CN102528165A - 多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将经过表面处理的多晶金刚石微粉通过电镀沉积或树脂包覆的方法固着在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯。所述多晶金刚石微粉粒度为0.1μM～200μM。采用该方法制作的线锯能显著降低被加工件的表面粗糙度，提高切削效率，降低加工成本。

Description

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用

技术领域

本发明属于多晶金刚石的应用技术领域，特别涉及多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用。

背景技术

硬脆材料包括宝石、玻璃、石材、硅晶体、石英晶体、陶瓷、硬质合金等。硬脆材料大多为半导体或非导电体，具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高电阻率等性能。硬脆材料因具有许多金属材料难以比拟的优良特性，而被广泛应用于声、光、电磁、机械和化工等行业。随着其被广泛应用，对硬脆材料的加工也提出更高的要求。硬脆材料加工的关键工序是切割加工，该工序要求高效率、低成本、高材料利用率、无损伤、无污染等。

目前，硬脆材料的切割方法主要有：金刚石锯片切割、激光切割和近年渐成主流的多线锯切割。金刚石锯片由于切缝宽，成材率低不能切割曲线，不适于贵重材料的切割。激光切割由于切割深度有限而受到限制。多线锯切割主要是通过拉动钢丝，钢丝带入预先混有细粒度碳化硅微粉的磨削液，微粉在钢丝的带动下游离切割硬脆材料。由于多线锯的引入，使得大型的多线锯可以同时切割出数百切片，加工效率得以显著提高。

金刚石线锯通常是用电镀的方法在钢丝上沉积一层金属，并在沉积的金属内固结金刚石单晶磨料制成。金属镀层是结合剂，金刚石磨料用于切削加工。由于金刚石单晶及微粉磨料韧性低、解理面具有方向性，金刚石单晶及微粉与结合剂的结合力弱，使得其在加工中磨料的有效利用率低，被加工件表面粗糙度大，给后续加工带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，使用多晶金刚石制作的金刚石线锯能显著降低被加工件的表面粗糙度，提高切削效率，降低加工成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将多晶金刚石微粉电镀沉积在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯。

所述多晶金刚石微粉粒度为0.1μM～200μM。

所述多晶金刚石微粉的表面用偶联剂处理，或者沉积有金属沉积层。

具体的，如：将粒度为0.1μM～200μM的镀镍多晶金刚石电镀沉积在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯；其中电镀液组成为：350～400g/l氨基磺酸镍、30～40g/l硼酸和0.05～0.1g/l十二烷基硫酸钠。镀镍多晶金刚石可以为普通市售产品。

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将多晶金刚石微粉通过树脂包覆在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯。

所述多晶金刚石微粉粒度为0.1μM～200μM。具体的包覆过程可以为：将多晶金刚石微粉、酚醛树脂、NL酚醛树脂固化剂和溶剂混匀得浆液；把钢丝线或有机丝线从浆液中拉出，再经限径、干燥和固化即得；其中多晶金刚石微粉、酚醛树脂和NL酚醛树脂固化剂三者体积总和计为100份，多晶金刚石微粉占22－28份，NL酚醛树脂固化剂占酚醛树脂重量的8%；溶剂占浆液体积的20～30%。溶剂可以为酒精或丙酮等。

所述多晶金刚石微粉的表面用偶联剂处理，或者涂附有有机涂层，或者沉积有金属沉积层，或者沉积有陶瓷材料层。

多晶金刚石微粉的表面用偶联剂处理，或者涂附树脂等有机涂层，或者沉积镍、铜等金属，或者沉积刚玉等陶瓷材料用以增加金刚石与固结层的把持力。

用多晶金刚石及微粉制作的金刚石线锯，其截面示意图见图3。

多晶金刚石及微粉可以采用超高压高温静态法和爆炸法生产，其并不是其他加工过程的副产品。

多晶金刚石及微粉和单晶金刚石及微粉的主要差别在于金刚石颗粒的结构及其特性。

多晶金刚石的结构：该金刚石颗粒是由多个亚晶组成的嵌式结构的多晶，具有不规则形状和粗糙的凹面。在一定的磨削力下，颗粒易于沿亚晶间的界面破裂；小的被磨损的亚晶从晶体颗粒脱离后，新的不规则形状的亚晶在晶体表面又形成许多锋利的刃角，而不是整个颗粒脱落。多晶金刚石和单晶金刚石的结构示意图见图1。多晶金刚石和单晶金刚石受力后的破裂形式示意图见图2。

多晶金刚石的韧性：多晶金刚石颗粒可以承受较高的应力。它的解理面每10~200埃就间断了。当受高压时产生的微破碎被限制在微晶的小范围内，不会产生大的解理面破碎（单晶金刚石很容易在解理面方向破碎），这样就允许在切割、研磨和抛光时使用较高的单位压力，允许使用的压力与同粒度单晶金刚石相比高3倍，使得加工效率提高2～5倍，从而达到减少加工工序、提高产品产量和生产效率的目的。

自锐性：由于多晶金刚石表面积大，具有特别的解理和耐磨性，使得其自锐性好。随着极小微晶颗粒的脱落，不断的露出更多同样、尖锐微晶，具有相同的有效切削刃，使得块状颗粒得到保护。

表面粗糙，切削速度快：多晶金刚石颗粒的表面积是单晶金刚石的的三倍，表面非常粗糙，这就意味着无论工件的方向如何，它都拥有很多切削刃。因其表面非常粗糙，多晶金刚石颗粒非常容易被结合剂抓附，同单晶金刚石相比，多晶金刚石颗粒与结合剂结合更加牢固。

块状颗粒：多晶金刚石的微晶结构有助于其产生块状颗粒，这样可获得较高的均匀度，使其粒度分布范围比较窄。这种窄范围的粒度分布降低了颗粒的数量，可避免因颗粒太细而无效或颗粒太粗而过于浸蚀，从而可以大副度减少后续的研磨、抛光时间和物料消耗，降低加工成本。当金刚石的粒度范围很宽时，不可能获得理想的表面粗糙度。

最小表面的损伤：多晶金刚石颗粒的亚晶是无方向性的,其破损以亚晶的剥落为主,同时形成更多的细小刀刃,刀刃的高度是由更为细小的亚晶决定的,这些原因造就了多晶金刚石切削时出刃多,刃口漏出高度小,无方向性，出刃均匀的独有特点。单晶金刚石颗粒由于有解理面，在出刃高度和方向上与多晶金刚石有显著差别。因为多晶金刚石的解理面在其众多的微晶内，整体上没有方向性，金刚石颗粒可以均匀地磨削工件表面，而不需要考虑方向性。

硬度高：多晶金刚石内的微晶具有和单晶金刚石同样的硬度，但颗粒硬度比单晶金刚石略低，比碳化硅高很多，使得多晶金刚石相对碳化硅消耗量大幅降低。

与现有的单晶金刚石线锯相比，本发明具有如下优点：

（1）多晶金刚石微粉和单晶金刚石及微粉相比较，前者表面粗糙，其表面积是同粒度单晶金刚石及微粉的3倍，无论是电镀沉积法还是用树脂包覆法，多晶金刚石与结合剂结合力更大，结合强度更高，使用中更不易脱落，可以使用更大的切削线速度，更大的线张力，加快切割速度。

（2）多晶金刚石的韧性好，可以使用更高的线张力。

（3）由于多晶金刚石具有特别的解理和耐磨性，使得其自锐性好。随着极小微晶颗粒的脱落，不断的漏出更多同样尖锐微晶，其具有相同的有效切削刃，切削效率高，随着切削的进行，多晶金刚石线切削效率比单晶金刚石线降低的慢。

（4）由于其特殊的微晶块状结构和解理面的无方向性，金刚石颗粒可以均匀地磨削工件表面，使得多晶金刚石出刃更多、更小，出刃更均匀，被加工工件表面粗糙度更低，甚至可以达到0.1微米以下，从而大幅减少后续的研磨和抛光时间和物料消耗，降低加工成本。

总之，由于多晶金刚石不同于单晶金刚石的特殊团块结构、高韧性、高自锐性和高表面粗糙度，使得多晶金刚石线锯切削效率比单晶金刚石线锯高2～5倍，被加工工件表面粗糙度更低，可以大幅度减少后续的研磨和抛光时间及物料消耗，降低加工成本。

附图说明

图1是金刚石结构示意图，其中a为多晶金刚石，b为单晶金刚石；

图2是金刚石受力后的破裂形式示意图，其中a为多晶金刚石，b为单晶金刚石；

图3是多晶金刚石线锯的截面示意图，其中1为多晶金刚石微粉颗粒，2为结合剂，3为丝线基体。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为200μM、经过表面处理的镀镍多晶金刚石用电镀沉积的方法固着在钢丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）以镍板作为阳极，长800毫米，固定于宽100毫米的电镀槽侧板上，槽两端安装不锈钢导电轮。电镀液组成为：350g/l氨基磺酸镍、30g/l硼酸浓度、0.1g/l十二烷基硫酸钠。镀液用磁力泵在镀槽和蓄液槽之间交换循环，镀液温度50℃。

2）将15000g粒度为200μM的镀镍多晶金刚石用酒精清洗，去离子水清洗三次后均匀铺设于渡槽底部。

3）将直径0.5毫米的钢丝通过放线装置放线，依次通过50℃、15g/l的金属清洗剂水溶液（金属清洗剂为常规市售产品，用以除去油脂）——去离子水——10%硫酸水溶液——去离子水——导电轮——埋入浸泡在电镀液中的镀镍多晶金刚石——导电轮——导电轮——电镀液——导电轮——导电轮——电镀液——导电轮——收线装置。电镀电源是镍板带正电，导电轮带负电。生产线上线速度0.3米每分钟，有金刚石的部分电镀电流3.5安培，后两个镀槽（不含金刚石的部分）电镀电流5安培。得到直径0.9毫米的多晶金刚石线锯。

用此多晶金刚石线锯切割大理石板材，在水冷却的条件下，线速度达到20米每秒，进给速度为每分钟6毫米，切缝1毫米。不仅切割速度高，而且在薄板切割中节约石材。

实施例2

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为0.1μM、经过表面处理的镀镍多晶金刚石电镀沉积固着在有机高强度丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）选用粒度为0.1μM镀镍多晶金刚石替换粒度200μM镀镍多晶金刚石，电镀槽装置、电镀液成分及镀镍多晶金刚石的清洗处理同实施例1。

2）将多股绞合，直径0.12毫米的聚乙烯高强度丝线依次通过酒精溶液——去离子水——混有15wt%直径0.5～1微米镍粉末的去离子水溶液——直径0.16毫米的通孔模具——导电轮——埋入浸泡在电镀液中的镀镍多晶金刚石微粉层——导电轮——导电轮——电镀液——导电轮——导电轮——电镀液——导电轮——收线装置。电镀电源是镍板带正电，导电轮带负电。生产线上线速度0.2米每分钟，有金刚石的部分电镀电流0.15安培，后两个镀槽（不含金刚石的部分）电镀电流0.5安培。得到直径0.12毫米的多晶金刚石线锯。

用此线锯作为砂浆切割的切割线，外方156毫米、800毫米长的硅棒，切割2600片，用线量只有82公里，而目前的光面切割丝用线量需要300公里。

实施例3

多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为120μM、经过表面处理的镀镍多晶金刚石电镀沉积固着在钢丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

用粒度120μM 的镀镍多晶金刚石替换粒度200μM镀镍多晶金刚石。将直径0.25毫米的钢丝通过放线装置放线。电镀电源是镍板带正电，导电轮带负电。生产线上线速度0.5米每分钟，有金刚石的部分，电镀电流1.5安培，后两个镀槽（没有金刚石的部分），电流3安培。其它同实施例1。得到直径0.49毫米的多晶金刚石线锯。

用此多晶金刚石线锯切割大理石板材，在水冷却的条件下，线速度达到20米每秒，进给速度为每分钟3.5毫米，切缝0.6毫米。不仅切割速度高，而且在薄板切割中节约石材。

实施例4

 多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为170μM、经过表面处理的多晶金刚石微粉通过树脂包覆的方法固着在有机高强度丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）将用酒精清洗过的多晶金刚石微粉与酚醛树脂、NL酚醛树脂固化剂和溶剂丙酮混匀得浆液；其中多晶金刚石微粉、酚醛树脂和NL酚醛树脂固化剂三者体积总和计为100份，多晶金刚石微粉占25份，NL酚醛树脂固化剂占酚醛树脂重量的8%；溶剂丙酮占浆液体积的25%。

2）将多股直径0.3毫米高强度聚乙烯丝线用酒精、去离子水清洗后，从上述浆液中拉出，通过直径0.95毫米的限径模具进行限径，在长度4米的烘箱内反复5次，再于固化管170℃加热固化，得到直径0.65毫米的多晶金刚石线锯。生产线上线速度16米每分钟。

用此多晶金刚石线锯切割大理石板材，在水冷却的条件下，线速度达到20米每秒，进给速度为每分钟5毫米，切缝0.75毫米。不仅切割速度高，而且在薄板切割中节约石材。

实施例5

 多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为50μM、经过表面处理的多晶金刚石微粉通过树脂包覆固着在钢丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）浆液的配制与实施例4相同；

2）将直径0.25毫米的高强度钢丝线用酒精、去离子水清洗后，从浆液中拉出，通过直径0.45毫米的限径模具进行限径，在长度4米的烘箱内反复5次，再于固化管170℃加热固化，得到直径0.35毫米的多晶金刚石线锯。生产线上线速度30米每分钟。

用此多晶金刚石线锯切割大理石板材，在水冷却的条件下，线速度达到20米每秒，进给速度为每分钟3毫米，切缝0.4毫米。不仅切割速度高，而且在薄板切割中节约石材。

实施例6

 多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为10μM、经过表面处理的多晶金刚石微粉通过树脂包覆固着在有机高强度丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）浆液的配制与实施例4相同；

2）将多股直径0.12毫米高强度聚乙烯丝线用酒精、去离子水清洗后，从浆液中拉出，通过直径0.16毫米的限径模具进行限径，在长度4米的烘箱内反复5次，再于固化管170℃加热固化，得到直径0.14毫米的多晶金刚石线锯。生产线上线速度45米每分钟。

用此线锯切割外方156毫米、800毫米长的硅棒，切割2600片，用线量6.7公里，而目前的光面切割丝用线量需要300公里。切割速度从光面切割丝加碳化硅的7.5小时，降低到4.2小时。

实施例7

 多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，将粒度为5μM、经过表面处理的多晶金刚石微粉通过树脂包覆固着在钢丝线上，制成多晶金刚石线锯；具体如下：

1）浆液的配制与实施例4相同；

2）将多股直径0.12毫米高强度切割钢丝线用酒精、去离子水清洗后，从浆液中拉出，通过直径0.22毫米的限径模具进行限径，在长度4米的烘箱内反复5次，再于固化管170℃加热固化，得到直径0.13毫米的多晶金刚石线锯。生产线上线速度65米每分钟。

用此线锯切割外方156毫米、800毫米长的硅棒，切割2600片，用线量9.2公里，而目前的光面切割丝用线量需要300公里。切割速度从光面切割丝加碳化硅的7.5小时，降低到5.7小时。切片良品率达到87%。

Claims (8)

1.多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，将多晶金刚石微粉电镀沉积在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯。

2.如权利要求1所述的多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，所述多晶金刚石微粉粒度为0.1μM～200μM。

3.如权利要求1或2所述的多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，所述多晶金刚石微粉的表面用偶联剂处理，或者沉积有金属沉积层。

4.如权利要求3所述的多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，将粒度为0.1μM～200μM的镀镍多晶金刚石电镀沉积在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯；其中电镀液组成为：350～400g/l氨基磺酸镍、30～40g/l硼酸和0.05～0.1g/l十二烷基硫酸钠。

5.多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，将多晶金刚石微粉通过树脂包覆在钢丝线或有机丝线上，制成多晶金刚石线锯。

6.如权利要求5所述多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，所述多晶金刚石微粉粒度为0.1μM～200μM。

7.如权利要求5或6所述多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，所述多晶金刚石微粉的表面用偶联剂处理，或者涂附有有机涂层，或者沉积有金属沉积层，或者沉积有陶瓷材料层。

8.如权利要求6所述的多晶金刚石在制作金刚石线锯方面的应用，其特征在于，具体的包覆过程为：将多晶金刚石微粉、酚醛树脂、NL酚醛树脂固化剂和溶剂混匀得浆液；把钢丝线或有机丝线从浆液中拉出，再经限径、干燥和固化即得；其中多晶金刚石微粉、酚醛树脂和NL酚醛树脂固化剂三者体积总和计为100份，多晶金刚石微粉占22－28份，NL酚醛树脂固化剂占酚醛树脂重量的8%；溶剂占浆液体积的20～30%。

Images