且均匀分布在琴线周围。因为这对线锯的性能有很大影响。

与PWS-E型线锯相比较, PWS-R型线锯中的金刚石磨料是靠一种弹性树脂来固着的。因此当承受切割力时运动更加有挠性。就是因为这个原因, PWS-R型线锯具有使锯切面较少损伤的优点, 从而使晶片有更好的表面光洁度。目前, PWS-R型线锯已应用于稀土永磁材料的锯切。这种材料锯切后要求表面粗糙度小。同样的理由, 这种线锯也有可能应用于太阳能电池材料的锯切。

1.2 PWS-E型线锯

PWS-E型线锯的外观与结构如图2所示, 它是在分散着金刚石磨料的电镀槽中将金属镍电镀到钢琴琴线上制成的。在电镀过程中, 极为重要的是, 不但要保持金刚石磨料在钢琴琴线上均匀分布, 而且也要控制镀层的应力以防止线锯在使用过程中镀层发生剥落现象。从图3可看出, PWS-E型线锯必须有足够的抗弯强度。这种弯曲负荷是在正常锯切当中施加到线锯上的。

PWS-E型线锯最值得注意的特点是金刚石磨料的保持力比PWS-R型线锯高得多。因此PWS-E型线锯能够在较高锯切速度条件下使用。因为它有很好的锯切能力。而且即使金刚石浓度较低也极少发生金刚石脱落现象。目前, PWS-E型线锯已应用于蓝宝石的锯切, 并且正在进行一些新的尝试, 力争在太阳能电池行业锯切单晶硅方面提高其效率。

2 评估试验

用PWS-R型线锯和PWS-E型线锯进行了单晶硅和蓝宝石晶棒的评估试验, 试验结果论述如下。

2.1 单晶硅的锯切

在注重节省成本的太阳能电池生产行业中, 关键是要以低成本方式争取每一个晶锭保持晶片的高产量。许多太阳能电池生产厂家一直在致力于提高生产效率、降低工具成本以及使用较细的线锯降低切缝损失。此外, 锯切后晶片表面损伤层的深度对蚀刻过程中的去除量和晶片的易碎性都有影响。

在评估试验中, 单晶硅晶棒是用PWS-R型和PWS-E型线锯进行锯切的。线锯的技术规格与锯切参数列于表1。这些技术规格与锯切参数是由市场调研所确定的。锯切时, PWS-E型线锯的进给速度比常用的游离磨料线锯进给速度高三倍。对晶片的评估不只是通常的静态精确度, 还采用了光学显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 观察其细微的缺陷, 并且用透射电子显微镜 (TEM) 观察损伤层的深度。

2.2 蓝宝石的锯切

在半导体照明行业中, 也需要使用较细的线锯, 但需求不如太阳能电池行业那么迫切。这是由于蓝宝石的硬度大于硅, 为了有效地锯切蓝宝石, 线锯应具有较低的金刚石浓度和较高的金刚石保持力, 而且应在较高的张力下进行工作。此外, 就蓝宝石而言, 锯切之后要研磨加工, 所以锯切后只要求晶片有好的静态精确度。因此大多数蓝宝石晶片生产厂家选用了PWS-E型线锯。PWS-E型线锯与PWS-R型线锯相比有明显的高效率优势。

在这次评估试验中, 蓝宝石晶棒是用PWS-E型线锯锯切的。线锯的技术规格与锯切参数如表2所列, 而且都是通过市场调研来确定的。进给速度比常用的游离磨料线锯高得多。对晶片的平面平整度和厚度差包括总厚度差 (TTV) 进行了评估, 这些均属于静态精确度。

3 试验结果

3.1 锯切单晶硅的试验结果

用PWS-R型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差分别示于图4与图5。而用PWS-E型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差示于图6与图7。所锯切的晶片的静态精确度符合市场要求。两种线锯锯切的结果无明显差别。

锯切之后两种线锯均无任何金刚石脱落和破裂现象, 在线锯表面上也无锯屑浆淤塞现象。这说明PWS-R型和PWS-E型线锯都有提高使用寿命的可能性。从锯切参数可看到, PWS-E型线锯的进给速度可提高到PWS-R型线锯进给速度的两倍。因此, 许多注重效率的晶片生产厂家都选用PWS-E型线锯。

PWS-R型和PWS-E型线锯锯切的晶片表面用光学显微镜和扫描电子显微镜观察到的显微照片如图8所示。在这两种线锯所锯切的晶片的表面上都可观察到韧性断裂和脆性破裂的现象。但是, 用PWS-R型线锯锯切的晶片表面上的脆性破裂数量比之用PWS-E型线锯锯切的晶片表面上的要少得多。这个结果意味着用PWS-R型线锯锯切的晶片比用PWS-E型线锯锯切的晶片更不容易破碎。因此, PWS-R型线锯更适合于锯切较薄的晶片。较薄的晶片可能更容易破碎而且难于搬运。

透射电子显微镜观察到的晶片横截面的显微照片如图9所示。在两张照片中都可观察到非晶质硅层和带有残余应力的结晶质硅层。用PWS-R型线锯锯切的晶片表面损伤层的深度比之用PWS-E型线锯锯切的晶片表面的要小。这也说明晶片用PWS-R型线锯锯切后进行蚀刻时的加工量较少。

鉴于上述原因, PWS-E型线锯适合于锯切目前太阳能电池所用的晶片, 可提供较高效率, 而PWS-R型线锯则适合于锯切较薄的晶片, 使晶片具有更好的表面质量而且不易破碎。

3.2 锯切蓝宝石的试验结果

用PWS-E型线锯锯切的蓝宝石晶片的厚度差与平面平整度分别示于图10与图11。所锯切的晶片的静态精确度满足市场需求。

锯切之后在PWS-E型线锯表面上没有观察到金刚石脱落、破裂或者被锯屑浆淤塞的现象。说明还有提高线锯使用寿命的可能性。

从另一方面来说, 在锯床进给新线锯的一侧, 晶片的平面平整度比另一侧有所下降。使用PWS-E型线锯锯切蓝宝石的下一个研究目标就是在这方面进行改进提高。同时在锯切较大直径蓝宝石晶棒的工作中提高线锯使用寿命。

4 结论

关于PWS-R型和PWS-E型线锯在单晶硅晶棒和蓝宝石晶棒的薄片锯切试验中作出如下观察结果:

PWS-E型线锯在单晶硅和蓝宝石的薄片锯切中达到了较高的效率和较高的精度。

PWS-R型线锯在单晶硅的薄片锯切中获得了很好的表面锯切质量。

环形金刚石线锯篇6

1965年, 尼柯都尔根据磨削机制提出金刚石磨粒经表面镀覆后可提高砂轮的使用寿命50%以上的依据后, 人们对镀覆金刚石又重新产生了兴趣。镀层赋予金刚石所需要的各种特有的物理化学性能, 不仅可以提高金刚石颗粒强度以及与结合剂的结合强度, 还有对金刚石表面的宏观隔离保护作用和对金刚石结构的微观侧面支撑作用, 从而有利于防止金刚石在使用过程中被氧化和石墨化。随着太阳能、光伏等产业的不断发展, 硬脆材料加工行业也迅速发展, 而金刚石线锯由于具有切缝窄、加工效率高等优点而被广泛应用。为提高电镀金刚石线锯的制备效率及基体与耐磨料的结合力, 可采用镀覆金刚石[1,2,3], 一般要求镀层均匀、致密、有适量突起、增重率为15%~30%。镀覆金属不仅可以提高金刚石的抗压强度、增加与基体的结合力, 还可以很好地提高线锯的生产效率、导热系数、改善线锯的使用性能。制备镀覆金刚石的工艺种类很多且各有利弊[4,5], 但总体来说化学镀、电镀的操作简单、成本低而被广泛使用。为减少损耗, 线锯的发展趋势为小直径 (0.19mm, 甚至更细) 。这就要求制备线锯用的金刚石磨料粒度越来越细 (10μm或更细粒度) 。目前金刚石表面镀覆金属的技术虽然已经比较成熟, 但对于较细粒度金刚石 (10μm以细) 镀覆工艺的研究还不足, 仍没有完善的工艺, 即便可以对其镀覆金属, 还有一些问题存在, 如生产效率低、团聚等[6]。本文对6μm金刚石微粉进行化学镀镍, 通过正交试验找到了最佳的镀覆工艺, 并分析了各因素对细粒度金刚石化学镀镍生产效率、镀层质量、分散性的影响。

2 化学镀镍实验

金刚石微粉化学镀镍工艺流程为:原材料选择→10%NaOH溶液煮沸0.5h→30%硝酸溶液煮沸0.5h→敏化 (16g/L氯化亚锡, 60℃0.5h) →活化 (0.4g/L氯化钯, 60℃0.5h) →还原 (6g/L次磷酸钠, 室温15min) →化学镀→干燥。

化学镀液配制方法:用适量去离子水分别溶解称量好的乙酸钠、硫酸镍、硫脲和次磷酸钠并得到相应溶液, 然后边搅拌边往乙酸钠溶液中依次添加乳酸、硫酸镍、硫脲、氨水、次磷酸钠溶液, 不断搅拌后得到淡蓝色化学镀溶液。

化学镀镍工艺配方如表1所示。每次化学镀镀液体积为200ml, 投料量2.00g, 用水浴加热。实验仪器:用分析天平 (JA 5003N) 称量样品, 用XRD (Mini Flex 600) 定性及半定量检查镍镀层变化, 用SEM (Phenom Pro X) 和EDS检查镀层形貌及颗粒表层化学组成。

3 结果与讨论

3.1 化学镀速度影响因素正交试验研究

本实验在硫酸镍含量一定的情况下, 采用L934正交表对溶液中次磷酸钠、乳酸、氨水和乙酸钠的含量变化对化学镀速度进行考察。实验分析结果如表2所示, 表中镀速定义为单位时间内的镀层增重, 计算方法是 (镀后质量-镀前质量) /反应时间。

由表2可知, 影响化学镀速度显著因素的主次关系依次为:次磷酸钠、乳酸、氨水, 乙酸钠的极差R很小为非显著因素;将镀速最快前4个实验组排序为7号、9号、5号、8号。通过图1SEM照片观察形貌发现, 镀速最快的实验7其镀覆产品的镀层疏松、不均匀、镍瘤较多, 镀层质量不佳;而镀速相对较快的第5组镀镍产品, 其镀层致密、有适量突起, 明显优于实验8和实验9。从综合镀速和镀层质量两方面考察, 第5组配方是本实验最优工艺配方。

3.2 化学镀单因素影响

不同含量次磷酸钠、氨水、乳酸等因素对化学镀镀速的影响如图2所示。

有次磷酸钠和氨水参与下的化学镀镍方程式如下:

(1) 次磷酸钠对化学镀的影响

由图2可知, 当次磷酸钠含量小于25g/L时, 镀镍速率非常缓慢;随着含量增大其镀速快速增加, 当其含量超过30g/L时镀速急剧加快。这与H2PO2-作为还原剂直接参与镍离子的还原有关。当次磷酸钠含量为35g/L时化学镀镍速度过快, 镀层疏松、镍瘤增多、镀层强度差。研究发现, 当次磷酸钠30g/L时化学镀镍可得最佳镀层, 且镀速较快, 镀覆效率较高。

(2) 乳酸对化学镀的影响

由图2知, 随乳酸含量增大化学镀速度先稍微升高而后陡然减慢。这主要与乳酸作为缓冲剂的酸性物质有关。当含量小于15ml/L时, 其含量升高对化学镀速影响不大, 而当其含量超过15ml/L后溶液酸度升高较多, 相应H2PO2-的还原性明显减弱, 致使镍沉降速度显著下降。因此实验选定乳酸最佳含量应低于15ml/L。

(3) 氨水对化学镀的影响

由图2可知, 当镀液中氨水含量为15ml/L时, 化学镀速率较慢;随氨水含量增加, 镀镍速率呈线性增大。这与NH3既可作为配位剂与Ni2+形成络离子, 又可以作为弱碱升高pH值有关。当碱性增大时H2PO2-的还原性显著增强, 还原镍离子的速度明显加快。当镀液中氨水和H2PO2-含量都很高时, 会使镍沉降速度过快, 还原产生的镍围绕金刚石表面活性点快速堆积而不能铺展开来, 致使镀层疏松且有较多镍渣产生[7];若适当控制次磷酸根含量可获得较快镀速, 同时镀层质量较好。

3.3 化学镀温度对镀层质量的影响

由图3可知, 70℃时所得产品镀层疏松、不均匀、且漏镀严重, 其EDS检测表明相应产品表层镍含量仅为8.6% (见图4) ;随着温度升高产品镀覆质量逐渐改善, 到85℃时镀层致密、均匀, 产品质量最佳, 相应产品表层镍含量为43.1% (见图4) 。实验还表明, 随着化学镀温度升高, 镀覆速度明显加快, 但是若超过85℃则镀液稳定性下降、易分解。

3.4 镀覆次数对镀层厚度及分散性的影响

采用优化镀液配方在85℃依次对金刚石微粉化学镀镍1次、2次, 所得产品的XRD、EDS及SEM分别如图5、图6和图7所示。

由图5XRD分析可知, 对金刚石微粉化学镀镍1次、2次所得产品, 其镀镍/金刚石特征峰强度比分别是14000/60000 (0.233) 和14000/33000 (0.434) 。由图4和图6EDS分析可知, 相应产品表层镍含量分别为43.1%和75.4%, 对应金刚石镀覆增重率分别为23.2%、58.1%。上述数据显示, 随镀覆次数的增加, 镀镍/金刚石特征峰强度比、产品表层镍含量和镀覆增重率都在快速上升, 说明微粉镍镀层在快速增厚。这表明采用多次镀覆的方式可有效增加金刚石微粉镍镀层的厚度。

由图7可知, 利用优化配方化学镀镍1次时所得金刚石微粉团聚严重, 而镀2次时金刚石分散性可明显改善。这是因为, 仅仅镀1次的金刚石微粉其镍镀层薄、不够致密、表面张力大, 容易团聚, 而镀2次的金刚石微粉其镍镀层厚、致密均匀、性能稳定、不易团聚, 因而分散性好。而分散性良好的镀衣微粉对于金刚石丝锯镀覆时获得上砂均匀、结合牢固的高质量复合镀层具有重要意义。

4 结论

(1) 本实验化学镀配方成分对镀覆速度有重要影响的因素主次关系依次为:次磷酸钠、乳酸、氨水;保持合适浓度的次磷酸钠和氨水可有效提高化学镀效率;在70℃~85℃范围升高镀覆温度可改善镀层质量。

(2) 本实验条件下线锯用细粒度金刚石微粉化学镀镍的最优配方为:六水硫酸镍25g/L、次磷酸钠30g/L、氨水35ml/L、乳酸10ml/L、乙酸钠15g/L、硫脲25mg/L。

(3) 采用多次镀镍方式可有效提升镀层的厚度和质量, 同时还能有效增加镀镍金刚石微粉的分散性。

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[6]代晓南, 何伟春.金刚石微粉表面镀镍研究进展[J].广州化工, 2016 (5) :244-246.

环形金刚石线锯篇7

近些年来,随着世界航空工业高效数控加工技术的发展,飞机制造大量采用大型整体结构件取代通过铆接、焊接或其他方式将众多模锻件、挤压件或机加件连接到一起的装配件,以减轻机身质量,缩短制造周期,提高飞机性能[1,2]。大型整体结构件以铝合金和钛合金为主, 铝合金大型整体结构件占据70%以上的份额[2],且主要由铝合金厚板下料后高效数控加工而成。为了能够机加工出飞机用大型整体结构件,必须增加传统航空用厚板的最大厚度,大飞机铝合金超厚板的厚度有些竟在300mm以上,有的甚至达到了500mm[1,2],这一变化带来许多新问题,其中,如何解决这些超厚板的高效成形切割下料问题,是突出问题之一。目前,切割下料的手段主要是圆片锯、带锯之类,都只能作切断加工,不能进行成形切割,原材料浪费严重,后续的机加工量大。而固结金刚石线锯切割是近年来快速发展起来的一种切割方法,具有切缝窄、锯切效率高、切面品质好、对环境污染小等优点,但目前电镀法、树脂结合剂法和机械碾压法等制作的金刚石线锯都存在金刚石磨粒和锯丝基体物理固结,磨粒易脱落,而钎焊金刚石线锯实现了金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面的化学结合,结合强度高,并且金刚石线锯切割目前主要用于硬脆材料的加工,尚未有金刚石线锯切割铝合金厚板的报道。本文就这一切割技术在铝合金厚板切割下料上的应用进行初步的研究。

1 试验条件

1.1 金刚石锯丝的制作

由于高频感应钎焊能够实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面上的化学冶金结合,具有较高的结合强度,粒度的裸露高度可达70%～80%,容屑空间大,不易堵塞,磨料的利用更加充分[3],因此本试验采用钎焊方法制作锯丝。

锯丝的芯线采用65Mn钢,直径0.8mm;结合剂为Ni-Cr-B-Si合金钎料,金刚石粒度为80～100目。制作工艺为:将粉末状Ni-Cr-B-Si钎料与绿色环保液体胶均匀混合成浆液;钎料浆液厚度适中且均匀粘附在芯线表面;金刚石磨料均匀镶嵌于芯线表面的钎料浆涂层上;气体保护氛围中加热至钎料熔化,冷却后金刚石磨料就牢固钎焊于芯线表面上。图1是金刚石涂覆示意图,图2是钎焊后的金刚石线锯形貌图。从图2可以看出金刚石晶形完整,棱角分明,无裂纹和石墨化显现;钎料铺展均匀,金刚石爬升良好。

1.2 切割运动的实现及试件的选择

图3是钎焊金刚石线锯切割铝合金的试验装置。利用MMD7125磨床,把平口钳固定在磨床的工作台上,钎焊金刚石线锯安装在锯弓上,锯弓由平口钳夹持固定。磨床工作台的往复运动实现线锯的往复运动,试样的上下、前后进给运动由磨床工作台的升降系统、前后运动系统来实现。线锯往复运动的平均速度vs为14m/min,上下、前后进给速度都可达到vw为0.05mm/s,切割过程中不使用冷却液。

试样选用主要用于飞机结构、导弹构件、螺旋桨元件及其他结构件2A12,厚度30mm,加工时由两个螺栓固定在磨床的保护壳上面,表1是试验用铝合金型号及其物理力学性质。

2 试验结果与分析

2.1 切割铝合金后线锯表面形貌

金刚石硬度高,表面与铝合金亲和力小,所以金刚石是非常适合加工铝合金的刀具材料。图4是线锯切割加工铝合金面积3000mm2后线锯的不同区域表面形貌。

从图4(a),(b),(c),(d)中可以看出,由于钎焊工艺制造的金刚石线锯磨粒的平均裸露高度可达磨粒平均粒径的70%～80%,容屑空间大,线锯切割铝合金时只有很少的局部区域发生堵塞现象,对切割过程影响甚微。

线锯堵塞的部分属于嵌入型堵塞,是磨屑机械性地填充在磨粒之间的空隙中的堵塞现象。这是因为线锯在切割过程中,法向锯切力Fn大于切向锯切力Ft[4],并且铝合金延展性较好,切屑在法向力的作用下,被机械地挤进磨粒之间的空隙里,如图4(c)所示。

金刚石线锯在锯切铝合金材料时,要经受工件和切屑的摩擦和冲击,金刚石磨粒被钎焊在钢丝基体上,钎焊层也会逐渐磨损。图4(d)是钎焊金刚石线锯切割铝合金后的表面磨损情况。由于在切割过程中无法实现绕自身轴线的旋转,参与切割的始终为锯丝的一侧。由于钎焊层和基体要为金刚石磨粒提供支承和保护,钎焊层的磨损会降低对磨粒的把持力,同时还会降低锯丝本身的强度,导致锯丝断裂。

2.2 切割轨迹

图5是切割铝合金厚板的轨迹图,可以看出钎焊金刚石线锯不但可以直线切割,还可以实现曲线切割。

2.3 切屑

由于锯丝的运动速度和磨削速度相比很小,因此加工过程中不会产生像磨削中那样的高温,切屑一般不会形成熔球状、蝌蚪状切屑。另外铝合金属于延展性大的材料、硬度低,很容易形成带状切屑。

图6是锯切铝合金过程中产生的典型切屑形状。图6(a)为带状切屑,这是切割中最常见的切屑,有一定的弯曲而且切屑比较宽。图6(b)是细条状切屑,特点是切屑细且长,长宽比达到30∶1以上,也是切割铝合金中较多见的切屑。图6(c)是卷曲状切屑,特点是前部切屑较宽且卷曲,后部比前部较细。

3 结论与展望

1) 用高频感应钎焊方法制作的金刚石线锯,金刚石焊接牢固,裸露高度高、容屑空间大,是一种新式的线锯制作方法,应用前景广泛。

2) 用钎焊金刚石线锯切割铝合金厚板不仅能切割直线轨迹,还能切割曲线轨迹。

3) 下一步主要是改善焊接后的线锯品质,进一步提高线锯的耐用度;制作更长的钎焊金刚石锯丝(或制成环形),提高切割速度,进行成形切割等。

参考文献

[1]江志邦,宋殿臣,关云华.世界先进的航空用铝合金厚板生产技术[J].轻合金加工技术,2005,33(4):1-8.

[2]骞西昌,杨守杰,张坤,等.铝合金在运输机上的应用与发展[J].轻合金加工技术,2005,33(10):1-7.