電鍍金

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(jí)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(tái)式絲鋸機(jī)上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于曲線、直線切割，還可像金剛石繩鋸那樣，將它繞到兩個(gè)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(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)的會(huì)員。

由于多晶硅線切市場(chǎng)的爆發(fā)，金剛線今年異常火爆，預(yù)期這種局面還會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，所以很多鋼絲、碳化硅、金剛石、光伏企業(yè)也紛紛進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域，欲分一杯羹。為了讓大家更好地認(rèn)識(shí)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(diǎn)和使用性能。

1、電鍍金剛石工具的特點(diǎn)

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(diǎn)。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(diǎn)：

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電鍍金剛石工具只有鋼基體和電鍍工作層兩個(gè)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(lái)的工具精度特別高。

2鍍層特點(diǎn)

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(dāng)?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(duì)金剛石顆粒的接觸最充分、把持力特別大。正是因?yàn)殄儗又旅?、?duì)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(dá)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(dá)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(jī)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(duì)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(diǎn)

由于電鍍金剛石工具磨料濃度高，在相同磨削速度時(shí)，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(fù)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(diǎn)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?yàn)槭菃螌樱偟膲勖鄬?duì)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(huì)對(duì)金剛石產(chǎn)生不利的熱影響，因此使用時(shí)金剛石品質(zhì)不會(huì)有任何下降，這對(duì)磨削加工十分有利。

2、電鍍金剛線的特點(diǎn)

對(duì)比電鍍金剛石工具的特點(diǎn)，我們一一來(lái)說(shuō)：

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(shuō)，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(xué)性能；b.與鍍層的親和性要好。

足夠的力學(xué)性能，也就是說(shuō)鋼絲的抗拉強(qiáng)度 、屈服強(qiáng)度 、剛性（圈徑）、抗扭強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)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(shí)斷線也是不合格品，將嚴(yán)重影響使用性能。

鍍層親和性，也就是說(shuō)鍍層與鋼絲之間的界面結(jié)合力要強(qiáng)。金剛石鋸片，為了加強(qiáng)鋼基體與金剛石燒結(jié)節(jié)塊的結(jié)合力，必要時(shí)會(huì)增加過渡層，有時(shí)會(huì)將鋼基體外圓做成鋸齒狀或噴砂。對(duì)金剛線來(lái)說(shuō)，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(píng)價(jià)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(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的變化，通常強(qiáng)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(qiáng)度，增量越大說(shuō)明鍍層結(jié)合強(qiáng)度越高。目前多是采用纏繞法，通過顯微鏡目力觀察來(lái)檢驗(yàn)結(jié)合強(qiáng)度，該方法不便量化定標(biāo)，不妨將強(qiáng)度變化的檢驗(yàn)方法作為檢測(cè)鍍層結(jié)合強(qiáng)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(diǎn)

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(diǎn)得益于鍍層的致密性、對(duì)磨料的把持性。對(duì)金剛線產(chǎn)品來(lái)講，我們不希望切割作業(yè)時(shí)有金剛石脫落，所以要求鍍層致密、對(duì)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(duì)金剛石把持牢固，需要鍍層與金剛石的浸潤(rùn)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(rùn)性。而鍍覆厚度、鍍覆表面粗糙度等指標(biāo)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(shuō)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。一般情況，電鍍方法對(duì)金剛石的把持力很強(qiáng)，即使金剛線到達(dá)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(dá)到近600粒/mm，正是以鍍層把持牢固和磨粒分散均勻?yàn)榍疤岬摹?/p>

金剛石濃度，或者說(shuō)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(cè)儀器（較多使用電鏡點(diǎn)數(shù)）和使用經(jīng)驗(yàn)（出刃率與切割參數(shù)的匹配），現(xiàn)在對(duì)這個(gè)指標(biāo)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(gè)是必然趨勢(shì)！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粒或者團(tuán)聚鎳瘤，需要開刃。如果工藝成熟可靠，可以保證出刃高度，當(dāng)然可以不開刃。

3使用特點(diǎn)

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(diǎn)，而且，因其基體是鋼絲，具有一定撓度，又有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

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(shí)；線鋸耐用度指單次切割所用線長(zhǎng)；切割缺陷主要有線弓比、ＴＴＶ、線痕、刀紋等。

從以上對(duì)金剛線鍍層特點(diǎn)的分析可以看出來(lái)，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(qiáng)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(duì)金剛線使用者來(lái)說(shuō)，必須要能根據(jù)金剛線的特點(diǎn)，科學(xué)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(duì)”、“用好”。

比如，出刃率高、鍍層強(qiáng)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(jìn)給量；低出刃率、鍍層強(qiáng)度好的金剛線，也可以使用較快的走線速度，但進(jìn)給量要適當(dāng)。另外，還要結(jié)合切割機(jī)的功率、整體剛性、精度等情況，即使是“高效線”，如果切割機(jī)功率低，也會(huì)“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(jiǎn)單地分析了電鍍金剛線的一些特點(diǎn)，這有助于大家理解金剛線產(chǎn)品，并對(duì)優(yōu)化使用有幫助。由于才疏學(xué)淺，不免有誤，歡迎大家多提意見，多多交流。

注：首發(fā) 公眾號(hào)“金剛線與線鋸微粉”