電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司,鄭州 450001)

電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司,鄭州 450001)

文章綜述了電鍍金剛石線鋸的構(gòu)造和特點以及制備工藝過程,并對其應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要介紹,對目前存在的問題進(jìn)行了初步的探討,并就未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

電鍍金剛石線鋸;制備工藝;綜述

1 概述

本文對電鍍金剛石線鋸的構(gòu)造、特點及其制備工藝進(jìn)行綜述,旨在為開展金剛石線鋸的研究和生產(chǎn)提供一定的參考。

2 電鍍金剛石線鋸的構(gòu)造和特點

電鍍金剛石線鋸由鋼絲母線、鍍層金屬(一般為鎳)和金剛石構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼絲母線為承載母線,金屬鍍層為結(jié)合劑,將金剛石固定在鋼絲母線上用來進(jìn)行切割[3]。電鍍金剛石線鋸根據(jù)切割要求可以制成不同直徑和長度,從而可以對硅棒、藍(lán)寶石等進(jìn)行截斷、開方、切片等切割加工。

圖1 電鍍金剛石線鋸示意圖Fig.1 diagram of electroplated diamond wire saw

與砂漿切割相比,電鍍金剛石線鋸切割具有獨特的優(yōu)點:(1)高生產(chǎn)效率:使用傳統(tǒng)砂漿切割技術(shù),切割6.5寸硅棒約需6～7小時;而金剛石線切割只需2～3小時,生產(chǎn)效率提升了2～3倍。(2)高產(chǎn)品質(zhì)量:(a)轉(zhuǎn)化效率高:金剛石線切割控制精度高,硅片表面損傷層小(10μm以下),硅片表面為規(guī)律的線痕(金剛石線切割硅片特性),從而增加了硅片表面的吸光面積、降低了反射率,從而使得硅片光電轉(zhuǎn)化效率提升0.2%～0.4%。(b)控制精度高:金剛石線切割硅片的TV、TTV、線痕大小情況等性能上均優(yōu)于傳統(tǒng)硅片。(c)綠色環(huán)保:金剛石線切割因采用固結(jié)金剛石線作為磨料,不需使用碳化硅,切割液采用水溶性的環(huán)保切割液,大大減少了環(huán)境污染的發(fā)生,基本實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。(d)廢物可利用:在切割過程中會產(chǎn)生40%左右的硅粉,傳統(tǒng)的砂漿切割因雜質(zhì)含量多,物化特性相似難以回收,而金剛石線切割產(chǎn)生的硅粉,理論計算純度即達(dá)到99%以上,經(jīng)提純后將可達(dá)到99.9999%的標(biāo)準(zhǔn),可重新用于晶體的生長。(e)電鍍金剛石線鋸由于線徑小,切割時切口損失少,可以節(jié)省硅、藍(lán)寶石等貴重原材料,減少了生產(chǎn)成本。

3 電鍍金剛石線鋸的制備工藝

3.1 制備電鍍金剛石線鋸的基本材料

(1)母線材料

為了滿足切割要求,電鍍金剛石線鋸的母線材料必須具有抗拉強(qiáng)度高且韌性好的性能,同時為便于電鍍,母線表面電極電位應(yīng)低于沉積金屬的電位,一般選擇表面鍍黃銅的鋼絲線作為母線,母線的直徑和長度應(yīng)根據(jù)被切割加工材料、切割方式、切割設(shè)備等來確定。目前,用于切割加工的電鍍金剛石線鋸的母線直徑一般都在0.1～0.4 mm之間。

學(xué)生帶著問題看完之后，有一兩分鐘的時間進(jìn)行同桌之間和前后桌之間進(jìn)行討論，之后教師隨機(jī)選擇學(xué)生對問題進(jìn)行回答。學(xué)生對于第一個的回答中基本上都提到他們了解到一些印度的文化，比如吃飯用右手，左手被認(rèn)為不潔凈，印度人也愛問一些在西方人眼中涉及隱私的問題等。對于第二個問題的回答多數(shù)說“有意思”、“有趣”，尤其是對于左手被認(rèn)為不潔凈這個現(xiàn)象感覺“奇怪”“不可思議”。通過這兩個問題的引導(dǎo)以及視頻的觀看，學(xué)生的興趣和討論的熱情被激發(fā)出來了。筆者繼續(xù)發(fā)問：

(2)金剛石

金剛石作為切割材料,與砂漿切割不同,金剛石是通過鍍層金屬固結(jié)在不銹鋼母線上的。由于切割對于線鋸的線徑具有一定的要求,因此為了線鋸的線徑穩(wěn)定,金剛石粒度、金屬鍍層厚度、母線線徑三者之間必須互相匹配,方能使電鍍金剛石線鋸具有耐磨、牢固、切割能力強(qiáng)的特點。從電鍍角度來說,電鍍金剛石線鋸屬于復(fù)合電鍍制品,金剛石改變了鍍層的磨損機(jī)制,使得復(fù)合鍍層具有更好的耐磨性,因此,金剛石必須具有一定的粒度。

(3)電鍍液

電鍍金剛石線鋸一般采用復(fù)合電鍍鎳-金剛石的方法制造的,這種鍍液的配方有很多種,常見的是瓦特型鍍液,但是對于用于切割的電鍍金剛石線鋸來說,要求具有較好的柔韌性,即要求鍍層內(nèi)應(yīng)力小,對金剛石的包裹性好,因此工業(yè)生產(chǎn)上一般采用氨基磺酸鎳為主鹽的鍍液,其具有沉積速度快、鍍層內(nèi)應(yīng)力小的優(yōu)點,有利于提高生產(chǎn)速度,降低生產(chǎn)成本。

3.2 電鍍金剛石線鋸的制備工藝

(1)金屬絲母線鍍前預(yù)處理

金屬絲母線鍍前預(yù)處理的目的是要獲得結(jié)合力牢固的鍍層。電鍍金剛石線鋸的預(yù)處理工序與普通電鍍的預(yù)處理工序一樣:堿洗和酸洗。堿洗的目的是去除母線表面的油污,而酸洗的目的是去除母線表面的附著物——銹及表層的氧化物,以露出正常的金相組織,使得在電鍍時獲得結(jié)合力良好的鍍層。

(2)電鍍

復(fù)合電鍍的工序一般包括上砂和加厚鍍。

a)上砂

上砂是把金剛石作為第二相粒子復(fù)合電鍍到金屬絲上的過程,是整個復(fù)合電鍍中最為關(guān)鍵的部分。目前主要有兩種上砂方法:落砂法和埋砂法。落砂法主要是通過攪拌使得金剛石能夠懸浮在鍍液中,金剛石在鍍液中容易吸附鍍液中的H+離子而帶正電,同時金屬絲為負(fù)極,帶負(fù)電,由于受到電吸附的作用將帶電的金剛石吸附到金屬絲附近,同時與鍍液中的Ni2+離子共同放電,Ni2+離子放電以金屬鎳的形式沉積到金屬絲上,同時將金剛石固結(jié)在金屬絲上,從而完成上砂過程。而埋砂法,顧名思義就是將陰極金屬絲埋入有鍍液通過的金剛石中,使得金剛石與金屬絲緊密接觸,從而保證上砂均勻。目前這兩種方法在生產(chǎn)中都有應(yīng)用,一般認(rèn)為較細(xì)的金剛石適用于落砂法,較粗的金剛石適用于埋砂法。

b)加厚鍍

上砂時,與金剛石同時沉積到金屬絲上的金屬鍍層一般都很薄,需要后續(xù)的加厚鍍來提高金屬鍍層的厚度以達(dá)到提高金屬鍍層對金剛石把持力的目的,加厚鍍鍍液一般不含金剛石,加厚鍍電流以及鍍槽的數(shù)目應(yīng)以達(dá)到所需的金屬鍍層的厚度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

c)后處理

電鍍時,在陰極上除了析出金屬外,還有一部分的H+離子在陰極上還原,其中一部分以H2的形式放出,另一部分氫則會以氫原子的形式進(jìn)入鍍層和基體金屬內(nèi)部。金屬相中存在著由表面擴(kuò)散進(jìn)來的氫原子,在金屬內(nèi)部復(fù)合為氫分子,或與金屬中夾雜的碳形成CH4,使得鍍層韌性降低發(fā)脆,導(dǎo)致鍍層與基體結(jié)合力降低,發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象[4]。因此,為了防止“氫脆”現(xiàn)象的發(fā)生和減少鍍層殘余應(yīng)力,增加鍍層的硬度和耐磨性,電鍍完成后一般還要除氫和進(jìn)行后續(xù)處理過程,一般都采用高溫烘烤除氫的工藝來提高鍍層的硬度和耐磨性。

4 電鍍金剛石線鋸的應(yīng)用現(xiàn)狀

在目前的硅切割應(yīng)用中,不同切割工序,對于電鍍金剛石線鋸都有不同的線徑要求。在切片工序中,往往需要細(xì)的電鍍金剛石線,目前的線徑在0.1 mm左右,常見的規(guī)格有0.12 mm、0.11 mm、0.1 mm。目前硅片切割市場,要求電鍍金剛石線鋸線徑越細(xì)越好,根據(jù)有關(guān)資料顯示,在日本,線徑為0.09 mm,甚至0.08 mm的制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟,而在國內(nèi)目前最好也就能做到線徑為0.1 mm,而且制備技術(shù)也不穩(wěn)定。用于硅開方和硅截斷的電鍍金剛石線鋸線徑一般在0.3～0.4 mm之間,常見的規(guī)格有0.35 mm、0.37 mm等。線徑在0.2～0.3 mm的電鍍金剛石切割線通常用來切割藍(lán)寶石。除了切割硅片和藍(lán)寶石外,電鍍金剛石切割線還可以對陶瓷、稀土磁,例如壓電陶瓷、釹鐵硼、強(qiáng)力磁鐵、稀土磁鐵、鐵氧體等進(jìn)行精密切割,具體如圖2所示:

圖2 電鍍金剛石線鋸的各種用途Fig.2 different applications of electroplated diamond wire saw

5 我國電鍍金剛石線鋸的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國電鍍金剛石線鋸產(chǎn)品的研發(fā)是根據(jù)光伏光電市場的急切需求而產(chǎn)生和發(fā)展的。我國最早進(jìn)行金剛石線鋸的研究工作可以追溯到1992年,哈爾濱科技大學(xué)張國林等在《哈爾濱科技大學(xué)學(xué)報》上發(fā)表了“電鍍金剛石絲鋸的開發(fā)研究”一文,這是我國已發(fā)表的第一篇關(guān)于電鍍金剛石線鋸的研究論文。2010年以后,隨著電鍍金剛石線鋸受到業(yè)內(nèi)人士的普遍重視,電鍍金剛石線鋸技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)迎來了飛速發(fā)展階段,主要表現(xiàn)在:

(1)數(shù)家超硬材料企業(yè)相繼采購了制造設(shè)備開始了電鍍金剛石線鋸的研究開發(fā)工作;

(2)制造設(shè)備逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化,并不斷得到了改進(jìn);

(3)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,市場應(yīng)用逐步擴(kuò)展。

我國電鍍金剛石線鋸產(chǎn)業(yè)從2009年開始起步,只用了短短幾年的時間就形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2009年,國內(nèi)首家實現(xiàn)電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)的企業(yè)——長沙岱勒新材料科技有限公司成立,2011年,河南黃河旋風(fēng)股份有限公司開始了金剛石線鋸開發(fā)準(zhǔn)備工作,并于2012年初建成了兩條生產(chǎn)線,每條生產(chǎn)線可生產(chǎn)電鍍金剛石線鋸6～8根,此外,江蘇中博鉆石科技有限公司、南京三超金剛石工具有限公司、江西金葵能源科技有限公司、盛利維爾新材料技術(shù)有限公司等企業(yè)也都相繼研究開發(fā)了電鍍金剛石線鋸,產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸顯現(xiàn)。2011年8月8日,鄭州華晶金剛石股份有限公司成立了全資子公司——華晶精密制造有限公司,從德國進(jìn)口了專用設(shè)備開始了金剛石線鋸的研究開發(fā),在此基礎(chǔ)上,公司自主研發(fā)了電鍍金剛石線鋸專用設(shè)備,該設(shè)備性能穩(wěn)定,生產(chǎn)速率可達(dá)5～10 m/ min,鍍槽內(nèi)溫度偏差可控制在1℃以內(nèi),電鍍液p H波動≤0.1,生產(chǎn)過程中走線速度偏差≤0.1 m/ min,整個電鍍系統(tǒng)內(nèi)循環(huán),無物料排放,生產(chǎn)過程環(huán)保清潔。目前公司共有生產(chǎn)線112條,可生產(chǎn)0.1～ 0.42 mm不同線徑的電鍍金剛石線鋸,產(chǎn)品基本覆蓋了電鍍金剛石線鋸的使用范圍,目前公司產(chǎn)能在2萬公里/月,規(guī)模優(yōu)勢與質(zhì)量優(yōu)勢能夠滿足客戶深層次的需求。

6 電鍍金剛石線鋸未來發(fā)展方向

隨著太陽能行業(yè)的發(fā)展,如何降低生產(chǎn)成本是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展較為迫切的問題。而硅棒的截斷、開方、切片是降低成本的重要環(huán)節(jié),采用效率高、切損小、切割質(zhì)量好的電鍍金剛石線鋸是必然趨勢。

就當(dāng)前電鍍金剛石線鋸切割硅片的使用情況來看,還需要在以下幾個方面進(jìn)行深一步的研究:

(1)金屬線母線的研究。目前電鍍金剛石線鋸所使用的金屬絲母線主要是鍍黃銅鋼絲線,其力學(xué)性能還有限,找到具有更好力學(xué)性能的金屬絲母線是未來重要的研究方向之一。

(2)目前電鍍金剛石線鋸的使用壽命還不盡如人意,進(jìn)一步提高金剛石的把持力、耐磨性以及切割性能將成為電鍍金剛石線鋸重要的研究方向。

(3)電鍍設(shè)備、電鍍技術(shù)的研究。電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)設(shè)備的金剛石懸浮濃度的控制、上砂均勻性等技術(shù)有待于進(jìn)一步研究。

(4)切割機(jī)理的研究。目前在硅片切割過程中,存在著切割線痕、厚薄不均等問題,因此深入研究電鍍金剛石線鋸切割機(jī)理,改善切割效果,也是重點的研究方向。

[1] 中國超硬材料工業(yè)五十年[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社, 2013.

[2] Murata R.Study on machining characteristics of diamond abrasive wire[J].J Mechancial Engineering Lab,1987,41(5):236.

[3] 蔣燕麟,馮吉福,王進(jìn)寶,等.硅切割用電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀[J].超硬材料工程,2012(3):43-48.

[4] 王秦生.超硬材料制品[M].鄭州:鄭州大學(xué)出版社,2006.

Current Research Status and Development of Electroplated Diamond Wire Saw

LIU Yong-qi
(Zhengzhou Sino-Crystal Diamond Co.,Ltd,Zhengzhou,China 450001)

The structure,characteristics and preparation process of electroplated diamond wire saw have been summarized in this article.The application of it has also been briefly introduced.Meanwhile,the existing problems have been preliminary discussed and the future development trend has been predicted.

electroplated diamond wire saw;preparation process

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0048-04

2015-02-02

劉永奇,男,現(xiàn)任鄭州華晶金剛石股份有限公司總經(jīng)理,參與并完成研制開發(fā)的1個項目通過河南省科技廳技術(shù)鑒定,并獲得科技成果證書,主要從事人造金剛石合成及電鍍金剛石線鋸的研究與開發(fā)工作。

劉永奇.電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].超硬材料工程,2015,27(1):48-51.