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郑州华晶金刚石股份有限公司

从电镀金刚石工具看金刚线

来源:金刚线与线锯微粉   2017-11-07  加入收藏  打印  字体【 |  | 

       电镀金刚线,主要应用于光伏级硅片的开方和切片,属于金刚石锯切制品,也是电镀金刚石工具。与金刚线类似的锯切工具还有金刚石绳锯、金刚石丝锯。比如金刚石丝锯,它也是在钢丝表面镀上金刚石磨粒,一般用于手工往复拉加工玉石、玛瑙、水晶工艺品的内孔面,也可以用在台式丝锯机上作往复运动,用于曲线、直线切割,还可像金刚石绳锯那样,将它绕到两个绞轮上,张紧后用于切断作业。

       从上面的描述,是不是感觉到它们很像呢?所以,岱勒、三超,与许多做金刚石锯片的企业一样,都是中国机床工具工业协会超硬材料分会的会员。

       由于多晶硅线切市场的爆发,金刚线今年异常火爆,预期这种局面还会延续一段时间,所以很多钢丝、碳化硅、金刚石、光伏企业也纷纷进入了这个领域,欲分一杯羹。为了让大家更好地认识金刚线,本文从电镀金刚石工具的角度浅析下金刚线的结构特点和使用性能。

       1、电镀金刚石工具的特点

       既然金刚线属于电镀金刚石工具,那我们就先了解一下电镀金刚石工具的结构及特点。图1是电镀金刚石工具的结构,可见其结构包括三部分组成:基体、镀层(多是电镀镍)、磨料。其中,磨料弥散分布在金属镀层里,共同组成工作层,起磨削作用;基体具有一定的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度,起支持电镀层的作用。

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图1 电镀金刚石工具的结构示意图

       电镀金刚石工具具有以下特点:

       1.结构特点

       电镀金刚石工具只有钢基体和电镀工作层两个部分,电镀层沉积金属厚度一般为金刚石粒径的1/2~2/3,同烧结金刚石工具相比(钎焊工具除外)是非常薄的。

       由于电沉积工艺的特殊性,采用电镀方法可以制造出各种复杂型面或者特别小、特别薄的金刚石工具,且制造出来的工具精度特别高。

       2.镀层特点

       电镀金刚石工具的电镀层金属是通过电结晶形成的,在电镀预处理、工艺控制适当的情况下,镀层十分致密,几乎没有气孔。所以电镀金刚石工具是所有磨具中组织最致密的一种(钎焊金刚石工具组织也极其致密),镀层对金刚石颗粒的接触最充分、把持力特别大。正是因为镀层致密、对金刚石结合牢固,才可以使用高浓度(埋砂法金刚石嵌入镀层中的浓度可高达200%)而不导致磨粒过早脱落,而这是其它方法(除钎焊外)制造的金刚石工具所不能比拟的。

       由于电镀金刚石工具多采用镍或镍钴合金做结合剂,加上组织致密,所以镀层硬度很高,甚至能达到HRC40,明显高于其它类型的金刚石工具,因此电镀金刚石工具从单层角度看是特别耐磨的(仅次于钎焊金刚石工具)。

       镀层中嵌入的金刚石既可以通过埋砂法随机分布和得到高浓度,也可以有序排列和人为控制金刚石的浓度,对于后者,可以更好地发挥金刚石的作用和改善排屑,提高磨削效果。

       3.使用特点

       由于电镀金刚石工具磨料浓度高,在相同磨削速度时,其加工效率明显高于其它工具;由于颗粒数目多,单颗磨粒负荷较小,磨耗较少,因而就同样厚度的工作层而言,电镀工具耐磨性特别高;由于耐磨,因而电镀工具的形状保持性就好,加工精度自然也高;单层电镀工具,磨料出刃高度高,因此切削锋利,易于排屑,摩擦力小发热少。

       综上,单层电镀金刚石工具使用特点为加工效率高、磨削比高、形状和精度保持性好、加工精度高等。但因为是单层,总的寿命相对较低。也有多层电镀金刚石工具,但因电镀组织致密、硬度高、韧性大,第一层金刚石用完后工具的自锐性差,需要通过加大磨削力、提高冷却液流量等方式改善。

       电镀金刚石工具的制造过程是低温电沉积过程,不会对金刚石产生不利的热影响,因此使用时金刚石品质不会有任何下降,这对磨削加工十分有利。

       2、电镀金刚线的特点

       对比电镀金刚石工具的特点,我们一一来说:

       1.结构特点

       图2是电镀金刚线的结构。与电镀金刚石工具相一致:钢丝是基体,起支持电镀层的作用;金刚石弥散分布在电镀层里,与电镀层一起构成工作层,起磨削作用。电镀层沉积金属厚度一般为金刚石粒度的1/2~2/3,也就是说,金刚石出刃高度一般在金刚石粒径的1/3~1/2。

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图2 电镀金刚线的结构示意图

       钢丝起支持镀层的作用,所以钢丝必须满足:a.要有足够的力学性能;b.与镀层的亲和性要好。

足够的力学性能,也就是说钢丝的抗拉强度 、屈服强度 、刚性(圈径)、抗扭强度等技术指标符合预定的要求。钢线自身性能差,即使工作层再好,一旦切割时断线也是不合格品,将严重影响使用性能。

       镀层亲和性,也就是说镀层与钢丝之间的界面结合力要强。金刚石锯片,为了加强钢基体与金刚石烧结节块的结合力,必要时会增加过渡层,有时会将钢基体外圆做成锯齿状或喷砂。对金刚线来说,母线表面活化处理也就是为了增加钢丝与镀层的亲和性,提高与镀层的结合力。如何评价镀层结合力,这也是企业要考虑的。裸线与线锯成品之间抗拉、抗扭强度检测结果的变化,通常强度值是变大的。变化的大小在一定程度上反映了金刚线镀层的结合强度,增量越大说明镀层结合强度越高。目前多是采用缠绕法,通过显微镜目力观察来检验结合强度,该方法不便量化定标,不妨将强度变化的检验方法作为检测镀层结合强度的一种参考方法。(具体见:线锯讲座— 第四讲:电镀金刚线的产品质量控制(4))

       2.镀层特点

       电镀工具的耐磨性高、形状保持性好、切割精度高等性能优点得益于镀层的致密性、对磨料的把持性。对金刚线产品来讲,我们不希望切割作业时有金刚石脱落,所以要求镀层致密、对金刚石把持牢固。

       镀层致密,相应的镀层表面小颗粒就要少,不能太过粗糙,这由“出刃高度数量分布图”可以反映。图3是两款金刚线产品的出刃高度数量分布图,图3-a的出刃高度在1-2μm、2-3μm的数量(绿色柱状图)明显比图3-b多,这反映了图3-a的金刚线镀层表面小颗粒较多,镀层致密度较差。640.webp.jpg

图3 出刃高度数量分布图

       镀层对金刚石把持牢固,需要镀层与金刚石的浸润性好,所以现在金刚线多采用镀镍的金刚石微粉,增加与镍镀层的浸润性。而镀覆厚度、镀覆表面粗糙度等指标与线锯生产工艺有关(尤其是上砂工艺),微粉镀覆的活性与上砂工艺的匹配,这是决定电镀上砂好坏的重要因素。

       镀层金刚石浓度,也就是我们常说的金刚石出刃率,直接影响切割效率,也是影响金刚线质量的一个关键指标。一般情况,电镀方法对金刚石的把持力很强,即使金刚线到达寿命,也不应该有脱粒,这也是电镀金刚线可以有很高出刃率的前提条件。比如,美畅推出的“高效线”,出刃率达到近600粒/mm,正是以镀层把持牢固和磨粒分散均匀为前提的。

       金刚石浓度,或者说出刃率,现在的金刚线产品差别很大,从不到100粒/mm,到大于500粒/mm,由于切片企业缺少检测仪器(较多使用电镜点数)和使用经验(出刃率与切割参数的匹配),现在对这个指标并不是很重视,而且在金刚线生产企业技术不成熟、不稳定的现状下,想要生产出刃率不同的系列产品难度较大,但我们要明白,这个是必然趋势!大家还是要锤炼内功,多做研究!

       电镀金刚石工具的出刃高度一般在金刚石粒径的1/3~1/2,出刃高度大,这也是电镀制品锋利、效率高的原因之一。现状的金刚线产品,部分企业的工艺并不是太成熟,出刃高度往往不够,也就是埋没太多,或者镀层表面有一些虚高的磨粒或者团聚镍瘤,需要开刃。如果工艺成熟可靠,可以保证出刃高度,当然可以不开刃。

       3.使用特点

       金刚线作为金刚石锯切工具,具有锯切工具相同的使用特点,而且,因其基体是钢丝,具有一定挠度,又有其独特的特点。

       表征切割效果的参数主要有:切割效率、线锯耐用度、切缝大小、切割缺陷。切割效率指单次切割用时;线锯耐用度指单次切割所用线长;切割缺陷主要有线弓比、TTV、线痕、刀纹等。

       从以上对金刚线镀层特点的分析可以看出来,影响金刚线切割效果的自身因素主要有:镀层致密度、镀层强度、出刃高度、出刃率、金刚石分散均匀性(堆积直径)、包络丝径。对金刚线使用者来说,必须要能根据金刚线的特点,科学合理地匹配切割工艺参数,这样才能将金刚线物尽其用,才能真正地“用对”、“用好”。

       比如,出刃率高、镀层强度好、堆积直径小(即金刚石分散均匀)的金刚线,可以高走线速度、大进给量;低出刃率、镀层强度好的金刚线,也可以使用较快的走线速度,但进给量要适当。另外,还要结合切割机的功率、整体刚性、精度等情况,即使是“高效线”,如果切割机功率低,也会“小马拉大车”,不能“物尽其用”。

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关键词: 电镀  金刚石  金刚线 
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