電鍍金工藝介紹

從電鍍金剛石工具看金剛線

郭森林

電鍍金剛線，主要應(yīng)用于光伏級硅片的開方和切片，屬于金剛石鋸切制品，也是電鍍金剛石工具。與金剛線類似的鋸切工具還有金剛石繩鋸、金剛石絲鋸。比如金剛石絲鋸，它也是在鋼絲表面鍍上金剛石磨粒，一般用于手工往復(fù)拉加工玉石、瑪瑙、水晶工藝品的內(nèi)孔面，也可以用在臺式絲鋸機上作往復(fù)運動，用于曲線、直線切割，還可像金剛石繩鋸那樣，將它繞到兩個絞輪上，張緊后用于切斷作業(yè)。

從上面的描述，是不是感覺到它們很像呢？所以，岱勒、三超，與許多做金剛石鋸片的企業(yè)一樣，都是中國機床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會的會員。

由于多晶硅線切市場的爆發(fā)，金剛線今年異常火爆，預(yù)期這種局面還會延續(xù)一段時間，所以很多鋼絲、碳化硅、金剛石、光伏企業(yè)也紛紛進入了這個領(lǐng)域，欲分一杯羹。為了讓大家更好地認識金剛線，本文從電鍍金剛石工具的角度淺析下金剛線的結(jié)構(gòu)特點和使用性能。

1、電鍍金剛石工具的特點

既然金剛線屬于電鍍金剛石工具，那我們就先了解一下電鍍金剛石工具的結(jié)構(gòu)及特點。圖1是電鍍金剛石工具的結(jié)構(gòu)，可見其結(jié)構(gòu)包括三部分組成：基體、鍍層（多是電鍍鎳）、磨料。其中，磨料彌散分布在金屬鍍層里，共同組成工作層，起磨削作用；基體具有一定的幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度，起支持電鍍層的作用。

圖1 電鍍金剛石工具的結(jié)構(gòu)示意圖

電鍍金剛石工具具有以下特點：

1結(jié)構(gòu)特點

電鍍金剛石工具只有鋼基體和電鍍工作層兩個部分，電鍍層沉積金屬厚度一般為金剛石粒徑的1/2~2/3，同燒結(jié)金剛石工具相比（釬焊工具除外）是非常薄的。

由于電沉積工藝的特殊性，采用電鍍方法可以制造出各種復(fù)雜型面或者特別小、特別薄的金剛石工具，且制造出來的工具精度特別高。

2鍍層特點

電鍍金剛石工具的電鍍層金屬是通過電結(jié)晶形成的，在電鍍預(yù)處理、工藝控制適當?shù)那闆r下，鍍層十分致密，幾乎沒有氣孔。所以電鍍金剛石工具是所有磨具中組織最致密的一種（釬焊金剛石工具組織也極其致密），鍍層對金剛石顆粒的接觸最充分、把持力特別大。正是因為鍍層致密、對金剛石結(jié)合牢固，才可以使用高濃度（埋砂法金剛石嵌入鍍層中的濃度可高達200%）而不導(dǎo)致磨粒過早脫落，而這是其它方法（除釬焊外）制造的金剛石工具所不能比擬的。

由于電鍍金剛石工具多采用鎳或鎳鈷合金做結(jié)合劑，加上組織致密，所以鍍層硬度很高，甚至能達到HRC40，明顯高于其它類型的金剛石工具，因此電鍍金剛石工具從單層角度看是特別耐磨的（僅次于釬焊金剛石工具）。

鍍層中嵌入的金剛石既可以通過埋砂法隨機分布和得到高濃度，也可以有序排列和人為控制金剛石的濃度，對于后者，可以更好地發(fā)揮金剛石的作用和改善排屑，提高磨削效果。

3使用特點

由于電鍍金剛石工具磨料濃度高，在相同磨削速度時，其加工效率明顯高于其它工具；由于顆粒數(shù)目多，單顆磨粒負荷較小，磨耗較少，因而就同樣厚度的工作層而言，電鍍工具耐磨性特別高；由于耐磨，因而電鍍工具的形狀保持性就好，加工精度自然也高；單層電鍍工具，磨料出刃高度高，因此切削鋒利，易于排屑，摩擦力小發(fā)熱少。

綜上，單層電鍍金剛石工具使用特點為加工效率高、磨削比高、形狀和精度保持性好、加工精度高等。但因為是單層，總的壽命相對較低。也有多層電鍍金剛石工具，但因電鍍組織致密、硬度高、韌性大，第一層金剛石用完后工具的自銳性差，需要通過加大磨削力、提高冷卻液流量等方式改善。

電鍍金剛石工具的制造過程是低溫電沉積過程，不會對金剛石產(chǎn)生不利的熱影響，因此使用時金剛石品質(zhì)不會有任何下降，這對磨削加工十分有利。

2、電鍍金剛線的特點

對比電鍍金剛石工具的特點，我們一一來說：

1結(jié)構(gòu)特點

圖2是電鍍金剛線的結(jié)構(gòu)。與電鍍金剛石工具相一致：鋼絲是基體，起支持電鍍層的作用；金剛石彌散分布在電鍍層里，與電鍍層一起構(gòu)成工作層，起磨削作用。電鍍層沉積金屬厚度一般為金剛石粒度的1/2~2/3，也就是說，金剛石出刃高度一般在金剛石粒徑的1/3~1/2。

圖2 電鍍金剛線的結(jié)構(gòu)示意圖

鋼絲起支持鍍層的作用，所以鋼絲必須滿足：a.要有足夠的力學性能；b.與鍍層的親和性要好。

足夠的力學性能，也就是說鋼絲的抗拉強度 、屈服強度 、剛性（圈徑）、抗扭強度等技術(shù)指標符合預(yù)定的要求。鋼線自身性能差，即使工作層再好，一旦切割時斷線也是不合格品，將嚴重影響使用性能。

鍍層親和性，也就是說鍍層與鋼絲之間的界面結(jié)合力要強。金剛石鋸片，為了加強鋼基體與金剛石燒結(jié)節(jié)塊的結(jié)合力，必要時會增加過渡層，有時會將鋼基體外圓做成鋸齒狀或噴砂。對金剛線來說，母線表面活化處理也就是為了增加鋼絲與鍍層的親和性，提高與鍍層的結(jié)合力。如何評價鍍層結(jié)合力，這也是企業(yè)要考慮的。裸線與線鋸成品之間抗拉、抗扭強度檢測結(jié)果的變化，通常強度值是變大的。變化的大小在一定程度上反映了金剛線鍍層的結(jié)合強度，增量越大說明鍍層結(jié)合強度越高。目前多是采用纏繞法，通過顯微鏡目力觀察來檢驗結(jié)合強度，該方法不便量化定標，不妨將強度變化的檢驗方法作為檢測鍍層結(jié)合強度的一種參考方法。（具體見：線鋸講座— 第四講：電鍍金剛線的產(chǎn)品質(zhì)量控制（4））

2鍍層特點

電鍍工具的耐磨性高、形狀保持性好、切割精度高等性能優(yōu)點得益于鍍層的致密性、對磨料的把持性。對金剛線產(chǎn)品來講，我們不希望切割作業(yè)時有金剛石脫落，所以要求鍍層致密、對金剛石把持牢固。

鍍層致密，相應(yīng)的鍍層表面小顆粒就要少，不能太過粗糙，這由“出刃高度數(shù)量分布圖”可以反映。圖3是兩款金剛線產(chǎn)品的出刃高度數(shù)量分布圖，圖3-a的出刃高度在1-2μm、2-3μm的數(shù)量（綠色柱狀圖）明顯比圖3-b多，這反映了圖3-a的金剛線鍍層表面小顆粒較多，鍍層致密度較差。

圖3 出刃高度數(shù)量分布圖

鍍層對金剛石把持牢固，需要鍍層與金剛石的浸潤性好，所以現(xiàn)在金剛線多采用鍍鎳的金剛石微粉，增加與鎳鍍層的浸潤性。而鍍覆厚度、鍍覆表面粗糙度等指標與線鋸生產(chǎn)工藝有關(guān)（尤其是上砂工藝），微粉鍍覆的活性與上砂工藝的匹配，這是決定電鍍上砂好壞的重要因素。

鍍層金剛石濃度，也就是我們常說的金剛石出刃率，直接影響切割效率，也是影響金剛線質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標。一般情況，電鍍方法對金剛石的把持力很強，即使金剛線到達壽命，也不應(yīng)該有脫粒，這也是電鍍金剛線可以有很高出刃率的前提條件。比如，美暢推出的“高效線”，出刃率達到近600粒/mm，正是以鍍層把持牢固和磨粒分散均勻為前提的。

金剛石濃度，或者說出刃率，現(xiàn)在的金剛線產(chǎn)品差別很大，從不到100粒/mm，到大于500粒/mm，由于切片企業(yè)缺少檢測儀器（較多使用電鏡點數(shù)）和使用經(jīng)驗（出刃率與切割參數(shù)的匹配），現(xiàn)在對這個指標并不是很重視，而且在金剛線生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)不成熟、不穩(wěn)定的現(xiàn)狀下，想要生產(chǎn)出刃率不同的系列產(chǎn)品難度較大，但我們要明白，這個是必然趨勢！大家還是要錘煉內(nèi)功，多做研究！

電鍍金剛石工具的出刃高度一般在金剛石粒徑的1/3~1/2，出刃高度大，這也是電鍍制品鋒利、效率高的原因之一?，F(xiàn)狀的金剛線產(chǎn)品，部分企業(yè)的工藝并不是太成熟，出刃高度往往不夠，也就是埋沒太多，或者鍍層表面有一些虛高的磨?；蛘邎F聚鎳瘤，需要開刃。如果工藝成熟可靠，可以保證出刃高度，當然可以不開刃。

3使用特點

金剛線作為金剛石鋸切工具，具有鋸切工具相同的使用特點，而且，因其基體是鋼絲，具有一定撓度，又有其獨特的特點。

表征切割效果的參數(shù)主要有：切割效率、線鋸耐用度、切縫大小、切割缺陷。切割效率指單次切割用時；線鋸耐用度指單次切割所用線長；切割缺陷主要有線弓比、ＴＴＶ、線痕、刀紋等。

從以上對金剛線鍍層特點的分析可以看出來，影響金剛線切割效果的自身因素主要有：鍍層致密度、鍍層強度、出刃高度、出刃率、金剛石分散均勻性（堆積直徑）、包絡(luò)絲徑。對金剛線使用者來說，必須要能根據(jù)金剛線的特點，科學合理地匹配切割工藝參數(shù)，這樣才能將金剛線物盡其用，才能真正地“用對”、“用好”。

比如，出刃率高、鍍層強度好、堆積直徑?。唇饎偸稚⒕鶆颍┑慕饎偩€，可以高走線速度、大進給量；低出刃率、鍍層強度好的金剛線，也可以使用較快的走線速度，但進給量要適當。另外，還要結(jié)合切割機的功率、整體剛性、精度等情況，即使是“高效線”，如果切割機功率低，也會“小馬拉大車”，不能“物盡其用”。

3、后記

以上我們從電鍍金剛石工具的角度簡單地分析了電鍍金剛線的一些特點，這有助于大家理解金剛線產(chǎn)品，并對優(yōu)化使用有幫助。由于才疏學淺，不免有誤，歡迎大家多提意見，多多交流。

注：首發(fā) 公眾號“金剛線與線鋸微粉”