CN113186581B - 一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法，包括以下步骤：步骤一.取用单根金属丝为母线，将其沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈。步骤二.先进行上砂电镀处理、加厚电镀处理、清洗烘干，得初步金刚石线锯。步骤三.再进行高频感应处理，在其表面产生高频感应涡流；在趋肤效应作用下，镀镍层和金刚石磨料均快速升温，使镀镍层发生重结晶反应，镀镍层与金刚石磨料之间形成化学结合力；冷却后，镀镍层对金刚石磨料施加压应力。步骤四.继续进行超声波滚压处理，使其表面产生塑性变形，产生残余压应力，最终制得环形电镀金刚石线锯。解决现有环形电镀金刚石线锯的金刚石磨粒把持力差、易脱落，环形焊接处易裂断的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及线锯技术领域，特别涉及一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法。
背景技术
早期的线锯加工技术是采用裸露的金属线和游离的磨料，在加工过程中，将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间，以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工，人们将金刚石磨料以树脂粘结、电镀、钎焊等固结到金属线上，从而产生了固结金刚石线锯，常用于硅晶体、陶瓷等超硬材料的加工。
电镀金刚石线锯是固结金刚石线锯的一种，一般采用金刚石与金属的复合电镀方式进行制备，电镀时的步骤为：镀前处理、电镀（包括预镀、上砂、加厚镀）和镀后处理。电镀金刚石线锯切割具有锯切力小、锯缝整齐、切面光整、出材率高、噪音低、对环境污染小、切割效率高等优点，在最近十几年中得到了快速的发展，并且在硅晶体、宝石等领域的应用越来越广泛。
环形电镀金刚石线锯是将金刚石磨粒固结于环形基体上的一种切割工具，锯丝呈环形，电镀前先将金属丝用氩弧焊接成环形，钢线焊接需要>1500℃温度，在焊接处产生脆性区，其不仅要切割工件，还要传递动力并承受冲击振动，所以工作时容易裂断。
在电镀金刚石线锯表面，金刚石颗粒镶嵌在镀镍层里，金刚石磨粒把持力主要表现为机械镶嵌力。当进行切割加工时，金刚石和线锯基体同时运动，通过金刚石和工件间的相对运动刮擦达到切割的目的。线锯会受到一定程度的锯切力作用，在该力的不断冲击作用下，导致表面磨粒把持情况差的问题，会出现镀镍层剥落、金刚石磨粒脱落甚至断线等问题，严重降低线锯的使用寿命。
当进行切割加工时，金刚石和线锯基体同时运动，通过金刚石和工件间的相对运动刮擦达到切割的目的，所以切割加工时，线锯会受到一定程度的锯切力作用，在该力的不断冲击作用下，金刚石线锯会出现镀镍层剥落、金刚石磨粒脱落甚至断线等问题。
综上所述，现有环形电镀金刚石线锯主要存在的问题包括：1. 现有金刚石磨粒把持力差，出现镀镍层剥落、金刚石磨粒脱落甚至断线等问题，严重降低线锯的使用寿命。2.环形母线在焊接处产生脆性区，工作时容易裂断。
有鉴于此，如何设计一种金刚石磨粒具有更高的把持力、不易裂断、使用寿命更长的环形电镀金刚石线锯是本发明研究的课题。
发明内容
本发明提供一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法，其目的是要解决现有环形电镀金刚石线锯的金刚石磨粒把持力差、易脱落，环形焊接处易裂断的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种环形电镀金刚石线锯的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.取用单根预处理过的金属丝为母线，在所述母线的表面预镀铜或者镍，然后将母线沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈。
步骤二.先进行上砂电镀处理，将金属镍和预处理过的金刚石磨料复合电镀到所述环形预镀线圈上；再进行加厚电镀处理，继续电镀金属镍，使金刚石磨料的一部分嵌入镍层中；最后经清洗烘干，得初步金刚石线锯，所述初步金刚石线锯的金刚石磨料一部分固结在镀镍层中。
步骤三.对步骤二制得的初步金刚石线锯进行高频感应处理，控制高频感应处理的电源频率为30~100KHz，在初步金刚石线锯的表面产生高频感应涡流；在高频感应涡流趋肤效应作用下，初步金刚石线锯的镀镍层和金刚石磨料均快速升温至1200~1400℃，使镀镍层发生重结晶反应，且镀镍层与金刚石磨料的结合面产生化学键，即镀镍层与金刚石磨料之间形成化学结合力；冷却后，所述镀镍层的收缩体积大于金刚石磨料的收缩体积，即镀镍层对金刚石磨料施加压应力。
步骤四.继续对所述初步金刚石线锯的表面进行超声波滚压处理，使其表面产生塑性变形，从而在表面产生残余压应力，进一步加强镀镍层对金刚石磨料的压应力，最终制得环形电镀金刚石线锯。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1.上述方案中，将母线沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈，母线的首尾线头不再需要焊接在一起，若首尾焊接在一起，也不会影响使用。环形预镀线圈实质为一个包括多股线的线圈，通过将母线缠绕至少两圈形成一个线圈的方式避免了单股线圈需要首尾对焊的问题，从而避免在焊接处产生脆性区而容易导致断裂。多股线圈和现有单股线圈相比，在等截面积的情况下，多股线圈中的单股线更细，制作细线要经过更多道拉拔工序，经拉拔变形，其表面和内部的缺陷大幅减少，提高了母线的抗疲劳和抗缺陷能力，所以减少了因母线本身缺陷导致断线的问题。在同等截面积情况下，多（n）股细线的惯性矩为单根线的1/n，因此，多股细线柔韧性比单根线大，使制得的金刚石线锯具有更高的柔韧性。
2.上述方案中，对金属丝进行预处理是本领域的常规手段，一般包括打磨、碱洗除油、酸洗除锈和表面活化处理等工序，本领域技术人员可以实现，且不是本发明的创新点，所以在本技术方案中未作过多赘述。
3.上述方案中，对金刚石磨料预处理是本领域的常规手段，一般包括清洗、粗化、敏化和还原等前处理，使金刚石表面具有催化活性和导电性，实现上砂过程中金刚石表面的有效电沉积，本领域技术人员可以实现，且不是本发明的创新点，所以在本技术方案中未作过多赘述。
4.上述方案中，上砂电镀和加厚电镀是本领域的常规手段，上砂是将镀液中金属离子（通常为Ni2+）还原后的金属与金刚石磨粒共同沉积在母线上的过程，通常有埋砂法和悬砂法；加厚电镀是利用镀液中的金属离子（通常为Ni2+）还原成金属并沉积在镀层表面的同时，将金刚石磨粒的一部分埋在镀层中的过程。本领域技术人员可以实现，且不是本发明的创新点，所以在本技术方案中未作过多赘述。
5.上述方案中，对步骤二制得的初步金刚石线锯进行高频感应处理，高频感应处理是现有技术，具体操作可以为利用高频感应加热电源，在感应线圈附近产生高频交变磁场，将初步金刚石线锯放入感应线圈中心，初步金刚石线锯在交变磁场作用下，其内部产生高频感应涡流，以上是一种实现手段，也可以通过其他现有手段实现，本领域技术人员可以理解也可以实现。在金刚石线锯电镀完成后，采用高频感应对金刚石线锯进行后处理，利用线锯表面的高频感应涡流的趋肤效应，对镀镍层和金刚石磨料进行热处理。采用涡流加热的优势为加热快、温度易控制、非接触加热、可实现局部加热。
6.上述方案中，在高温热处理条件下，镀镍层发生重结晶反应，使镀镍层与金刚石磨料的结合面、镀镍层与母线的结合面均产生相应的化学变化，形成了相应的化学键，即镀镍层与金刚石磨料、镀镍层与母线之间形成了化学结合力，化学键的强度较高，金刚石磨料被牢固地固定在镀镍层中，从而提高镀镍层对金刚石磨料的把持力。另外，重结晶反应有利于消除金属晶格缺陷。在实际生产过程中，由于金刚石磨料本身存在极大的化学惰性，不易与金属发生化学反应，常见的金属结合剂也难以浸润金刚石的表面。所以在金刚石磨料和镀镍层之间形成化学键是较为困难的。本技术方案采用涡流快速加热使镀镍层发生重结晶反应，从而使金刚石磨料和镀镍层结合面产生相应的化学变化，不需要引入金属结合剂等，操作简单，效果较好。
7.上述方案中，镀镍层和金刚石磨料受热时膨胀程度不同，在冷却过程中，发明人发现金刚石磨料的冷却收缩系数小于镀镍层的冷却收缩系数，所以镀镍层的收缩体积大于金刚石磨料的收缩体积，镀镍层对金刚石磨料施加压应力。在电镀金刚石线锯表面，金刚石颗粒镶嵌在镀镍层里，金刚石磨粒把持力主要表现为机械镶嵌力，该压应力有利于金刚石磨料在镀镍层的固定，即提高镀镍层对金刚石磨料的把持力。
8.上述方案中，趋肤效应是指交变电流通过导体时，由于电流密度的分布不均匀，随着交变频率的增高，电流将趋向于导线表面附近，导线内部的电流却越来越小现象称为趋肤效应，由于趋肤效应，导体表面温度将上升。本技术方案利用涡流的趋肤效应，来实现线锯表面的局部加热。
9.上述方案中，在涡流加热处理后，利用金属镍在常温下冷塑性的特点，通过超声波滚压对初步金刚石线锯进行表面处理，使其表面产生塑性变形，从而在表面产生残余压应力，有利于提高金刚石磨粒在镀镍层的固着强度。
10.上述方案中，步骤一中将所述母线沿一环线方向，以绞合的方式缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈。
11.上述方案中，步骤一中将所述母线沿一环线方向，以平行的方式缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈，再用低熔点金属锡将相邻两股线焊接在一起。
12.上述方案中，步骤一中将所述母线沿一环线方向缠绕3~10圈形成一环形线圈。
13.上述方案中，步骤一中所述母线的直径小于0.1mm。
14.上述方案中，步骤二中所述预处理过的金刚石磨料的表面镀有金属钛、铬或镍中的一种。
15.上述方案中，步骤二中所述预处理过的金刚石磨料的粒度为2~40µm。
16.上述方案中，所述超声波滚压处理的超声波频率为20~40KHz。
17.上述方案中，所述高频感应处理时间为1~5s。
本发明采用上述制备方法制备得到的环形电镀金刚石线锯。
本发明工作原理是：本发明采用单根预镀处理过的母线沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈，再经上砂电镀、加厚电镀、清洗烘干，得初步金刚石线锯。再进行高频感应处理，利用高频感应涡流的趋肤效应，对镀镍层和金刚石磨料进行快速升温热处理，镀镍层发生重结晶反应，镀镍层与金刚石磨料之间形成化学结合力，且冷却后镀镍层对金刚石磨料施加压应力。最后进行超声波滚压处理，在表面产生塑性变形，表面产生残余压应力，得环形电镀金刚石线锯。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1.本发明利用高频感应涡流的趋肤效应，对镀镍层和金刚石磨料进行热处理，加热快，可实现线锯表面快速升温，镀镍层发生重结晶反应，使镀镍层与金刚石磨料的结合面产生相应的化学变化，形成了相应的化学键。镀镍层与金刚石磨料之间的化学结合力有利于提高镀镍层对金刚石磨料的把持力。镀镍层和金刚石磨料受热膨胀后，经冷却，镀镍层的收缩体积大于金刚石磨料的收缩体积，镀镍层对金刚石磨料施加压应力，提高镀镍层对金刚石磨料的把持力。
2.本发明利用金属镍在常温下冷塑性的特点，通过超声波滚压对初步金刚石线锯进行表面处理，使其表面产生塑性变形，从而在表面产生残余压应力，有利于提高金刚石磨粒在镀镍层的固着强度。
3.本发明采用单根预镀处理过的母线沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈，避免了单股线圈需要首尾对焊的问题，从而避免在焊接处产生脆性区而容易导致断裂。且在等截面积的情况下，多股线圈比单股线圈具有更好的抗疲劳能力、抗缺陷能力和柔韧性。
总之，本发明的制备方法操作简单高效，通过提高镀镍层与金刚石磨料的化学结合力以及提高镀镍层对金刚石磨料的压应力，大幅提高镀镍层对金刚石磨料的把持力，从而大幅提高了环形电镀金刚石线锯的使用寿命。制得的环形电镀金刚石线锯切割效率更高，耐磨性更高，切口损失少，切割表面光洁度更高，可以节省硅、蓝宝石等贵重原材料，减少了生产成本。
附图说明
附图1为现有技术金刚石磨料固结后金刚石线锯的放大剖面图；
附图2为本发明金刚石磨料固结后金刚石线锯的放大剖面图；
附图3为本发明实施例1环形预镀线圈的部分结构示意图；
附图4为本发明实施例2环形预镀线圈的部分结构示意图；
附图5为本发明实施例1金刚石线锯的横截面示意图；
附图6为本发明实施例2金刚石线锯的横截面示意图。
以上附图中：1、母线；2、镀镍层；3、金刚石磨料；4、环形预镀线圈。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：
一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.取用单根预处理过的金属丝为母线1，在所述母线1的表面预镀铜或者镍，然后将母线1沿一环线方向，以平行的方式缠绕七圈形成一环形预镀线圈4，再用低熔点金属锡将相邻两股线焊接在一起。所述母线1的直径为0.08mm。
步骤二.先进行上砂电镀处理，将金属镍和预处理过的金刚石磨料3复合电镀到所述环形预镀线圈4上；再进行加厚电镀处理，继续电镀金属镍，使金刚石磨料3的一部分嵌入镍层中；最后经清洗烘干，得初步金刚石线锯，所述初步金刚石线锯的金刚石磨料3一部分固结在镀镍层2中。所述预处理过的金刚石磨料3的表面镀有金属钛，金刚石磨料3的粒度为2~40µm。
步骤三.对步骤二制得的初步金刚石线锯进行高频感应处理，控制高频感应处理的电源频率为30~100KHz，处理时间为1~5s，在初步金刚石线锯的表面产生高频感应涡流；在高频感应涡流趋肤效应作用下，初步金刚石线锯的镀镍层2和金刚石磨料3均快速升温至1200~1400℃，使镀镍层2发生重结晶反应，且镀镍层2与金刚石磨料3的结合面产生化学键，即镀镍层2与金刚石磨料3之间形成化学结合力；冷却后，所述镀镍层2的收缩体积大于金刚石磨料3的收缩体积，即镀镍层2对金刚石磨料3施加压应力。
步骤四.继续对所述初步金刚石线锯的表面进行超声波滚压处理，使其表面产生塑性变形，从而在表面产生残余压应力，进一步加强镀镍层2对金刚石磨料3的压应力，最终制得环形电镀金刚石线锯。所述超声波滚压处理的超声波频率为20~40KHz。
参见附图1所示，现有技术加工得到的金刚石线锯中金刚石磨料3与镀镍层2存在一定间隙，经本发明方法处理后得到的金刚石线锯的金刚石磨料3与镀镍层2之间的间隙变小，参见附图2所示。参见附图3和附图5所示，为本发明实施例1的环形电镀金刚石线锯结构示意图。加工单晶硅与传统金刚石线锯比，本发明线锯切割料损失降低了60%，大幅提高了使用寿命150%，硅片表面粗糙度达到Ra0.4以上。
实施例2：
一种环形电镀金刚石线锯及其制备方法，与实施例1的区别在于，参见附图4和附图6所示，步骤一中将所述母线1沿一环线方向，以绞合的方式缠绕三圈形成一环形预镀线圈4。加工单晶硅与传统金刚石线锯比，本发明线锯切割料损失降低了70%，大幅提高了使用寿命200%，硅片表面粗糙度达到Ra0.4以上。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.取用单根预处理过的金属丝为母线(1)，在所述母线(1)的表面预镀铜或者镍，然后将母线(1)沿一环线方向缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈(4)；
步骤二.先进行上砂电镀处理，将金属镍和预处理过的金刚石磨料(3)复合电镀到所述环形预镀线圈(4)上；再进行加厚电镀处理，继续电镀金属镍，使金刚石磨料(3)的一部分嵌入镍层中；最后经清洗烘干，得初步金刚石线锯，所述初步金刚石线锯的金刚石磨料(3)一部分固结在镀镍层(2)中；
步骤三.对步骤二制得的初步金刚石线锯进行高频感应处理，控制高频感应处理的电源频率为30~100KHz，在初步金刚石线锯的表面产生高频感应涡流；在高频感应涡流趋肤效应作用下，初步金刚石线锯的镀镍层(2)和金刚石磨料(3)均快速升温至1200~1400℃，使镀镍层(2)发生重结晶反应，且镀镍层(2)与金刚石磨料(3)的结合面产生化学键，即镀镍层(2)与金刚石磨料(3)之间形成化学结合力；冷却后，所述镀镍层(2)的收缩体积大于金刚石磨料(3)的收缩体积，即镀镍层(2)对金刚石磨料(3)施加压应力；
步骤四.继续对所述初步金刚石线锯的表面进行超声波滚压处理，使其表面产生塑性变形，从而在表面产生残余压应力，进一步加强镀镍层(2)对金刚石磨料(3)的压应力，最终制得环形电镀金刚石线锯。
2.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤一中将所述母线(1)沿一环线方向，以绞合的方式缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈(4)。
3.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤一中将所述母线(1)沿一环线方向，以平行的方式缠绕至少两圈形成一环形预镀线圈(4)，再用低熔点金属锡将相邻两股线焊接在一起。
4.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤一中将所述母线(1)沿一环线方向缠绕3~10圈形成一环形线圈。
5.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤一中所述母线(1)的直径小于0.1mm。
6.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤二中所述预处理过的金刚石磨料(3)的表面镀有金属钛、铬或镍中的一种。
7.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：步骤二中所述预处理过的金刚石磨料(3)的粒度为2~40µm。
8.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述超声波滚压处理的超声波频率为20~40KHz。
9.根据权利要求1所述的环形电镀金刚石线锯的制备方法，其特征在于：所述高频感应处理时间为1~5s。
10.根据权利要求1~9任意一项所述制备方法制备得到的环形电镀金刚石线锯。
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