201510。15r金刚石线锯研究与分析

固结磨料金刚石线锯研究进展代晓南1.2栗正新1.2（1河南工业大学材料科学与工程学院2高温耐磨材料河南省实验室郑州450001）摘要：固结磨粒金刚石线锯是一种比较新颖的精密高效加工工具，其利用特定工艺把金刚石磨粒固结在基体表面。该线锯比游离磨粒线锯的耐磨性更高，同时可以承受较大的切削力及较长的切削时间。根据制备过程中结合剂不同，有树脂结合剂金刚石线锯、钎焊金刚石线锯、电镀金刚石线锯等。不同种类的线锯又有不同的优缺点，适合不同的应用途径，本文就这些不同种类的金刚石线锯做了相应的综述，总结了其各自的制作工艺、使用现状、研究成果、发展前景。关键词：固结磨料金刚石线锯树脂钎焊电镀ConsolidationAbrasiveDiamondWireSawisReviewedAbstract:Consolidationofabrasivediamondwiresawisanewdevelopmentinrecentyears,arelativelypreciseandefficientprocessingtools,usingaprocesstodiamondgritsfirmlyconsolidatedonthesurfaceofthesubstrate,wiresaw,sawingthelinethantheoriginalfreeabrasivewiresawhashigherwearresistance,andcanwithstandlargercuttingforceandcuttingalongtime.Accordingtothedifferentbinderwithresinbondeddiamondwiresaw,brazingdiamondwiresaw,electroplateddiamondwiresaw,etc.Differentprocessingtechnologyofwiresawhavedifferentadvantagesanddisadvantages,suitablefordifferentapplications,inthispaper,thedifferenttypesofdiamondwiresawdothecorrespondinganalysis,summeduptheirrespectiveproductioncraft,theusepresentsituation,theresearchanddevelopmentprospects.Keywords:ConsolidationabrasiveDiamondwiresawResinBrazeElectroplate1.引言近年来由于光伏、半导体等行业发展迅速，对单晶硅片、蓝宝石等贵重硬脆材料的需求量越来越大，不但对这些硬脆材料的加工质量要求越来越高，而且对降低加工过程中材料损耗的要求也越来越高。单晶硅片正朝着大直径、小厚度方向发展，集成电路基片的加工要求单晶硅片的表面精度、表面粗糙度、表面损伤层等都达到最好的等级。从20世纪90年代中期开始，由于线锯加工的切缝窄、厚度均匀、翘曲度较低，而被广泛应用于单晶硅等贵重硬脆材料的加工。根据线锯结合剂种类的不同，有游离磨料和固结磨料两类。游离磨料线切割加工使用含碳化硅游离磨料的磨削液，在工业切割领域表现稳定，在光伏产业的大尺寸硅片切割领域广泛应用。但其加工效率较低且不利于加工更硬的材料、磨浆污染环境严重等问题，严重制约了该技术的进一步发展。随着生产的发展，游离磨料线切割技术逐渐被固结磨料线锯切割技术所替代，所用磨料一般采用金刚石。其利用特定工艺将金刚石磨粒固结在锯丝表面，具有较高的耐磨性，能够承受较大的切削力，切割效率高，适合加工单晶硅等硬脆材料，市场前景较为广阔。根据不同的结合剂固结磨料金刚石线锯可分为树脂结合剂金刚石线锯、钎焊金刚石线锯、电镀金刚石线锯等。本文分别介绍了这几种线锯的优缺点、使用性能、研究现状，并对其实用性进行了对比，最终指出实用性最强的线锯，及今后应进行的研究。2.固结磨料线锯的研究现状2.1树脂结合剂金刚石线锯树脂结合剂金刚石线锯是指以树脂为结合剂，把金刚石磨料固结在锯丝基体表面制备而成的金刚石线锯。其制造工艺与树脂结合剂砂轮的制造工艺基本一致，即将金刚石磨料同树脂结合剂混合并直接涂敷在金属基体的表面，然后干燥并固化。根据实际需要可制成不同直径和不同长度的线锯，以便适应各种设备及加工工艺。对于硬脆材料的加工，树脂结合剂金刚石线锯能够切割薄片，还可加工曲面，更可以用于小孔的研修。可溶性酚醛树脂在加热固化过程中生成甲醛，加速了金属基体的碳化，使得线锯的强度降低。丛明辉[1]等对此进行研究并提出在树脂结合剂中添加铜粉可减慢基体碳化，最终显著的改善了树脂结合剂金刚石线锯的导热性能，提高树脂结合剂的耐热性、耐磨性、断裂强度。时单[2]采用底层为耐热聚酯，表层为聚酰胺酰亚胺树脂液、磨料及填料混合涂层的双层涂覆工艺制备线锯表面金刚石磨料分布较均匀，没有节点、毛刺等现象，且线径一致性较好。为提高树脂结合剂金刚石线锯的生产效率及使用性能，在制备过程使用改性树脂，其切割硅晶体具有良好的表面质量和平滑性能[3]。其中紫外光固化树脂作为改性树脂就倍受关注，由于紫外光固化属于辐射固化，利用紫外光引发具有化学活性的低分子量物质转变成高分子量物质，表观上就是瞬间从液态转化成固态的过程，因此可很大程度的提高生产效率。刘福庆[4]通过对紫外光固化技术的研究，指出选择镀铜琴钢丝经表面丙酮清洗后与R7或R9树脂匹配使用，经铬酸溶液处理后可以获得优良的界面结合强度。本俊之[5]通过研究认为采用芯线和磨粒层之间设有紫外光固化粘接剂层的双层磨粒层结构，可以改善线锯的耐磨性能且在结合剂中添加氧化铝粉后，线锯的制造速度能够提高10倍以上，可对硅锭进行单切并且断面粗糙度良好。树脂线锯制备过程中树脂固化需要加热和烧结工序，这限制了线锯的生产速度，而在硅片生产等实际使用过程中的成本又太高。光固化树脂线锯可很大程度的提高生效率，且使用液态树脂作结合剂，属于无溶剂树脂，固化时没有有害物质挥发，对环境造成的污染小，但其使用过程中磨粒很容易脱落。经试验[6]发现，其切割玻璃具有一定效果但切割后线锯表面有部分树脂及金刚石脱落。因此，应加强对在提高树脂结合剂金刚石线锯生产速度的同时，怎么增加结合剂对磨料的把持力进行研究。以制备出更小直径、更长使用寿命、更高生产效率的树脂线。2.2钎焊金刚石线锯鉴于树脂线锯对磨粒的把持力比较弱且生产效率低，钎焊金刚石线锯很好的弥补了这一缺点。其利用高温钎焊，让金刚石和钎料在金属基体的表面上发生熔融、浸湿、扩散、化合等化学冶金反应，以形成高强度的结合。与树脂线相比，钎焊金刚石线锯结合强度高、使用寿命长；磨粒刃口高度大、切割效率高；磨削力小、功率消耗小、磨削温度低。李松[7]等将绿色环保液体胶和Ni—Cr—B—Si粉末状钎料均匀混合成浆液，然后涂覆在芯线表面，把金刚石磨料均匀镶嵌在钎料涂层上，在保护气氛中加热至钎料融化，冷却后制成钎焊金刚石线锯。张发垒[8]等通过研究认为用气体保护感应加热钎焊工艺制备金刚石线锯，可提高线锯对金刚石磨粒的把持力，并对气体保护装置和钎焊工艺进行了研究，成功制备出了钎焊金刚石线锯。华侨大学[9]用自己发明的装置，可制备距离长、直径均匀、性能稳定的钎焊金刚石线锯。张国青[10]等利用铜基钎料钎焊制备小直径金刚石线锯，并探讨其切割过程断裂机理及行为的结果表明：钎焊金刚石线锯的断裂形式主要有韧性断裂和疲劳断裂，在切割过程中应选择较高的线锯走丝速度、较小的进给速度，以避免线锯的韧性断裂。如何减小钎焊过程中线锯基体的损伤、热应力是钎焊金刚石线锯制备的重点和难点。王波[11]等通过对高温钎焊金刚石线锯的研究表明，高温钎焊后线锯的整体机械性能比原始基体下降很多，这严重影响了线锯的加工性能。尽管钎焊金刚石线锯对磨料的把持力较强弥补了树脂线的缺点，但其由于本身机械强度低，切割过程中容易断裂也不能很好的应用于工业生产。在今后的工作中应该寻找更恰当的提高线锯寿命的热处理方法，减小基体的热损伤，改善线锯的机械性能。2.3电镀金刚石线锯电镀金刚石线锯就是在镀液中添加一定的金刚石磨料，当镀液中的金属离子在阴极还原成金属并沉积在线锯基体上时，将金刚石磨粒被包裹到镀层中，制成的一种线性锯切工具。其有效的克服了树脂线磨料把持力低容易脱落、钎焊金刚石线锯机械强度低容易断裂的缺点，实用性更强。其切割过程中具有切面光整、出材率高、切割效率高、节约能源、不受材料尺寸和形状限制等优点，特别适合宝石等贵重硬脆材料的加工。其制备工艺包括：前处理、预镀、上砂、加厚、后处理等程序，而这每一个过程都对线锯的生产效率、使用性能有着不同的影响。王亮亮[12]等通过研究认为：在预镀和加厚槽中安放刷镀装置，可缩短两个工序所需时间，提高生产效率。张景涛[13]以复合电镀的基本理论为基础，研究了影响上砂的工艺参数。结果表明：用镀覆金刚石颗粒替换普通的金刚石颗粒，上砂速度可以提高一倍以上，进而提高生产效率。为更好的研究线锯使用性能可通过切割实验并利用叠加原理和轨迹曲线计算建立锯切轨迹方程[14]，其为优化金刚石线锯的切割工艺参数提供了理论基础。高玉飞[15]在理论上对单晶硅各向异性的材料特性影响电镀线锯切割硅晶片的因素进行了探讨，发现：工艺参数一定时，切口两边材料的弹性模量分布关于线锯切入方向对称性，能有效的提高晶片表面质量；线锯切入方向同晶面内易开裂方向一致，能有效抑制晶片表面的破碎。为进一步改善线锯性能，Ge[16]等认为光亮镀液可提高电镀金刚石线锯的性能，并根据时间及电流密度对镀层的影响，设计出最佳生产工艺。王敬[17]等制备了具有绞合钢线芯的三丝绞合电镀金刚石线锯，通过实验发现三丝绞合电镀金刚石线锯具有磨损小、切割能力强等优点。为适应某些加工工艺，高伟[18]等研制了一种新型环形电镀金刚石线锯，其基体采用直径为0.8mm的65Mn钢丝制备，利用氩弧焊焊接接基体两端接口。其切缝寨，出材率高，特别适合单晶硅、宝石等贵重硬脆材料与各向异性复合材料的锯切，还能进行二维曲面的锯切加工。陈超[19]等通过实验说明了环形金刚石线锯的优异特性，其切割单晶硅材料表面粗糙度在0.328—0.6微米之间；切割蓝宝石表面粗糙度在0.473—0.7微米之间，具有较好的切割效果。高伟[20]用自制的环形电镀金刚石线锯，锯切石岛红花岗岩的试验表明：增大金刚石粒度不能大幅度提高切割效率，而线锯的进给压力及走丝速度对锯切效率有较大的影响，它们的增大可提高切割效率，但最有利的是提高线锯的走丝速度。为提高走丝速度侯志坚[21]设计制造了环形锯丝线锯床，能够实现环形线锯单方向连续运动，变速范围4.5—28m/s，可满足不同材料的切割要求，并可实现无级调速的伺服电机驱动和恒进给力驱动的两种进给方式。孟剑锋[22]通过研究认为在提高线锯机床的精度，充分体现较高加工效率、较好加工质量优势的同时，还应设计制作更长的环形固结金刚石锯丝以满足切割难加工超硬材料的要求。受焊接工艺、焊机功能的限制，还不能焊接直径小于0.2mm的钢琴丝及含碳量较高的材料，因此需要进一步研究新型焊接工艺方法及焊后热处理技术等。尽管电镀金刚石线锯在生产效率、磨料把持力等单方面的性能不如树脂线、钎焊线，但就整体使用性能前者优于后两者，且使用范围更广。电镀金刚石线锯通过生产工艺、走线速度、三丝绞合、环形线等方面的改善更好的提高了使用性能。但为了进一步改善其性能，在今后的工作中还应作更深入的研究，继续研究更加合理的生产工艺，提高线锯生产效率、降低生产成本，提高结合剂对磨粒的把持力、延长使用寿命，同时还应提高锯切设备精度、优化锯切质量。2.4固结磨料金刚石线锯新技术利用计算机优势模拟线锯的切割过程[23]，为改变磨粒大小、线速度、进给速度等参数来提高线锯切削能力的研究创造了有利条件。Kim[24]等人对多线锯的金刚石线锯做往复运动切割蓝宝石进行了实验，并设计出相应的切割良好的工艺。Gao[25]独自设计的具有一定生