電鍍金剛石線鋸的研究現狀與發(fā)展

劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司,鄭州 450001)

電鍍金剛石線鋸的研究現狀與發(fā)展

劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司,鄭州 450001)

文章綜述了電鍍金剛石線鋸的構造和特點以及制備工藝過程,并對其應用情況進行了簡要介紹,對目前存在的問題進行了初步的探討,并就未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

電鍍金剛石線鋸;制備工藝;綜述

1 概述

本文對電鍍金剛石線鋸的構造、特點及其制備工藝進行綜述,旨在為開展金剛石線鋸的研究和生產提供一定的參考。

2 電鍍金剛石線鋸的構造和特點

電鍍金剛石線鋸由鋼絲母線、鍍層金屬(一般為鎳)和金剛石構成,其結構如圖1所示。鋼絲母線為承載母線,金屬鍍層為結合劑,將金剛石固定在鋼絲母線上用來進行切割[3]。電鍍金剛石線鋸根據切割要求可以制成不同直徑和長度,從而可以對硅棒、藍寶石等進行截斷、開方、切片等切割加工。

圖1 電鍍金剛石線鋸示意圖Fig.1 diagram of electroplated diamond wire saw

與砂漿切割相比,電鍍金剛石線鋸切割具有獨特的優(yōu)點:(1)高生產效率:使用傳統(tǒng)砂漿切割技術,切割6.5寸硅棒約需6～7小時;而金剛石線切割只需2～3小時,生產效率提升了2～3倍。(2)高產品質量:(a)轉化效率高:金剛石線切割控制精度高,硅片表面損傷層小(10μm以下),硅片表面為規(guī)律的線痕(金剛石線切割硅片特性),從而增加了硅片表面的吸光面積、降低了反射率,從而使得硅片光電轉化效率提升0.2%～0.4%。(b)控制精度高:金剛石線切割硅片的TV、TTV、線痕大小情況等性能上均優(yōu)于傳統(tǒng)硅片。(c)綠色環(huán)保:金剛石線切割因采用固結金剛石線作為磨料,不需使用碳化硅,切割液采用水溶性的環(huán)保切割液,大大減少了環(huán)境污染的發(fā)生,基本實現了綠色生產。(d)廢物可利用:在切割過程中會產生40%左右的硅粉,傳統(tǒng)的砂漿切割因雜質含量多,物化特性相似難以回收,而金剛石線切割產生的硅粉,理論計算純度即達到99%以上,經提純后將可達到99.9999%的標準,可重新用于晶體的生長。(e)電鍍金剛石線鋸由于線徑小,切割時切口損失少,可以節(jié)省硅、藍寶石等貴重原材料,減少了生產成本。

3 電鍍金剛石線鋸的制備工藝

3.1 制備電鍍金剛石線鋸的基本材料

(1)母線材料

為了滿足切割要求,電鍍金剛石線鋸的母線材料必須具有抗拉強度高且韌性好的性能,同時為便于電鍍,母線表面電極電位應低于沉積金屬的電位,一般選擇表面鍍黃銅的鋼絲線作為母線,母線的直徑和長度應根據被切割加工材料、切割方式、切割設備等來確定。目前,用于切割加工的電鍍金剛石線鋸的母線直徑一般都在0.1～0.4 mm之間。

學生帶著問題看完之后，有一兩分鐘的時間進行同桌之間和前后桌之間進行討論，之后教師隨機選擇學生對問題進行回答。學生對于第一個的回答中基本上都提到他們了解到一些印度的文化，比如吃飯用右手，左手被認為不潔凈，印度人也愛問一些在西方人眼中涉及隱私的問題等。對于第二個問題的回答多數說“有意思”、“有趣”，尤其是對于左手被認為不潔凈這個現象感覺“奇怪”“不可思議”。通過這兩個問題的引導以及視頻的觀看，學生的興趣和討論的熱情被激發(fā)出來了。筆者繼續(xù)發(fā)問：

(2)金剛石

金剛石作為切割材料,與砂漿切割不同,金剛石是通過鍍層金屬固結在不銹鋼母線上的。由于切割對于線鋸的線徑具有一定的要求,因此為了線鋸的線徑穩(wěn)定,金剛石粒度、金屬鍍層厚度、母線線徑三者之間必須互相匹配,方能使電鍍金剛石線鋸具有耐磨、牢固、切割能力強的特點。從電鍍角度來說,電鍍金剛石線鋸屬于復合電鍍制品,金剛石改變了鍍層的磨損機制,使得復合鍍層具有更好的耐磨性,因此,金剛石必須具有一定的粒度。

(3)電鍍液

電鍍金剛石線鋸一般采用復合電鍍鎳-金剛石的方法制造的,這種鍍液的配方有很多種,常見的是瓦特型鍍液,但是對于用于切割的電鍍金剛石線鋸來說,要求具有較好的柔韌性,即要求鍍層內應力小,對金剛石的包裹性好,因此工業(yè)生產上一般采用氨基磺酸鎳為主鹽的鍍液,其具有沉積速度快、鍍層內應力小的優(yōu)點,有利于提高生產速度,降低生產成本。

3.2 電鍍金剛石線鋸的制備工藝

(1)金屬絲母線鍍前預處理

金屬絲母線鍍前預處理的目的是要獲得結合力牢固的鍍層。電鍍金剛石線鋸的預處理工序與普通電鍍的預處理工序一樣:堿洗和酸洗。堿洗的目的是去除母線表面的油污,而酸洗的目的是去除母線表面的附著物——銹及表層的氧化物,以露出正常的金相組織,使得在電鍍時獲得結合力良好的鍍層。

(2)電鍍

復合電鍍的工序一般包括上砂和加厚鍍。

a)上砂

上砂是把金剛石作為第二相粒子復合電鍍到金屬絲上的過程,是整個復合電鍍中最為關鍵的部分。目前主要有兩種上砂方法:落砂法和埋砂法。落砂法主要是通過攪拌使得金剛石能夠懸浮在鍍液中,金剛石在鍍液中容易吸附鍍液中的H+離子而帶正電,同時金屬絲為負極,帶負電,由于受到電吸附的作用將帶電的金剛石吸附到金屬絲附近,同時與鍍液中的Ni2+離子共同放電,Ni2+離子放電以金屬鎳的形式沉積到金屬絲上,同時將金剛石固結在金屬絲上,從而完成上砂過程。而埋砂法,顧名思義就是將陰極金屬絲埋入有鍍液通過的金剛石中,使得金剛石與金屬絲緊密接觸,從而保證上砂均勻。目前這兩種方法在生產中都有應用,一般認為較細的金剛石適用于落砂法,較粗的金剛石適用于埋砂法。

b)加厚鍍

上砂時,與金剛石同時沉積到金屬絲上的金屬鍍層一般都很薄,需要后續(xù)的加厚鍍來提高金屬鍍層的厚度以達到提高金屬鍍層對金剛石把持力的目的,加厚鍍鍍液一般不含金剛石,加厚鍍電流以及鍍槽的數目應以達到所需的金屬鍍層的厚度為標準進行設計。

c)后處理

電鍍時,在陰極上除了析出金屬外,還有一部分的H+離子在陰極上還原,其中一部分以H2的形式放出,另一部分氫則會以氫原子的形式進入鍍層和基體金屬內部。金屬相中存在著由表面擴散進來的氫原子,在金屬內部復合為氫分子,或與金屬中夾雜的碳形成CH4,使得鍍層韌性降低發(fā)脆,導致鍍層與基體結合力降低,發(fā)生“氫脆”現象[4]。因此,為了防止“氫脆”現象的發(fā)生和減少鍍層殘余應力,增加鍍層的硬度和耐磨性,電鍍完成后一般還要除氫和進行后續(xù)處理過程,一般都采用高溫烘烤除氫的工藝來提高鍍層的硬度和耐磨性。

4 電鍍金剛石線鋸的應用現狀

在目前的硅切割應用中,不同切割工序,對于電鍍金剛石線鋸都有不同的線徑要求。在切片工序中,往往需要細的電鍍金剛石線,目前的線徑在0.1 mm左右,常見的規(guī)格有0.12 mm、0.11 mm、0.1 mm。目前硅片切割市場,要求電鍍金剛石線鋸線徑越細越好,根據有關資料顯示,在日本,線徑為0.09 mm,甚至0.08 mm的制備技術已經非常成熟,而在國內目前最好也就能做到線徑為0.1 mm,而且制備技術也不穩(wěn)定。用于硅開方和硅截斷的電鍍金剛石線鋸線徑一般在0.3～0.4 mm之間,常見的規(guī)格有0.35 mm、0.37 mm等。線徑在0.2～0.3 mm的電鍍金剛石切割線通常用來切割藍寶石。除了切割硅片和藍寶石外,電鍍金剛石切割線還可以對陶瓷、稀土磁,例如壓電陶瓷、釹鐵硼、強力磁鐵、稀土磁鐵、鐵氧體等進行精密切割,具體如圖2所示:

圖2 電鍍金剛石線鋸的各種用途Fig.2 different applications of electroplated diamond wire saw

5 我國電鍍金剛石線鋸的產業(yè)發(fā)展

我國電鍍金剛石線鋸產品的研發(fā)是根據光伏光電市場的急切需求而產生和發(fā)展的。我國最早進行金剛石線鋸的研究工作可以追溯到1992年,哈爾濱科技大學張國林等在《哈爾濱科技大學學報》上發(fā)表了“電鍍金剛石絲鋸的開發(fā)研究”一文,這是我國已發(fā)表的第一篇關于電鍍金剛石線鋸的研究論文。2010年以后,隨著電鍍金剛石線鋸受到業(yè)內人士的普遍重視,電鍍金剛石線鋸技術及其產業(yè)迎來了飛速發(fā)展階段,主要表現在:

(1)數家超硬材料企業(yè)相繼采購了制造設備開始了電鍍金剛石線鋸的研究開發(fā)工作;

(2)制造設備逐步實現了國產化,并不斷得到了改進;

(3)產業(yè)規(guī)模不斷擴大,市場應用逐步擴展。

我國電鍍金剛石線鋸產業(yè)從2009年開始起步,只用了短短幾年的時間就形成產業(yè)規(guī)模。2009年,國內首家實現電鍍金剛石線鋸生產的企業(yè)——長沙岱勒新材料科技有限公司成立,2011年,河南黃河旋風股份有限公司開始了金剛石線鋸開發(fā)準備工作,并于2012年初建成了兩條生產線,每條生產線可生產電鍍金剛石線鋸6～8根,此外,江蘇中博鉆石科技有限公司、南京三超金剛石工具有限公司、江西金葵能源科技有限公司、盛利維爾新材料技術有限公司等企業(yè)也都相繼研究開發(fā)了電鍍金剛石線鋸,產業(yè)規(guī)模逐漸顯現。2011年8月8日,鄭州華晶金剛石股份有限公司成立了全資子公司——華晶精密制造有限公司,從德國進口了專用設備開始了金剛石線鋸的研究開發(fā),在此基礎上,公司自主研發(fā)了電鍍金剛石線鋸專用設備,該設備性能穩(wěn)定,生產速率可達5～10 m/ min,鍍槽內溫度偏差可控制在1℃以內,電鍍液p H波動≤0.1,生產過程中走線速度偏差≤0.1 m/ min,整個電鍍系統(tǒng)內循環(huán),無物料排放,生產過程環(huán)保清潔。目前公司共有生產線112條,可生產0.1～ 0.42 mm不同線徑的電鍍金剛石線鋸,產品基本覆蓋了電鍍金剛石線鋸的使用范圍,目前公司產能在2萬公里/月,規(guī)模優(yōu)勢與質量優(yōu)勢能夠滿足客戶深層次的需求。

6 電鍍金剛石線鋸未來發(fā)展方向

隨著太陽能行業(yè)的發(fā)展,如何降低生產成本是當前行業(yè)發(fā)展較為迫切的問題。而硅棒的截斷、開方、切片是降低成本的重要環(huán)節(jié),采用效率高、切損小、切割質量好的電鍍金剛石線鋸是必然趨勢。

就當前電鍍金剛石線鋸切割硅片的使用情況來看,還需要在以下幾個方面進行深一步的研究:

(1)金屬線母線的研究。目前電鍍金剛石線鋸所使用的金屬絲母線主要是鍍黃銅鋼絲線,其力學性能還有限,找到具有更好力學性能的金屬絲母線是未來重要的研究方向之一。

(2)目前電鍍金剛石線鋸的使用壽命還不盡如人意,進一步提高金剛石的把持力、耐磨性以及切割性能將成為電鍍金剛石線鋸重要的研究方向。

(3)電鍍設備、電鍍技術的研究。電鍍金剛石線鋸生產設備的金剛石懸浮濃度的控制、上砂均勻性等技術有待于進一步研究。

(4)切割機理的研究。目前在硅片切割過程中,存在著切割線痕、厚薄不均等問題,因此深入研究電鍍金剛石線鋸切割機理,改善切割效果,也是重點的研究方向。

[1] 中國超硬材料工業(yè)五十年[M].鄭州:河南科學技術出版社, 2013.

[2] Murata R.Study on machining characteristics of diamond abrasive wire[J].J Mechancial Engineering Lab,1987,41(5):236.

[3] 蔣燕麟,馮吉福,王進寶,等.硅切割用電鍍金剛石線鋸的研究現狀[J].超硬材料工程,2012(3):43-48.

[4] 王秦生.超硬材料制品[M].鄭州:鄭州大學出版社,2006.

Current Research Status and Development of Electroplated Diamond Wire Saw

LIU Yong-qi
(Zhengzhou Sino-Crystal Diamond Co.,Ltd,Zhengzhou,China 450001)

The structure,characteristics and preparation process of electroplated diamond wire saw have been summarized in this article.The application of it has also been briefly introduced.Meanwhile,the existing problems have been preliminary discussed and the future development trend has been predicted.

electroplated diamond wire saw;preparation process

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0048-04

2015-02-02

劉永奇,男,現任鄭州華晶金剛石股份有限公司總經理,參與并完成研制開發(fā)的1個項目通過河南省科技廳技術鑒定,并獲得科技成果證書,主要從事人造金剛石合成及電鍍金剛石線鋸的研究與開發(fā)工作。

劉永奇.電鍍金剛石線鋸的研究現狀與發(fā)展[J].超硬材料工程,2015,27(1):48-51.