小直徑釬焊金剛石線鋸制備關(guān)鍵技術(shù)的研究

張國(guó)青，周亮亮

（池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

釬焊金剛石磨粒技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了釬料層與金剛石磨粒的化學(xué)鍵結(jié)合，釬焊單層金剛石工具基體對(duì)金剛石磨粒把持力強(qiáng)，加工過(guò)程中幾乎不發(fā)生磨粒脫落現(xiàn)象。利用釬焊金剛石磨粒技術(shù)制備固結(jié)磨料線鋸，實(shí)現(xiàn)單晶硅材料的高效精密切割的研究工作早已開(kāi)展[1-3]。與傳統(tǒng)釬焊單層金剛石工具相比，無(wú)論是基體結(jié)構(gòu)尺寸，還是加工方式，小直徑釬焊金剛石線鋸都具有自身的特點(diǎn)和要求。首先，應(yīng)用于單晶硅切片的線鋸基體直徑一般要求0.3mm以下，較細(xì)的線絲基體在釬焊加熱過(guò)程中的熱損傷問(wèn)題不容忽視；其次，線鋸加工過(guò)程中不斷發(fā)生拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求焊后線鋸具備較高的綜合機(jī)械力學(xué)性能。因此，如何降低釬焊過(guò)程中小直徑線鋸基體的熱損傷，降低焊后線鋸的熱應(yīng)力，減少線鋸的表面裂紋，提高焊后線鋸的綜合機(jī)械力學(xué)性能，是當(dāng)前釬焊小直徑金剛石線鋸的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

文章利用管式加熱爐在氬氣保護(hù)氣氛下制備直徑0.3mm線絲基體的釬焊金剛石固結(jié)磨料線鋸，測(cè)試線鋸的機(jī)械力學(xué)性能，結(jié)合對(duì)線鋸的外觀形貌和顯微金相組織觀察，探討小直徑釬焊金剛石線鋸制備過(guò)程中的焊前預(yù)處理、釬焊溫度、走絲速度和加熱路線等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)焊后線鋸性能的影響機(jī)制，為小直徑釬焊金剛石線鋸早日應(yīng)用于單晶硅材料的切割加工做些基礎(chǔ)性工作。

1 釬焊制備工藝、設(shè)備與材料

1.1 線鋸釬焊制備工藝

線鋸的制備工藝路線如圖1所示。

圖1 線鋸制備工藝路線

線絲基體經(jīng)過(guò)表面去油污、去銹、粗糙化和弱腐蝕后，進(jìn)入線鋸?fù)扛布敖饎偸挪紮C(jī)構(gòu)1，制成線鋸復(fù)合體，再經(jīng)過(guò)線鋸的釬焊加熱系統(tǒng)2（見(jiàn)圖2），得到線鋸成品。從鋼絲基體到線鋸成品，整個(gè)制備過(guò)程實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)。

圖2 線鋸復(fù)合體制備機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 釬焊設(shè)備

線鋸的釬焊加熱系統(tǒng)如圖3所示，主要有進(jìn)絲機(jī)構(gòu)1、進(jìn)絲口2、管式爐3、出絲口4和繞絲機(jī)構(gòu)5組成，通過(guò)繞絲機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)線絲的走絲速度，從而控制線鋸處于管式爐各個(gè)加熱溫區(qū)的加熱時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制線鋸釬焊加熱過(guò)程中的升溫和冷卻速度。其中，管式加熱爐設(shè)有三個(gè)溫區(qū)，可以單獨(dú)設(shè)置溫度。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

線絲基體選用高強(qiáng)度的65Mn彈簧鋼絲，線絲直徑約0.3mm；金剛石為元素六PDA989，平均粒徑45μm；釬料為Ag-Cu-Ti合金粉末釬料，粒度300目；膠水為水溶性膠水，釬料與膠水的體積比為3：1。

2 線鋸制備的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 焊前預(yù)處理

基體的焊前預(yù)處理是所有釬焊單層金剛石工具制備的必備環(huán)節(jié)[4-7]，目的是為了去除基體表面的油污，增強(qiáng)釬料層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)于小直徑釬焊金剛石線鋸來(lái)說(shuō)，基體的預(yù)處理過(guò)程尤為重要。前期的研究表明，為了降低小直徑線絲基體和微粉級(jí)金剛石的熱損傷，小直徑釬焊金剛石線鋸的加熱時(shí)間一般較短，而釬焊時(shí)間是影響基體和釬料層之間結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，較短的時(shí)間內(nèi)，液態(tài)釬料中的元素與基體元素之間的相互擴(kuò)散難以充分進(jìn)行，因此，在預(yù)處理環(huán)節(jié)采用線絲基體表面弱酸腐蝕的工藝措施，使得基體表面露出新的晶格，增強(qiáng)基體與釬料之間的親和力，以此來(lái)補(bǔ)償由于釬焊時(shí)間短導(dǎo)致釬料層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度的減弱。另一方面，鋼絲基體外表面呈圓柱形，釬焊過(guò)程中液態(tài)釬料極易滑到線絲下表面，形成“釬料瘤”，因此，預(yù)處理時(shí)，需要對(duì)線絲表面進(jìn)行粗糙化處理，增強(qiáng)高溫釬焊時(shí)液態(tài)釬料與基體表面的吸附力。試驗(yàn)利用1000#砂紙打磨線絲基體，并用2%的酒精硝酸溶液對(duì)線絲基體進(jìn)行快速弱腐蝕。

圖4為經(jīng)過(guò)表面粗糙化和弱酸腐蝕后的焊后線鋸形貌，從圖中可以看出，釬料在線絲表面鋪展均勻，金剛石磨粒近似均布。圖5為預(yù)處理線鋸彎折后經(jīng)打磨的斷面形貌，界面處基體與釬料層結(jié)合緊密，并且，界面處釬料中的Cu及Ti元素向線絲基體發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖6所示。圖7為同樣釬焊制備工藝條件下，線絲基體僅經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單去油去污預(yù)處理線鋸的彎折后截面形貌，可以明顯看到釬料層脫落現(xiàn)象，說(shuō)明在較短釬焊時(shí)間內(nèi)釬料層與基體界面反應(yīng)不充分，兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度較低。

圖4 釬焊金剛石線鋸局部SEM照片

圖5 經(jīng)過(guò)特殊預(yù)處理的線鋸橫截面形貌

圖6 線鋸基體與釬料層界面SEM線掃描元素

圖7 未經(jīng)特殊預(yù)處理的線鋸橫截面形貌

2.2 釬焊溫度

加熱溫度是影響釬焊單層金剛石工具焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于典型的釬焊單層金剛石工具，如釬焊金剛石砂輪，釬焊溫度的選擇一般依據(jù)釬料的熔點(diǎn)，認(rèn)為釬焊溫度高于釬料熔點(diǎn)50℃-100℃為最佳，此時(shí)釬料融化完全，有利于釬料/金剛石以及釬料/基體之間的浸潤(rùn)。與典型釬焊單層金剛石工具相比，小直徑釬焊金剛石線鋸加熱溫度的選擇必須更加嚴(yán)謹(jǐn)。

前期大量的研究工作表明，釬焊溫度越高，線絲基體熱損傷和化學(xué)腐蝕越嚴(yán)重[8-10]，表1為不同釬焊溫度對(duì)線鋸機(jī)械力學(xué)性能影響對(duì)照表，從表中可以看出，隨著溫度的提高，線鋸的抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都急劇下降，當(dāng)釬焊溫度達(dá)到950℃時(shí)，線鋸的最大斷裂載荷下降了60%，已經(jīng)無(wú)法應(yīng)用于貴重硬脆材料的實(shí)際切割加工。因此，小直徑釬焊金剛石線鋸的溫度設(shè)置不能簡(jiǎn)單參照釬焊單層金剛石砂輪等工具的釬焊溫度，其原則是：在滿足釬料與金剛石磨粒浸潤(rùn)的前提下，溫度越低越好。

表1 線鋸機(jī)械力學(xué)性能隨釬焊溫度的變化

2.3 溫區(qū)分布及走絲速度

試驗(yàn)利用管式爐加熱，管式加熱爐設(shè)有三個(gè)溫區(qū)，可以單獨(dú)設(shè)置溫度，圖8為三個(gè)溫區(qū)溫度設(shè)置為650℃-860℃-400℃時(shí)爐腔實(shí)測(cè)溫度分布曲線，線鋸復(fù)合體先進(jìn)入圖2釬焊系統(tǒng)的進(jìn)絲口，然后依次進(jìn)入爐腔升溫區(qū)、釬焊區(qū)和降溫區(qū)，通過(guò)控制三個(gè)溫區(qū)的溫度和走絲速度，可以改變線鋸復(fù)合體的升溫速度和降溫速度，以此來(lái)獲得優(yōu)良的線鋸基體組織和較小殘余熱應(yīng)力。

圖8 爐腔溫度分布曲線（850℃-850℃-450℃）

65Mn彈簧鋼絲加熱到850℃后，在不同的冷卻條件下會(huì)得到不同的顯微組織。同時(shí)，由于金剛石磨粒的線膨脹系數(shù)與釬料中Ag、Cu和Ti三種元素的線膨脹系數(shù)相比，相差較大，在不同的冷卻速度條件下，線鋸產(chǎn)生的熱應(yīng)力也將有所不同，冷卻速度越快，熱應(yīng)力就會(huì)越大，線鋸表面產(chǎn)生的微裂紋越多。

65Mn鋼絲的一般熱處理工藝是淬火+中溫回火，得到回火索氏體，可以獲得優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)管式爐的三個(gè)獨(dú)立溫區(qū)溫度，并設(shè)置相適應(yīng)的走絲速度，實(shí)現(xiàn)線鋸釬焊過(guò)程中的自回火，降低線鋸熱應(yīng)力，減少線鋸的表面微裂紋。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定三個(gè)溫區(qū)的溫度依次為：680℃-850℃-600℃，線鋸處于加熱區(qū)的時(shí)間為60s，此時(shí)線鋸形貌見(jiàn)圖2所示，其顯微組織見(jiàn)圖9，明顯呈回火索氏體形態(tài)，圖中出現(xiàn)了白亮的大塊馬氏體，考慮是加熱過(guò)程中組織發(fā)生偏析。圖10為加熱時(shí)間60s、不分溫區(qū)條件下制備的線鋸形貌，與圖4線鋸形貌相比，可以明顯看到線鋸表面分布較多的裂紋。

圖9 基體顯微組織（60s，三溫區(qū)）

圖10 線鋸表面微裂紋形貌（60s，不分溫區(qū)）

表2為兩種釬焊金剛石線鋸的機(jī)械力學(xué)性能對(duì)照表，從表中可以看出，其它釬焊制備條件相同時(shí)，將管式爐三個(gè)溫區(qū)設(shè)置為680℃-850℃-600℃和單純的850℃-850℃-850℃，制備的兩種線鋸抗拉強(qiáng)度變化不大，但是抗扭強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度變化較大，說(shuō)明表面裂紋是導(dǎo)致線鋸發(fā)生扭轉(zhuǎn)或彎曲破壞的直接原因[11-13]。

表2 兩種線鋸機(jī)械力學(xué)性能對(duì)照表

2.4 線鋸釬料層與金剛石界面結(jié)合強(qiáng)度評(píng)價(jià)

利用上述關(guān)鍵技術(shù)，制備小直徑釬焊金剛石線鋸，采用大幅度反復(fù)彎曲后施加機(jī)械敲擊的方式，將金剛石磨粒從線鋸表面拔出，圖11（a）為金剛石磨粒脫落后的凹坑，圖11（b）為凹坑表面的能譜線掃描結(jié)果。從圖中可以看出，凹坑壁并非是光滑的表面，存在明顯的“撕裂”痕跡，表明釬料層對(duì)金剛石磨粒的把持方式并非是純機(jī)械式鑲嵌。從圖11（b）可以看出，沿凹坑表面進(jìn)行能譜線掃描，Ti元素存在明顯的濃度梯度，凹坑范圍內(nèi)濃度高，凹坑范圍以外濃度低，且在凹坑內(nèi)Ti元素的分布存在高濃度區(qū)，這些高濃度區(qū)又相對(duì)獨(dú)立分散，表明在線鋸的制備工藝條件下，由于釬焊時(shí)的保溫時(shí)間較短，生成的點(diǎn)狀TiC并未完全連成片。

圖11 金剛石磨粒凹坑表面元素分布

3 結(jié)語(yǔ)

線絲基體的焊前熱處理、釬焊溫度的設(shè)置、走絲速度的調(diào)節(jié)和加熱路線的設(shè)計(jì)，是制備小直徑釬焊金剛石線鋸的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：線絲基體焊前的粗糙化和弱酸腐蝕，可以增強(qiáng)線絲基體與釬料層之間的結(jié)合強(qiáng)度；小直徑釬焊金剛石線鋸的加熱溫度的設(shè)置不同于傳統(tǒng)釬焊單層金剛石工具，其釬焊溫度僅高于釬料熔點(diǎn)30℃左右；通過(guò)單獨(dú)設(shè)置管式加熱爐三個(gè)溫區(qū)，并結(jié)合走絲速度的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)線鋸基體的自回火，得到回火索氏體組織，其機(jī)械力學(xué)性能較好，并適當(dāng)降低了線鋸焊后熱應(yīng)力，線鋸表面微裂紋較少。