電沉積金剛石線鋸裝置的研制

汪琦皓， 畢文波， 葛培琪,2

(1. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061)(2. 山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南250061)

電子半導(dǎo)體材料已發(fā)展到以寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料SiC為代表的第三代。SiC的莫氏硬度9.5，僅次于金剛石和CBN，具有極高的硬度和耐磨性，在切片、研磨等工序中加工效率低下[1]。

電鍍金剛石線鋸因其良好的耐磨性、較高的耐熱性和較大的磨粒把持力而被廣泛用于SiC晶體切片的加工[2]，但其存在如下缺點(diǎn)：(1)需除銹、除油等預(yù)處理工序，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率低；(2)制備過(guò)程中產(chǎn)生廢棄鍍液，不夠環(huán)保；(3)電鍍后金屬相表面擴(kuò)散的氫原子降低鍍層韌性及鍍層與基體的結(jié)合力[3]，不利于切片加工SiC晶體材料。

為進(jìn)一步提高固結(jié)磨粒線鋸的性能，有學(xué)者提出采用電沉積技術(shù)制作固結(jié)磨粒線鋸[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)電鍍工藝，電沉積技術(shù)具有加工過(guò)程簡(jiǎn)單、沉積層和基體結(jié)合強(qiáng)度高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

我們介紹了電沉積技術(shù)的原理及特性，并據(jù)此制定了設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)、制造了一種電沉積金剛石線鋸裝置，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的性能。

1 電沉積技術(shù)原理

電沉積是通過(guò)電火花放電作用，把電極中的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬基體的表層，與母材形成冶金結(jié)合，從而改善基體表面的物理化學(xué)性能的一種技術(shù)[5]。電沉積技術(shù)具有沉積過(guò)程中熱輸入量低、沉積層與基體間為冶金結(jié)合、可實(shí)現(xiàn)異種材料間沉積等工藝特點(diǎn)，能改善材料表面的力學(xué)、冶金等性能，進(jìn)而提高材料整體的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能[6]。將電沉積技術(shù)應(yīng)用于線鋸制造，有望進(jìn)一步提高磨粒把持強(qiáng)度、簡(jiǎn)化制造工藝、減少環(huán)境污染，改善現(xiàn)有固結(jié)磨粒線鋸制造技術(shù)中存在的部分問(wèn)題。

電沉積過(guò)程如圖1所示，分為4個(gè)階段：

(a)開(kāi)始放電(b)產(chǎn)生高溫(c)拋出材料(d)基體沉積圖1 電沉積過(guò)程

(a)開(kāi)始放電，電火花極間放電瞬間釋放高頻電脈沖，電極與基體間的介質(zhì)被擊穿、電離，形成放電通道。

(b)電極表面產(chǎn)生瞬間高溫，使電極材料熔化甚至汽化，同時(shí)基體表面也有部分材料熔化。

(c)在熱膨脹作用下，電極材料和其中的金剛石磨粒被拋出；由于兩極能量分配差異較大，基體表面熔化的材料拋出少，電極材料拋出多；在電場(chǎng)力、磁力、熱力等綜合作用下，電極拋出的材料轉(zhuǎn)移到基體表面，與基體表面熔化的材料相互熔滲，形成冶金結(jié)合。

(d)停止放電，電極與基體間介質(zhì)解除電離場(chǎng)，基體迅速降溫，熔化的表面材料凝固，在基體表面形成沉積層。

2 裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 沉積方式選取

現(xiàn)階段電沉積方式主要有微細(xì)電極沉積法和旋轉(zhuǎn)電極法：微細(xì)電極沉積法是在含有一定濃度待沉積顆粒懸浮的工作液中，采用微細(xì)電極進(jìn)行沉積，電火花作用下，工作液中的碳顆粒析出并與待沉積顆粒一起沉積在基體表面，形成凸塊[7]；旋轉(zhuǎn)電極法是采用旋轉(zhuǎn)的壓縮粉體電極對(duì)基體進(jìn)行火花放電，實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒沉積[8]。

目前，鋸絲直徑在60 ～450 μm的范圍內(nèi)，且有繼續(xù)細(xì)化的趨勢(shì)。以光伏產(chǎn)業(yè)為例，硅錠切片用的基體芯線直徑主要集中在60～80 μm[9]。由于線鋸的基體直徑小，采用微細(xì)電極法進(jìn)行電沉積時(shí)無(wú)法保證微細(xì)電極與基體的相對(duì)位置。因此，我們選擇旋轉(zhuǎn)電極法作為電沉積金剛石線鋸的制作方法。

2.2 沉積工作介質(zhì)選取

工作介質(zhì)不僅影響極間電壓的大小，其還會(huì)發(fā)生熱分解進(jìn)而影響沉積質(zhì)量。因此，電沉積工作介質(zhì)的選擇是電沉積工藝中的一個(gè)重要因素。

在電火花去除材料加工的過(guò)程中，通常采用油類(lèi)作為工作介質(zhì)。其具有較強(qiáng)的冷卻能力，可使被電蝕拋出的基體材料迅速凝固成微小顆粒，增加電蝕產(chǎn)物的排除效果[10]。但電沉積要求在沉積過(guò)程中拋出的電極材料更多地轉(zhuǎn)移到基體表面后再冷卻凝固，因此不宜采用油類(lèi)介質(zhì)；氣體介質(zhì)的冷卻能力較弱，被拋出的電極材料在接觸到基體時(shí)還未凝固，從而確保拋出的電極材料能和基體表面冶金結(jié)合，使沉積層更為牢固。

常用的氣體介質(zhì)有空氣、氬氣和水霧氣等。水霧氣的冷卻作用較強(qiáng)，冷卻效果與油類(lèi)介質(zhì)接近[11]；氬氣介質(zhì)需要專用的設(shè)備，成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜：因此，選擇空氣介質(zhì)作為電沉積金剛石線鋸設(shè)備的工作介質(zhì)。

2.3 整體方案設(shè)計(jì)

采用旋轉(zhuǎn)電極電沉積金剛石線鋸。由于單個(gè)電極只能對(duì)線鋸基體的單個(gè)側(cè)面進(jìn)行沉積，制作過(guò)程中使用4個(gè)電極在鋸絲圓周方向均勻布置進(jìn)行沉積，其分布如圖2所示。

圖2 電極布置示意圖

由于電沉積時(shí)火花放電在短時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放大量的熱量，多個(gè)電極同時(shí)工作會(huì)導(dǎo)致基體溫度升高，影響基體質(zhì)量。為降低工作時(shí)基體溫度，使各電極依次放電。4個(gè)電極的工作順序如圖3所示：首先基體右側(cè)的電極1放電回路接通，同時(shí)電極1靠近基體，當(dāng)電極1與基體間放電狀態(tài)為火花放電時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，沉積時(shí)間T秒后斷開(kāi)放電回路并復(fù)位；然后電極2、3、4依次進(jìn)行同樣的沉積。

(a)(b)(c)(d)圖3 電極工作順序示意圖

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上分析設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，其原理如圖4所示。4個(gè)電極分別安裝在水平和豎直的2個(gè)單元中。水平單元完成基體左右側(cè)面的電沉積，豎直單元完成基體上下側(cè)面的電沉積。

以水平單元為例，模塊單元由步進(jìn)電機(jī)5、同步帶6、同步帶輪7、旋轉(zhuǎn)電機(jī)8、電極1和電極3等組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)水平單元沿水平方向直線運(yùn)動(dòng)；通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)整電極與基體之間的距離。旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電極勻速旋轉(zhuǎn)，水平單元做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。水平單元向左運(yùn)動(dòng)時(shí)電極3遠(yuǎn)離基體，電極1靠近基體進(jìn)行沉積；水平單元向右運(yùn)動(dòng)時(shí)電極1遠(yuǎn)離基體，電極3靠近基體進(jìn)行沉積：實(shí)現(xiàn)2個(gè)電極交替工作。豎直單元機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式與水平單元原理相同。

圖4 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)原理示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置三維圖如圖5所示。使用國(guó)標(biāo)4040鋁型材作為整體框架。驅(qū)動(dòng)2個(gè)單元的螺紋副選用C7級(jí)高精度滾珠絲杠，公稱導(dǎo)程5 mm。水平單元的移動(dòng)副采用直線導(dǎo)軌，豎直單元的移動(dòng)副采用直線導(dǎo)柱。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)可靠。

圖5 裝置三維圖

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和電極運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，其工作原理如圖6所示。其中，M1、M2為控制水平單元和豎直單元做直線運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，R1、R2為驅(qū)動(dòng)電極旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；脈沖電源為電沉積過(guò)程提供高頻電脈沖。

以單片機(jī)作為裝置的控制器，控制步進(jìn)電機(jī)及旋轉(zhuǎn)電機(jī)；通過(guò)控制繼電器來(lái)調(diào)整電極與脈沖電源之間的通斷電狀態(tài)，同時(shí)接受放電狀態(tài)檢測(cè)模塊反饋的放電狀態(tài)，并根據(jù)放電狀態(tài)調(diào)節(jié)電極與基體間距離，使電極與基體間的放電狀態(tài)為火花放電。

裝置采用并聯(lián)電阻分壓的方式檢測(cè)電極間的電壓，采樣周期為10 μs。對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平均濾波，計(jì)算采樣點(diǎn)300個(gè)。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

圖7為電極勻速靠近基體時(shí)平均電壓的變化曲線。從圖7中可看出：電極不斷靠近基體，平均電壓采樣值逐漸減??；電壓大于1.5 V時(shí)，電路開(kāi)路；電壓為0.5～1.5 V時(shí)，電極呈火花放電狀態(tài)；電壓小于0.5 V時(shí)，電路短路。

圖7 平均電壓變化曲線

脈沖電源選用的是CTDP系列數(shù)字多功能脈沖電源，可提供最大間隙電壓為250 V、最大間隙電流為10 A的高頻脈沖?？刂破鬟x用Arduino Mega2560控制板，結(jié)合電機(jī)控制擴(kuò)展板Ramps1.4實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。裝置工作流程如圖8所示。

最終完成的電沉積金剛石線鋸制作裝置如圖9。

圖8 裝置工作流程框圖

圖9 電沉積金剛石線鋸制作裝置實(shí)物圖

3 沉積實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的基體芯線為φ0.4 mm的304不銹鋼絲。電極為由金剛石微粉(平均顆粒尺寸8 μm)、碳化鎢微粉(平均顆粒尺寸1 μm)和鈷微粉(平均顆粒尺寸1 μm)，以5∶6∶14的質(zhì)量比，在270 MPa的壓力下壓制而成的圓柱體電極。

沉積主要工藝參數(shù)為：間隙電壓30 V，正脈沖持續(xù)時(shí)間30 μs，脈沖間隔時(shí)間970 μs，沉積總時(shí)間90 s，電極旋轉(zhuǎn)速度120 r/min，基體芯線張緊力5 N。

電沉積金剛石線鋸表面形貌如圖10所示。從圖10中可以看出：基體表面存在沉積物，在沉積層中金剛石磨粒清晰可見(jiàn)，且磨粒分布均勻(圖10a)；沉積層表面存在氣孔和電極材料熔融后形成的液滴顆粒，無(wú)明顯裂紋。金剛石磨粒附著在沉積層表面，凸出明顯(圖10b)。

(a)(b)圖10 電沉積金剛石線鋸表面形貌圖

4 結(jié)論

基于電沉積技術(shù)原理，提出了旋轉(zhuǎn)電極、氣體介質(zhì)的電沉積金剛石線鋸制作裝置的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)，完成了電沉積金剛石線鋸制作實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)利用微粉壓制電極可在φ0.4 mm不銹鋼絲基體上實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒沉積。

(2)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。電沉積的金剛石線鋸的沉積層表面無(wú)明顯裂紋；在線鋸沉積層中，金剛石磨粒分布均勻。

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