CN103753720A - 用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，旨在解决现有技术中用金属镀层金刚石微粉制造树脂金刚线成本高、能耗高、污染大的技术问题。它包括下列步骤：先对金刚石微粉进行表面改性处理；再配制树脂金刚砂共混物料；将该树脂金刚砂共混物料均匀涂覆在芯线上；经过一次固化、二次固化得到成品树脂金刚线。采用本发明制得的树脂金刚线，平均线径较小，切割质量高、效率高且切口损耗小；该方法工艺简单、生产成本低、环境污染小，有利于规模化生产。

Description

用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法

技术领域

本发明涉及金刚石线切割技术领域，具体涉及一种用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法。

背景技术

对于高硬度晶体材料的切割常用到线切割技术，传统的线切割技术是采用金属线加游离磨料的方式，在切割过程中，将磨料加入到金属线和加工件之间产生切削作用。为了进一步缩短切割时间以及加工更高硬度的材料，固结磨料线切割技术得到发展，将金刚石磨料以一定的方式固定在金属线上，形成金刚石线锯（金刚线）。与传统的线切割方式相比，金刚线切割技术具有切割时间短、效率高、切口损耗小等优点，该项技术的应用，对于晶硅切割技术领域的发展起到了重要的推动作用。

在金刚线的生产过程中，金刚石磨料的固结方式有滚压嵌入式、挤压或冲压方式、金属结合剂固结（钎焊、电镀）、树脂结合剂固结等。其中，以树脂结合剂固结方式生产金刚线，其制程温度远低于金属焊接，线材不会因为高温而产生变形造成抗拉强度的衰减，有利于缩小金刚石线径进而降低耗材率。但是由于树脂对金刚石磨料的把持力较低，树脂金刚线在使用过程中，在磨削力的作用下金刚石磨料极易脱落，从而使其使用寿命降低。结合剂对金刚石磨料的把持力分为三种：机械镶嵌力、物理吸附力、化学结合力。其中，物理吸附力很小，可以忽略；机械镶嵌力的大小取决于胎体的孔隙率和胎体的强度和硬度；化学结合力最强。而树脂对金刚石磨料的浸润性不好，难以形成树脂结合剂与金刚石之间的化学键，因此树脂对金刚石磨料的化学结合力不强，金属线与金刚石磨料之间的把持力主要还是依靠机械嵌合力，才使得树脂金刚线上的金刚石磨料极易脱落。

为解决树脂金刚线对磨料把持力不强的问题，现有的方法是在金刚石磨料表面进行金属镀层，例如镀金属镍，由于镍的晶胞中的（111）面是等边三角形，最外层电子是f层空轨道，与相对应金刚石磨料上的C原子容易发生三位吸附，吸引成化学键，形成化学结合力，进而提高树脂对金刚石磨料的把持力。在中国发明专利申请公开说明书CN102658606A中公开了一种树脂金刚线的制作方法，其采用的就是金属涂层后的金刚砂。但是采用金属镀层的金刚石磨料的缺点在于：金刚石磨料的金属镀层工艺复杂，成本高，且危害操作人员的身体健康，环境污染严重，不利于长期发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种能耗少、环境污染小且成本低的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法。

为解决上述技术问题，本发明用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法包括下列步骤：

（1）金刚石微粉表面改性：取粒径为1-50μm的单晶金刚石微粉用氧化性酸去除其表面的非金刚石碳层，再用有机物对其进行表面改性处理；所述氧化性酸为硫酸、硝酸、高氯酸中的至少一种；所述有机物为高级脂肪酸及其盐、脂类化合物、高分子聚合物、表面活性剂中的至少一种；

（2）配制树脂金刚砂共混物料：取树脂粘结剂和有机溶剂进行混合搅拌，至树脂溶解后，再加入粒径为1-5μm的SiC超细粉体和步骤（1）所得金刚石微粉，混合均匀后得到树脂金刚砂共混物料；

（3）制线：将步骤（2）所得树脂金刚砂共混物料均匀涂敷在芯线上；

（4）一次固化：将涂敷有树脂金刚砂共混物料的芯线通过固化炉，在温度为400～1000℃的条件下加热固化15-30min，得到半硬化树脂金刚线；

（5）二次固化：将步骤（4）所得半硬化树脂金刚线线轴放入恒温鼓风干燥箱中干燥固化，得到成品树脂金刚线。

本发明采用表面非镀覆的金刚石微粉制造树脂金刚线，对金刚石微粉进行表面改性，改性后的金刚石微粉表面极性增强，有利于金刚石微粉和树脂之间的粘接，提高把持力或附着力，进而提高树脂金刚线的磨削能力，避免产生树脂金刚线上的金刚石磨料在磨削过程中极易脱落的问题。

优选的：步骤（1）中所述所述脂类化合物为磺酸酯、磷酸酯或多元醇酯；所述高分子聚合物为聚乙二醇、聚丙烯酸盐或酚醛树脂；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇单月桂酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、聚甘油多聚蓖麻酸酯或十二烷基磺酸钠。

步骤（2）中所述树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为树脂粘结剂10～45wt%、有机溶剂10～45wt%、金刚石微粉5～30wt%、SiC超细粉体5～25wt% 。

所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺。

所述树脂粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂中的至少一种。

步骤（3）中所述涂覆芯线的方法为：将芯线轮安装到送线轴上，芯线通过模具，以0.1～0.2m/s的速度连续送线；同时在不断搅拌条件下，用蠕动泵将步骤（2）所得树脂金刚砂共混物料注入模具，使得芯线上均匀涂敷树脂金刚砂共混物料。

步骤（3）中所述芯线的线径为φ80-φ100μm 。

步骤（4）中所述固化炉为直立型固化炉，加热方式为电加热、高频率诱导加热或/和热反射加热。

步骤（5）中所述恒温鼓风干燥箱采用程序升温控制，在5～40h内升温到100～500℃，再保温5～20h，然后自然降温至室温。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1.采用本发明制得的树脂金刚线，平均线径较小，切割质量高、效率高且切口损耗小；

2.用表面非镀覆的金刚石微粉制造树脂金刚线，通过对金刚石微粉进行表面改性处理，提高树脂对金刚石的把持力，工艺简单，成本低；

3.用树脂金刚线工艺进行生产，整个反应过程在室温下进行，反应条件温和，制备方法简单，易于控制；

4.对操作人员基本无伤害，环境污染小，有利于长期发展。

采用本发明制得的树脂金刚线，平均线径可达到80-150μm，拉伸强度最小达到27N，摩擦实验平均达到2500μm。能够广泛应用于光伏行业的单晶硅、多晶硅切割以及蓝宝石、半导体材料等超硬材料的精细切割领域。

对于本发明的具体操作步骤及流程，将在下面结合附图作出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法的工艺流程框图。

图2为表面非镀覆金刚石的SEM图片。

图3为表面镀镍金刚石的SEM图片。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明的具体实施方式。下面的实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：采用本发明的方法，用非镀覆金刚石微粉生产树脂金刚线，生产过程如下：

（1）金刚石微粉表面改性：取粒径范围在1-50μm的单晶金刚石微粉，用浓度为30%的硝酸去除其表面的非金刚石碳层，再用质量分数为10%的失水山梨醇单硬脂酸酯对其进行表面改性处理；

（2）配制树脂金刚砂共混物料：取树脂粘结剂28wt%、有机溶剂25wt%、经过步骤（1）表面改性处理后的金刚石微粉30wt%、粒径范围在1-5μm的SiC超细粉体17wt%，将树脂粘结剂和有机溶剂进行混合搅拌，至树脂溶解后，加入上述金刚石微粉和SiC超细粉体，混合均匀成为糊状物，得到树脂金刚砂共混物料；其中，树脂粘结剂为酚醛树脂，有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺；

（3）制线：将直径为φ80-φ100μm的芯线安装到送线轴上，芯线通过模具，以0.15m/s的速度连续送线；同时在不断搅拌条件下，用蠕动泵将步骤（2）所得树脂金刚砂共混物料注入模具，使得芯线上均匀涂敷树脂金刚砂共混物料；

（4）一次固化：将涂敷有树脂金刚砂共混物料的芯线通过固化炉，在温度为750℃的条件下加热固化20min，得到半硬化树脂金刚线；

（5）二次固化：将步骤（4）所得半硬化树脂金刚线线轴放入恒温鼓风干燥箱中干燥固化，采用程序升温控制，在10h内升温到300℃，再保温10h，然后自然降温至室温，最后得到成品树脂金刚线。

实施例2：与实施例1不同之处在于，步骤（1）中用浓度为30%的混合酸去除其表面的非金刚石碳层，再用质量分数为10%的聚丙烯酸和质量分数为15%的脂肪醇聚氧乙烯醚先后对金刚石微粉进行表面改性处理；该混合酸为硫酸和高氯酸的混合，其中硫酸和高氯酸的比例为3:1 ；步骤（2）中树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为：树脂粘结剂25wt%、有机溶剂23wt%、金刚石微粉30wt%、SiC超细粉体22wt%，其中树脂粘结剂为环氧树脂和丙烯酸树脂的混合物；步骤（3）中送线速度为0.2m/s；步骤（4）中在温度为1000℃的条件下加热固化15min；步骤（5）中在25h内升温到450℃，再保温8h，然后自然降温至室温。

实施例3：与实施例1不同之处在于，步骤（1）中用磺酸酯和十二烷基磺酸钠先后对金刚石微粉进行表面改性处理；步骤（2）中树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为：树脂粘结剂17wt%、有机溶剂38wt%、金刚石微粉20wt%、SiC超细粉体25wt%；其中树脂粘结剂为环氧树脂；步骤（3）中送线速度为0.1m/s；步骤（4）中在温度为400℃的条件下加热固化30min；步骤（5）中在40h内升温到500℃，再保温5h，然后自然降温至室温。

实施例4：与实施例1不同之处在于，步骤（1）中用多元醇酯和聚乙二醇先后对金刚石微粉进行表面改性处理；步骤（2）中树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为：树脂粘结剂32wt%、有机溶剂20wt%、金刚石微粉25wt%、SiC超细粉体23wt%；步骤（4）中在温度为600℃的条件下加热固化25min；步骤（5）中在20h内升温到380℃，再保温7h，然后自然降温至室温。

实施例5：与实施例1不同之处在于，步骤（1）中用磷酸酯和聚甘油多聚蓖麻酸酯先后对金刚石微粉进行表面改性处理；步骤（2）中树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为：树脂粘结剂18wt%、有机溶剂37wt%、金刚石微粉26wt%、SiC超细粉体19wt% 。

实施例6：与实施例2不同之处在于，步骤（1）中用酚醛树脂和失水山梨醇单月桂酸酯先后对金刚石微粉进行表面改性处理；步骤（2）中树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为：树脂粘结剂45wt%、有机溶剂17wt%、金刚石微粉28wt%、SiC超细粉体10wt% 。

实施例7：与实施例2不同之处在于，步骤（1）中用酚醛树脂和烷基酚聚氧乙烯醚先后对金刚石微粉进行表面改性处理；步骤（4）中在温度为800℃的条件下加热固化18min；步骤（5）中在8h内升温到200℃，再保温20h，然后自然降温至室温。

在以上实施例中，所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。

对实施例1-实施例7所用的非镀覆金刚石微粉原料进行检测：用扫描电子显微镜观察金刚石微粉（如图2所示），其表面凹凸不平，比表面积大；通过粒度测试仪测试，粒度分布均匀，符合产品使用标准。作为对比，用扫描电子显微镜观察表层镀镍的金刚石微粉（如图3所示），其表面清洁无杂质，团聚现象不明显。

对实施例1-实施例7制得的树脂金刚线产品进行检测：用扫描电子显微镜观察制得的树脂金刚线表面附着金刚石的数量和突出量，检验结果无异常；用张力试验机测量该树脂金刚线的承受拉力情况，符合国际规范；用摩擦试验机测试其摩擦效果，该树脂金刚线表现出良好的切割性能。

检测结果表明，实施例1-实施例7制得的树脂金刚线平均线径达到80-150μm，拉伸强度最小达到27N，摩擦实验平均达到2500μm。可见，采用本发明的方法制造的树脂金刚线切割性能良好，平均线径较小，切割质量高、效率高且切口损耗小，各种性能指标均达到或高于生产要求。与现有的采用表面金属镀层的金刚石微粉制造的树脂金刚线相比，本发明工艺简单，生产成本大幅降低；整个反应过程在室温下进行，反应条件温和，制备方法简单，易于控制；对操作人员基本无伤害，环境污染小，有利于长期发展。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (9)

1.一种用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）金刚石微粉表面改性：取粒径为1-50μm的单晶金刚石微粉用氧化性酸去除其表面的非金刚石碳层，再用有机物对其进行表面改性处理；所述氧化性酸为硫酸、硝酸、高氯酸中的至少一种；所述有机物为高级脂肪酸及其盐、脂类化合物、高分子聚合物、表面活性剂中的至少一种；

（2）配制树脂金刚砂共混物料：取树脂粘结剂和有机溶剂进行混合搅拌，至树脂溶解后，再加入粒径为1-5μm的SiC超细粉体和步骤（1）所得金刚石微粉，混合均匀后得到树脂金刚砂共混物料；

（3）制线：将步骤（2）所得树脂金刚砂共混物料均匀涂敷在芯线上；

（4）一次固化：将涂敷有树脂金刚砂共混物料的芯线通过固化炉，在温度为400～1000℃的条件下加热固化15-30min，得到半硬化树脂金刚线；

（5）二次固化：将步骤（4）所得半硬化树脂金刚线线轴放入恒温鼓风干燥箱中干燥固化，得到成品树脂金刚线。

2.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（1）中所述脂类化合物为磺酸酯、磷酸酯或多元醇酯；所述高分子聚合物为聚乙二醇、聚丙烯酸盐或酚醛树脂；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇单月桂酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、聚甘油多聚蓖麻酸酯或十二烷基磺酸钠。

3.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（2）中所述树脂金刚砂共混物料中各组分的重量百分比为树脂粘结剂10～45wt%、有机溶剂10～45wt%、金刚石微粉5～30wt%、SiC超细粉体5～25wt% 。

4.根据权利要求3所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求3所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，所述树脂粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（3）中所述涂覆芯线的方法为：将芯线轮安装到送线轴上，芯线通过模具，以0.1～0.2m/s的速度连续送线；同时在不断搅拌条件下，用蠕动泵将步骤（2）所得树脂金刚砂共混物料注入模具，使得芯线上均匀涂敷树脂金刚砂共混物料。

7.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（3）中所述芯线的线径为φ80-φ100μm 。

8.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（4）中所述固化炉为直立型固化炉，加热方式为电加热、高频率诱导加热或/和热反射加热。

9.根据权利要求1所述的用非镀覆金刚石制造树脂金刚线的方法，其特征在于，步骤（5）中所述恒温鼓风干燥箱采用程序升温控制，在5～40h内升温到100～500℃，再保温5～20h，然后自然降温至室温。

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