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高玉飛 葛培琪山東大學機械工程學院，濟南250061;高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南250061

       摘要：本文進行了采用復合電鍍法制備電鍍金剛石鋸絲試驗，重點分析了上砂與鍍層加厚階段采用不同的陰極電流密度與時間，對鋸絲復合鍍層外觀質量、鋸絲表面金剛石磨粒含量和磨粒埋入深度的影響。研究結果表明，當鋸絲表面固結粒度為20μm的金剛石磨粒時，上砂與鍍層加厚階段均可采用2．0A/dm2的陰極電流密度，對應的最佳電鍍時間分別為7 min與18 min，制備的金剛石鋸絲鍍層緊密細致，電鍍沉積速率較高，表面磨粒分布均勻，磨粒含量與埋入鍍層深度合理。

       關鍵詞：金剛石鋸絲;復合鍍層;工藝參數

       中圖分類號：TQ164;TG74 文獻標志碼：A DOI 編碼：10．3969/j．issn．1006－852X．2011．05．007

       文章編號:1006－852X(2011)05－0030－05

       引言

       目前，大規模集成電路、航空航天、通訊設施、國防武器與PV光伏太陽能行業等領域大量應用高品質晶體材料，如硅、SiC與藍寶石晶體等。晶體切割是其機械加工過程中一個重要工序，切割質量直接關系最終成品率與后續加工工序的工作量。固結磨料線鋸切割具有高效、精密、高出品率和切割環境友好等特點［1］，適合應用于高硬度SiC、藍寶石與大尺寸KDP晶體的切割，但高性能固結磨料鋸絲制造依然需要進行大量基礎研究。相對于采用樹脂結合劑與高溫釬焊制作的固結磨料金剛石鋸絲，電鍍金剛石鋸絲的耐磨性、耐熱性、基體材料特性保持與制造直徑靈活性等綜合特點更能滿足實際應用的要求［2，3］。本文采用光亮鎳鍍液以埋砂法制作了電鍍金剛石鋸絲，在上砂與加厚階段采用不同的陰極電流密度與時間，試驗分析了對鋸絲復合鍍層外觀質量、表面金剛石磨粒含量和磨粒埋入深度的影響，其結果為獲得高質量的電鍍金剛石鋸絲，進一步優化復合電鍍工藝參數，提供了試驗參考依據。

       1·電鍍金剛石鋸絲研制

       1．1試驗材料與電鍍液

       制作電鍍金剛石鋸絲的鋼絲基體選擇日本住友電氣工業株式會社的SWPB琴鋼絲，鋼絲直徑為0．2 mm。金剛石磨粒選擇平均粒度為20μm的金剛石微粉。電鍍液選擇以瓦特液為基礎添加光亮劑制成的光亮鎳鍍液，其主要成分為(g/L):硫酸鎳280，氯化鎳40，硼酸30，十二烷基硫酸鈉0．1，1，4－丁炔二醇0．4，糖精1．0。電鍍用鎳陽極為120 mm×30 mm×5mm鍛造鎳板，電鍍前用稀鹽酸浸泡使其處于活化狀態。

       1．2電鍍設備

       電鍍電源為HH1711型穩壓穩流電源，電壓和電流分別在0～32 V和0～2 A的范圍內連續可調。電鍍槽采用4 mm厚的玻璃槽，采用J15型恒溫加熱棒控制鍍液溫度，電鍍過程中鍍液攪拌采用機械攪拌器。

       1．3鋸絲電鍍工藝

       電鍍金剛石鋸絲的電鍍工序為先鍍底層，然后基體上砂，最后進行鍍層加厚。入鍍槽之前的琴鋼絲經化學除油和酸侵蝕后除去表面污垢與氧化層，清洗后先鍍底層使基體表面充分沉積鎳以增強結合力，此過程在單獨的電鍍槽中進行。預鍍完成后的鋸絲移入具有上砂槽的電鍍槽進行植砂，上砂槽結構示意圖如圖1，上砂槽為尼龍板材表面加工5 mm深V型溝。上砂時采用埋砂法，拉直琴鋼絲置于V型溝內，避免鋼絲接觸砂槽并兩端固定，用金剛石微粉埋住鋼絲進行上砂。上砂完成后將鋼絲從上砂槽中卸下，移入第一步進行預鍍的電鍍槽中進行加厚鍍處理。

       1．4電鍍工藝參數設計

       電鍍鋸絲制造工序中的鍍底層類似于一般的電鍍制品電鍍過程，陽極鎳板平放懸掛于琴鋼絲上方;電鍍液的pH值、溫度與攪拌情況均參考成熟的電鍍工藝。電鍍液溫度為35～40℃，pH值為4．0～4．2，電鍍過程中采用機械攪拌。

       鍍底層一般的厚度為1～3μm，鍍底層的時間可以根據以下公式進行計算［4］。
 

       根據初期的試驗分析，取鍍底層的陰極電流密度為1．8 A/dm2，對應的電鍍時間為6 min，理論電沉積的預鍍層厚度為2μm。鋸絲表面金剛石磨粒含量與上砂鍍時陰極電流密度與上砂時間的合理搭配相關;而加厚鍍階段的電流密度和時間又分別影響復合鍍層表面質量與磨粒埋入深度。上砂鍍層的厚度一般為平均磨粒的10%左右，加厚鍍過程中理想厚度是將磨粒粒徑的約2/3埋嵌在鍍層中。對于上砂與加厚階段，因鍍層中含有金剛石磨粒，電沉積的鎳所占體積也相應地減少，不能直接用公式(1)計算得到電鍍時間。試驗初估復合鍍層中電沉積的鎳所占的體積在40%～60%之間，在折合成不含磨料的金屬鍍層時，其厚度δ用0．4～0．6δ之間，因此設計的試驗參數如表1所示。

       2·工藝參數對鋸絲復合鍍層質量影響

       2．1上砂電流密度與時間對磨粒含量的影響

       上砂鍍層起到初步固結金剛石磨粒的作用，鋸絲制作完成后最終的表面金剛石磨粒含量和分布情況與上砂鍍階段的陰極電流密度和上砂時間的合理搭配相關。鋸絲表面磨粒含量對鋸絲使用壽命和切割能力影響較大:磨粒含量大，切割刃多，切割效率高，而且避免鎳鍍層直接與工件接觸從而使復合鍍層耐磨性增加，鋸絲使用壽命延長;反之，切割效率低，鋸絲壽命短。但如果鋸絲表面鍍層中金剛石磨粒含量過高，鎳鍍層的比例減小，會造成金剛石把持力降低而容易脫落，鋸絲壽命降低，并且磨粒之間沒有足夠的容屑空間，同樣影響鋸絲的加工性能。

       圖2是在上砂階段采用不同陰極電流密度和上砂時間搭配試制的鋸絲表面外觀。由電鍍參數計算公式(1)整理得到:

       可見，在其他參數不變的情況下，鍍層厚度δ與上砂電流密度ic和時間t的乘積成正比。從圖2a中可以看出，當電流密度為1．0 A/dm2，上砂時間為10min，也就是tic=0．167 A·h/dm2時，鋸絲表面復合鍍層中沉積的磨粒較少，在鋸絲表面留下大量磨粒掉落后的凹坑。此時主要原因是鍍層的沉積率較低，與之搭配的上砂時間較短，大部分上砂的磨粒由于上砂階段埋嵌過淺而在卸砂過程中脫落。圖2b與圖2c是分別采用陰極電流密度為1．5 A/dm2與2．0 A/dm2時，上砂10 min試制的鋸絲，鍍層中沉積的金剛石磨粒分布較均勻，磨粒之間具有較合理的容屑空間。采用相同的上砂時間10 min，電流密度由1．5 A/dm2升高到2．0 A/dm2時，磨粒密度略有增大，但增大不明顯，偶有磨粒的堆積現象。因此采用2．0 A/dm2時，上砂的時間可適當降低到7～8 min。
 

       當陰極電流密度保持1．5 A/dm2，上砂時間增大到15 min時，如圖2d，此時鍍層中金剛石磨粒的數量隨著上砂時間的增加而顯著增加，出現較多的磨粒堆積與團聚現象。此時金剛石含量過高，鎳鍍層的比例減小，相鄰金剛石堆積影響了把持力而容易脫落，鋸絲壽命降低。

       2．2加厚階段電流密度對鍍層外觀質量的影響

       加厚鍍過程中的陰極電流密度直接決定鋸絲電鍍完成后復合鍍層的表面質量。提高陰極電流密度，一方面可以加快鎳沉積速率，另一方面可增大陰極過電位，使鍍層結晶細致。但實際上獲得最佳鍍層質量的電流密度只能在一個較小的區間內。在這個電流密度區間外，得不到良好的鍍層。

       圖3是在加厚階段采用不同電流密度得到的最終鋸絲表面鍍層的外觀形貌。圖3a是采用電流密度1．0A/dm2加厚鍍36 min后得到的鍍層表面微觀形貌。此時，鍍層結晶粗糙且疏松，這是因為電流密度過低時，鎳離子還原成核的速度低，因此得到的鍍層表面不緊密細致，鍍層對磨粒的把持能力較差。圖3b與圖3c是在加厚階段分別采用1．5 A/dm2和2．0 A/dm2的電流密度得到的鍍層表面形貌。此時得到的鎳鍍層平整，鎳沉積晶粒細致緊密，結晶有規律。圖3c中表面磨粒出現堆積主要是上砂階段的電鍍時間過長引起。加厚階段的陰極電流密度由1．5 A/dm2增大到2．0A/dm2時，鎳鍍層表面質量并沒有因電流密度增大而變差，說明此時變化仍然在合理的電流密度區間內。把加厚階段的電流密度增大到2．5 A/dm2時，如圖3d。觀察此時得到的復合鍍層表面，發現部分磨粒頂端和周圍出現大量的沉積鎳包裹，使磨粒切割能力下降;同時多個顆粒被沉積物包圍，顆粒之間形成了不規則的鍍層，部分區域缺少沉積物，不能有效把持磨粒;鍍層表面質量變差，出現結晶不均勻、橘皮現象等。分析其原因是由于此時電流密度超出了獲得良好鍍層的上限值，鍍層結晶不規律，鍍層表面偶見析氫嚴重帶來的氣孔，此時的鍍層內部應力大，易變脆。鋸絲切割過程中，主要的失效形式為磨粒的脫落［5］，不良鍍層無論是耐磨性還是對金剛石磨粒的把持能力都較差，鋸絲壽命短。因此必須確定最佳的陰極電流密度區間。

       由試驗的結果來看，制作鋸絲的電流密度以1．5～2．0 A/dm2為宜，為提高電鍍效率同時不影響電鍍質量，可采用電流密度2．0 A/dm2，在上砂階段與加厚階段都宜采用此電流密度。
 

       2．3加厚時間對磨粒埋入深度的影響

       正常情況下，制備完成的鋸絲鍍層厚度為磨粒粒徑的約2/3，金剛石還有約1/3的高度露出在鍍層以外。當上砂階段選用合適的陰極電流密度與上砂時間搭配，就能保證制備的鋸絲表面磨粒含量合理，分布均勻;加厚階段選用合適的陰極電流密度就能保證獲得良好的鍍層;選用與之搭配合理的加厚鍍時間就能保證鋸絲制作完成后表面磨粒有合適的出峰高度。圖4采用上砂電流密度與時間分別為1．5 A/dm2和10 min，加厚階段采用電流密度為2．0 A/dm2，加厚鍍時間分別是18 min和25 min得到的鍍層外觀。
 

       電鍍18 min后鋸絲表面磨粒埋入深度約為磨粒的2/3左右，磨粒較好地被固結在鍍層中，又具有一定的出峰高度。電鍍25 min時，鎳沉積厚度增大，甚至高于部分粒徑較小的磨粒，這種情形會導致鋸絲切割性能降低。試驗中在加厚鍍階段電流密度為2．0 A/dm2時，計算初選的電鍍時間是把此階段的沉積鎳鍍層厚度折合成不含磨料時的金屬鍍層的1/2，由試驗結果來看是合理的。

       3·結論

       (1)鋸絲表面金剛石磨粒含量與上砂鍍時陰極電流密度與上砂時間的合理搭配相關;在本文的試驗條件下，上砂電流密度以1．5～2．0 A/dm2為宜，當上砂電流密度ic和時間t的乘積在0．25 A·h/dm2左右時，可獲得磨粒含量合理、分布均勻的上砂效果。

       (2)在本文試驗條件下，加厚鍍階段獲得良好鍍層的電流密度區間為1．5～2．0 A/dm2，為提高電鍍效率，可采用2．0 A/dm2的電流密度來加厚鍍層。

       (3)當加厚鍍階段電流密度為2．0 A/dm2時，加厚鍍時間為18 min比較合理。在本文試驗條件下采用埋砂法制作電鍍金剛石鋸絲時，復合鍍層的沉積厚度可折合成不含磨料時的金屬鍍層的1/2來估算。