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石墨邦訊：
1.引言
近年來由於光伏、半導體等行業發展迅速，對單晶矽片、藍寶石等貴重硬脆材料的需求量越來越大，不但對這些硬脆材料的加工質量要求越來越高，而且對降低加工過程中材料損耗的要求也越來越高。單晶矽片正朝著大直徑、小厚度方向發展，集成電路基片的加工要求單晶矽片的表面精度、表面粗糙度、表面損傷層等都達到最好的等級。從20世紀90年代中期開始，由於線鋸加工的切縫窄、厚度均勻、翹曲度較低，而被廣泛應用於單晶矽等貴重硬脆材料的加工。
根據線鋸結合劑種類的不同，有游離磨料和固結磨料兩類。游離磨料線切割加工使用含碳化矽游離磨料的磨削液，在工業切割領域表現穩定，在光伏產業的大尺寸矽片切割領域廣泛應用。但其加工效率較低且不利於加工更硬的材料、磨漿污染環境嚴重等問題，嚴重製約了該技術的進一步發展。隨著生產的發展，游離磨料線切割技術逐漸被固結磨料線鋸切割技術所替代，所用磨料一般採用金剛石。其利用特定工藝將金剛石磨粒固結在鋸絲表面，具有較高的耐磨性，能夠承受較大的切削力，切割效率高，適合加工單晶矽等硬脆材料，市場前景較為廣闊。
根據不同的結合劑固結磨料金剛石線鋸可分為樹脂結合劑金剛石線鋸、釺焊金剛石線鋸、電鍍金剛石線鋸等。本文分別介紹了這幾種線鋸的優缺點、使用性能、研究現狀，並對其實用性進行了對比，最終指出實用性最強的線鋸，及今後應進行的研究。
2固結磨料線鋸的研究現狀
2.1樹脂結合劑金剛石線鋸
樹脂結合劑金剛石線鋸是指以樹脂為結合劑，把金剛石磨料固結在鋸絲基體表面製備而成的金剛石線鋸。其製造工藝與樹脂結合劑砂輪的製造工藝基本一致，即將金剛石磨料同樹脂結合劑混合併直接塗敷在金屬基體的表面，然後乾燥並固化。根據實際需要可製成不同直徑和不同長度的線鋸，以便適應各種設備及加工工藝。對於硬脆材料的加工，樹脂結合劑金剛石線鋸能夠切割薄片，還可加工曲面，更可以用於小孔的研修。
可溶性酚醛樹脂在加熱固化過程中生成甲醛，加速了金屬基體的碳化，使得線鋸的強度降低。叢明輝等對此進行研究並提出在樹脂結合劑中添加銅粉可減慢基體碳化，最終顯著的改善了樹脂結合劑金剛石線鋸的導熱性能，提高樹脂結合劑的耐熱性、耐磨性、斷裂強度。時單採用底層為耐熱聚酯，表層為聚醯胺醯亞胺樹脂液、磨料及填料混合塗層的雙層塗覆工藝製備線鋸表面金剛石磨料分布較均勻，沒有節點、毛刺等現象，且線徑一致性較好。為提高樹脂結合劑金剛石線鋸的生產效率及使用性能，在製備過程使用改性樹脂，其切割矽晶體具有良好的表面質量和平滑性能。其中紫外光固化樹脂作為改性樹脂就倍受關注，由於紫外光固化屬於輻射固化，利用紫外光引發具有化學活性的低分子量物質轉變成高分子量物質，表觀上就是瞬間從液態轉化成固態的過程，因此可很大程度的提高生產效率。劉福慶通過對紫外光固化技術的研究，指出選擇鍍銅琴鋼絲經表面丙酮清洗後與R7或R9樹脂匹配使用，經鉻酸溶液處理後可以獲得優良的界面結合強度。本俊之通過研究認為採用芯線和磨粒層之間設有紫外光固化粘接劑層的雙層磨粒層結構，可以改善線鋸的耐磨性能且在結合劑中添加氧化鋁粉後，線鋸的製造速度能夠提高10倍以上，可對矽錠進行單切並且斷面粗糙度良好。
樹脂線鋸製備過程中樹脂固化需要加熱和燒結工序，這限制了線鋸的生產速度，而在矽片生產等實際使用過程中的成本又太高。光固化樹脂線鋸可很大程度的提高生效率，且使用液態樹脂作結合劑，屬於無溶劑樹脂，固化時沒有有害物質揮發，對環境造成的污染小，但其使用過程中磨粒很容易脫落。經試驗發現，其切割玻璃具有一定效果但切割後線鋸表面有部分樹脂及金剛石脫落。因此，應加強對在提高樹脂結合劑金剛石線鋸生產速度的同時，怎麼增加結合劑對磨料的把持力進行研究。以製備出更小直徑、更長使用壽命、更高生產效率的樹脂線。
2.2釺焊金剛石線鋸
鑑於樹脂線鋸對磨粒的把持力比較弱且生產效率低，釺焊金剛石線鋸很好的彌補了這一缺點。其利用高溫釺焊，讓金剛石和釺料在金屬基體的表面上發生熔融、浸濕、擴散、化合等化學冶金反應，以形成高強度的結合。與樹脂線相比，釺焊金剛石線鋸結合強度高、使用壽命長；磨粒刃口高度大、切割效率高；磨削力小、功率消耗小、磨削溫度低。
李松等將綠色環保液體膠和Ni—Cr—B—Si粉末狀釺料均勻混合成漿液，然後塗覆在芯線表面，把金剛石磨料均勻鑲嵌在釺料塗層上，在保護氣氛中加熱至釺料融化，冷卻後製成釺焊金剛石線鋸。張發壘等通過研究認為用氣體保護感應加熱釺焊工藝製備金剛石線鋸，可提高線鋸對金剛石磨粒的把持力，並對氣體保護裝置和釺焊工藝進行了研究，成功製備出了釺焊金剛石線鋸。華僑大學用自己發明的裝置，可製備距離長、直徑均勻、性能穩定的釺焊金剛石線鋸。張國青等利用銅基釺料釺焊製備小直徑金剛石線鋸，並探討其切割過程斷裂機理及行為的結果表明：釺焊金剛石線鋸的斷裂形式主要有韌性斷裂和疲勞斷裂，在切割過程中應選擇較高的線鋸走絲速度、較小的進給速度，以避免線鋸的韌性斷裂。如何減小釺焊過程中線鋸基體的損傷、熱應力是釺焊金剛石線鋸製備的重點和難點。王波等通過對高溫釺焊金剛石線鋸的研究表明，高溫釺焊後線鋸的整體機械性能比原始基體下降很多，這嚴重影響了線鋸的加工性能。
儘管釺焊金剛石線鋸對磨料的把持力較強彌補了樹脂線的缺點，但其由於本身機械強度低，切割過程中容易斷裂也不能很好的應用於工業生產。在今後的工作中應該尋找更恰當的提高線鋸壽命的熱處理方法，減小基體的熱損傷，改善線鋸的機械能。
2.3電鍍金剛石線鋸
電鍍金剛石線鋸就是在鍍液中添加一定的金剛石磨料，當鍍液中的金屬離子在陰極還原成金屬並沉積在線鋸基體上時，將金剛石磨粒被包裹到鍍層中，製成的一種線性鋸切工具。其有效的克服了樹脂線磨料把持力低容易脫落、釺焊金剛石線鋸機械強度低容易斷裂的缺點，實用性更強。其切割過程中具有切面光整、出材率高、切割效率高、節約能源、不受材料尺寸和形狀限制等優點，特別適合寶石等貴重硬脆材料的加工。
其製備工藝包括：前處理、預鍍、上砂、加厚、後處理等程序，而這每一個過程都對線鋸的生產效率、使用性能有著不同的影響。王亮亮等通過研究認為：在預鍍和加厚槽中安放刷鍍裝置，可縮短兩個工序所需時間，提高生產效率。張景濤以複合電鍍的基本理論為基礎，研究了影響上砂的工藝參數。結果表明：用鍍覆金剛石顆粒替換普通的金剛石顆粒，上砂速度可以提高一倍以上，進而提高生產效率。為更好的研究線鋸使用性能可通過切割實驗並利用疊加原理和軌跡曲線計算建立鋸切軌跡方程，其為優化金剛石線鋸的切割工藝參數提供了理論基礎。高玉飛在理論上對單晶矽各向異性的材料特性影響電鍍線鋸切割矽晶片的因素進行了探討，發現：工藝參數一定時，切口兩邊材料的彈性模量分布關於線鋸切入方向對稱性，能有效的提高晶片表面質量；線鋸切入方向同晶面內易開裂方向一致，能有效抑制晶片表面的破碎。 為進一步改善線鋸性能，Ge等認為光亮鍍液可提高電鍍金剛石線鋸的性能，並根據時間及電流密度對鍍層的影響，設計出最佳生產工藝。王敬等製備了具有絞合鋼線芯的三絲絞合電鍍金剛石線鋸，通過實驗發現三絲絞合電鍍金剛石線鋸具有磨損小、切割能力強等優點。
為適應某些加工工藝，高偉等研製了一種新型環形電鍍金剛石線鋸，其基體採用直徑為0.8mm的65Mn鋼絲製備，利用氬弧焊焊接接基體兩端接口。其切縫寨，出材率高，特別適合單晶矽、寶石等貴重硬脆材料與各向異性複合材料的鋸切，還能進行二維曲面的鋸切加工。陳超等通過實驗說明了環形金剛石線鋸的優異特性，其切割單晶矽材料表面粗糙度在0.328—0.6微米之間；切割藍寶石表面粗糙度在0.473—0.7微米之間，具有較好的切割效果。高偉用自製的環形電鍍金剛石線鋸，鋸切石島紅花崗岩的試驗表明：增大金剛石粒度不能大幅度提高切割效率，而線鋸的進給壓力及走絲速度對鋸切效率有較大的影響，它們的增大可提高切割效率，但最有利的是提高線鋸的走絲速度。為提高走絲速度侯志堅設計製造了環形鋸絲線鋸床，能夠實現環形線鋸單方向連續運動，變速範圍4.5—28m/s，可滿足不同材料的切割要求，並可實現無級調速的伺服電機驅動和恆進給力驅動的兩種進給方式。孟劍鋒通過研究認為在提高線鋸工具機的精度，充分體現較高加工效率、較好加工質量優勢的同時，還應設計製作更長的環形固結金剛石鋸絲以滿足切割難加工超硬材料的要求。 受焊接工藝、焊機功能的限制，還不能焊接直徑小於0.2mm的鋼琴絲及含碳量較高的材料，因此需要進一步研究新型焊接工藝方法及焊後熱處理技術等。
儘管電鍍金剛石線鋸在生產效率、磨料把持力等單方面的性能不如樹脂線、釺焊線，但就整體使用性能前者優於後兩者，且使用範圍更廣。電鍍金剛石線鋸通過生產工藝、走線速度、三絲絞合、環形線等方面的改善更好的提高了使用性能。但為了進一步改善其性能，在今後的工作中還應作更深入的研究，繼續研究更加合理的生產工藝，提高線鋸生產效率、降低生產成本，提高結合劑對磨粒的把持力、延長使用壽命，同時還應提高鋸切設備精度、優化鋸切質量。
2.4固結磨料金剛石線鋸新技術
利用計算機優勢模擬線鋸的切割過程，為改變磨粒大小、線速度、進給速度等參數來提高線鋸切削能力的研究創造了有利條件。Kim等人對多線鋸的金剛石線鋸做往復運動切割藍寶石進行了實驗，並設計出相應的切割良好的工藝。Gao獨自設計的具有一定生產效率的金剛石線鋸可成功切割海底輸油管，並對其各項工藝參數間的相互關係進行了研究。金剛石線鋸在切割矽錠時，在切口處會有矽損失，對矽材料造成了浪費，而利用溴化氫作用的化學方法可以很好的回收切口處損失的矽。陳超等採用多條環形金剛石線鋸排列成縱橫的網狀線切割多晶矽錠，可有效利用環形金剛石線鋸單方向、無慣性力、高速運動的特性使加工效率提高几倍。
3結論
固結磨粒金剛石線鋸作為一種新穎的精密高效鋸切工具，與游離磨粒線鋸相比，耐磨性高、切割效率高、可加工高硬材料，市場前景廣闊。現總結如下：
1）儘管樹脂結合劑金剛石線鋸有相對較高的生產效率，但其在使用過程中磨料很容易脫落，不利於實際應用，因此應開發磨料結合能力更強的樹脂結合劑金剛石線鋸。
2）釺焊金剛石線鋸彌補了樹脂線鋸切過程中磨粒容易脫落的缺點，但高溫釺焊後線鋸的整體機械性能比原始基體下降很多，這嚴重影響了線鋸的加工性能，應尋找更恰當的熱處理方法，減小熱損傷，改善線鋸的機械性能。
3）相對樹脂線和釺焊金剛石線鋸，電鍍金剛石線鋸的生產效率、磨粒把持力等單方面不是特別優秀，但總體上其更具實用性，且應用範圍更廣。但為了進一步改善電鍍金剛石線鋸的性能，應繼續研究更加合理的生產工藝，提高線鋸生產效率、降低生產成本，提高結合劑對磨粒的把持力、延長使用壽命，同時還應改善切割設備的精度、優化加工質量。
（超硬天地）
