王美娟，王日初，彭超群，馮 艷，張 純

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

隨著光電產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，單晶硅片和藍(lán)寶石等貴重硬脆材料的應(yīng)用日益廣泛，且對(duì)其尺寸和加工要求越來越高，例如：單晶硅片向著大直徑、小厚度方向發(fā)展，集成電路基片加工要求硅片表面有好的面型精度、小的表面粗糙度和淺的損傷層[1]。目前，貴重硬脆材料的精密高效加工技術(shù)主要有圓片鋸切割、帶狀工具切割和線鋸切片切割。線鋸切片主要分為金剛石線鋸和金剛石串線鋸。由于圓片鋸的鋸片剛性差，易發(fā)生振動(dòng)，被切割材料的平行度偏差[2]，影響材料的加工質(zhì)量；帶狀工具的框架鋸在切割過程中需要頻繁換向，使切割效率降低，影響經(jīng)濟(jì)效益。然而，金剛石線鋸不僅能切割大尺寸高硬度硅錠，且具有加工表面損傷小、切片薄、片厚均勻、撓曲變形小和效益高等其他幾種方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3]，得到了廣泛應(yīng)用。按磨粒的類型，金剛石線鋸可分為游離磨粒金剛石線鋸和固結(jié)磨粒金剛石線鋸。游離磨粒金剛石線鋸的基體通常為表面鍍銅的不銹鋼絲，在線鋸切割過程中，粒徑為10～15μm 的金剛石進(jìn)入切割區(qū)域，并在較高的鋼絲壓力和進(jìn)給速度共同作用下對(duì)工件進(jìn)行切割，具有高的走線速度和切割速率，且不易產(chǎn)生崩邊現(xiàn)象，但對(duì)線鋸張力要求較高，磨料懸浮液回收困難，工作環(huán)境惡劣[4-5]。固結(jié)磨粒金剛石線鋸在很大程度上克服了這些缺點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注。固結(jié)磨粒金剛石線鋸制備方法主要有釬焊法、樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法、電鍍法和機(jī)械碾壓法。機(jī)械碾壓法由于將磨粒直接碾入線鋸基體中，對(duì)基體性能影響較大，且要求磨粒粒徑較小，使鋸切效率降低，因此，此法制備的固結(jié)磨粒金剛石線鋸難以在鋸切材料加工中得到實(shí)際應(yīng)用。電鍍法制備金剛石線鋸屬于復(fù)合電鍍范疇。復(fù)合電鍍作為一種制備具有良好耐磨性、耐腐蝕性和潤滑性的金屬基復(fù)合材料的新技術(shù)，操作簡單、易于控制、生產(chǎn)成本低和原材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。本文作者總結(jié)固結(jié)磨粒金剛石線鋸的3種制備方法(釬焊法、樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法和電鍍法)，分析金剛石表面金屬化的原理和模型，并對(duì)其幾種方法進(jìn)行比較，探討復(fù)合電鍍過程中粒子與沉積金屬的共沉積機(jī)理，最后指出固結(jié)磨粒金剛石線鋸的發(fā)展方向。

1 釬焊法

金剛石磨粒與鍍層的結(jié)合方式直接影響工具的切割速度和使用壽命，對(duì)金剛石工具的性能起決定作用。圖1所示為在金剛石磨粒與鍍層不同結(jié)合方式下，金剛石工具的切割速度與使用壽命的關(guān)系[6]。從圖1可以看出，當(dāng)工具切割速度相同時(shí)，與機(jī)械嵌入相比，化學(xué)結(jié)合的工具使用壽命較長，性能較好。釬焊法就是通過高溫釬焊使金剛石和釬料在基體界面上發(fā)生熔融、浸濕、擴(kuò)散和化合等化學(xué)冶金作用，實(shí)現(xiàn)高結(jié)合強(qiáng)度的一種方法。與其他方法相比，釬焊法制備金剛石線鋸具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 金剛石與基體結(jié)合強(qiáng)度高，使用壽命長；2) 磨粒刃口高度大，容屑量多，不易堵塞，切割效率高；3) 磨削力小，消耗功率少，磨削溫度低。目前，釬焊法的研究主要集中在砂輪、空心鉆、金剛石鋸片和串珠等金剛石工具的制備和加工性能，很少用于制備金剛石線鋸[7]。

圖1 結(jié)合方式對(duì)金剛石工具切割速度與壽命的影響[6]Fig.1 Influences of bonding methods on life and speed for diamond tools[6]

釬焊法主要分為真空電阻加熱焊、鹽浴釬焊、高頻感應(yīng)釬焊和激光釬焊等方法。當(dāng)采用真空電阻釬焊時(shí)，電阻加熱速度緩慢，加熱范圍難以控制，工藝過程耗時(shí)長，成本高，對(duì)線鋸的尺寸要求較高，且長時(shí)間高溫加熱易降低線鋸的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。鹽浴釬焊是將金剛石和基體放入鹽浴爐中進(jìn)行加熱，釬焊溫度較低，金剛石磨粒一般不發(fā)生熱損傷，但工藝繁瑣，不利于線鋸的工業(yè)生產(chǎn)。高頻感應(yīng)釬焊和激光釬焊可避免真空電阻加熱焊和鹽浴釬焊的缺點(diǎn)，是釬焊經(jīng)常采用的一種方法。由于金剛石磨粒在空氣中加熱到800℃時(shí)開始石墨化，即發(fā)生氧化和燃燒，無法達(dá)到釬焊所需的高溫(約為1 050℃)，而在還原性氣體、惰性氣體或真空氣氛下，金剛石磨粒發(fā)生熱損傷的溫度高達(dá)2 100℃；因此，為避免高溫下金剛石磨粒發(fā)生熱損傷，高頻感應(yīng)釬焊和激光釬焊等高溫釬焊應(yīng)在惰性氣體或真空保護(hù)中進(jìn)行。李嘉[8]采用激光釬焊方法，通過優(yōu)化激光功率、光斑大小和離焦率等工藝參數(shù)將釬焊溫度控制在1 050℃，并在氬氣氣體保護(hù)下連接Ag-Cu-Ti或Ni-Cr-B-Si活性釬料與金剛石磨粒，使金剛石磨粒與釬料合金的界面形成化學(xué)冶金結(jié)合。選擇合適的釬料可以降低金剛石與基體由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高把持強(qiáng)度，如Ti、Cr和V等金屬活性元素可作為釬料，與金剛石反應(yīng)而潤濕表面，達(dá)到改善金剛石表面的效果[9]。由于Ti與金剛石磨粒反應(yīng)表面生成TiC層，同時(shí)，Cu-Sn與Ti混合形成高強(qiáng)度時(shí)效硬化合金，具有較好的潤濕性，且Cu-Sn-Ti合金可通過控制熔融、降溫和退火等條件生成多種雙相和三相金屬間化合物，因此，以Cu-Sn-Ti為釬料具有美好的應(yīng)用前景[10]。常用于釬焊金剛石線鋸釬料的合金體系有Ni-B-Cr-基體合金、Cu-Sn-Ti和Cu-Ag-Ti等[11]。張發(fā)壘等[7]以Ni-Cr-B-Si為焊料，在氬氣氛圍下通過高頻感應(yīng)線圈加熱釬焊，成功研制出直徑為0.8 mm、把持力較強(qiáng)的固結(jié)磨粒金剛石線鋸。HIGASHI等[12]為避免在釬焊溫度超過 600℃下線鋸基體SUS-304的降解，向47.5%Ag-25.5%Cu-27.0%Sn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))金屬基釬焊材料中加入Ni形成低釬焊溫度的47.5%Ag-25.5%Cu-27.0%Sn-1%Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù))釬焊材料，從而改善SUS-304的脆性。另外，對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行適當(dāng)處理，可以提高磨粒與釬焊材料的結(jié)合強(qiáng)度。MA等[13]通過化學(xué)氣相鍍方法在金剛石磨粒表面鍍上一層薄且連續(xù)的非晶體結(jié)構(gòu)碳層(1～2 μm)，再通過感應(yīng)釬焊方法將金剛石磨粒、釬焊合金和基體結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒和釬焊合金的高結(jié)合強(qiáng)度。

采用釬焊法制得的固結(jié)磨粒金剛石線鋸雖然把持強(qiáng)度較高，但還存在以下問題：1) 金剛石、基體和釬料三者之間的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致焊接區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力，線鋸力學(xué)性能明顯下降；2) 釬焊溫度、釬焊時(shí)間和釬料等工藝參數(shù)對(duì)線鋸性能有重要影響，工藝的優(yōu)化使釬焊變得復(fù)雜化；3) 難以控制線鋸基體的金相組織、彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度不受高溫影響。

2 樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法

2.1 線鋸基體

選擇固結(jié)磨粒金剛石線鋸基體的原則主要以直徑小和強(qiáng)度高為主，常采用金屬絲作為基體，如琴鋼絲、普通鋼絲和不銹鋼絲等。然而，隨著直徑微細(xì)化，金剛石線鋸金屬絲很難符合實(shí)際加工技術(shù)要求，且難以達(dá)到所需的抗拉強(qiáng)度。JUN等[14]考慮到鋸絲需承受幾十牛頓的張緊力，琴鋼絲的直徑應(yīng)大于0.13 mm。毛煒等[15]比較在相同直徑為0.2 mm下聚酯線、尼龍線、聚乙烯線和芳綸線4種非金屬芯線和琴鋼絲金屬芯線的抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)聚乙烯線的最高抗拉強(qiáng)度(3 439 MPa)明顯高于琴鋼絲的抗拉強(qiáng)度(2 755 MPa)，且聚酯線和芳綸線在紫外線照射下，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)衰減趨勢，從而提出用非金屬芯線代替金屬芯線，選用直徑為0.2 mm、抗拉強(qiáng)度較高的聚乙烯線作為線鋸基體。另外，線鋸的基體應(yīng)考慮切割設(shè)備和加工方式等方面，如環(huán)形線鋸要求基體材料有優(yōu)良的焊接性能，且焊接接頭具有足夠高的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性。基體表面預(yù)處理包括砂紙打磨除去金屬氧化物、超聲波清洗、丙酮除油、酸洗、表面活化和清潔干燥等，有時(shí)為提高金剛石與基體的粘結(jié)力，需進(jìn)一步清除表面殘留的惰性物質(zhì)，如表面化學(xué)活化處理。另外，還可以對(duì)基體表面進(jìn)行電鍍金屬層和磷化處理。表1所列為經(jīng)不同表面處理后的琴鋼絲在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別從4種光固化樹脂試件中拔出的最大載荷，以測試鋼絲與樹脂的結(jié)合性能[16]。從表1中可以看出，與未經(jīng)任何處理的琴鋼絲從4種光固化樹脂試件中拔出的最大載荷相比，經(jīng)磷化處理的琴鋼絲從相同的試件中拔出的最大載荷均有提高，而琴鋼絲經(jīng)表面鍍銅后從相同的試件中拔出的最大載荷發(fā)生不同程度的增減，這表明經(jīng)磷化處理后，琴鋼絲與光固化樹脂的結(jié)合力較強(qiáng)且穩(wěn)定。

表1 琴鋼絲從不同樹脂試件拔出的最大載荷Fmax(N)[16]Table1 Maximum loads Fmax(N) of piano wires pulled out of four series of ultraviolet-curing resins[16]

2.2 金剛石磨粒

為保證切削材料的加工表面質(zhì)量，金剛石磨粒粒徑要求較小、分布范圍窄，但磨粒粒徑越小，線鋸直徑越小，切削損耗量越低，出材量越高，而切削效率下降，因此，金剛石磨粒粒徑應(yīng)大小宜適中。同時(shí)，金剛石磨粒表面與樹脂的浸濕性差是造成固結(jié)磨粒金剛石線鋸的金剛石磨粒把持強(qiáng)度小的重要原因，因此，當(dāng)采用樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法制備固結(jié)磨粒金剛石線鋸時(shí)，通常磨粒表面應(yīng)粗糙潔凈，親水性較好，與樹脂結(jié)合牢固。金剛石磨粒的預(yù)處理分為金剛石表面凈化處理和表面活化處理兩個(gè)步驟。常用的凈化處理工藝為：金剛石磨粒置于蒸餾水中采用超聲波清洗 10 min→在10%HNO3溶液中煮沸30 min→用蒸餾水漂洗至pH值約為7→在10%NaOH溶液中煮沸30 min→用蒸餾水漂洗至pH值約為7。常用的活化處理工藝為：在 70～75℃濃硫酸重鉻酸鈉溶液(V(98%濃H2SO4):V(Na2Cr2O7·2H2O):V(蒸餾水)=200:3.5:3.5)中浸濕 15～20 min→用蒸餾水漂洗后烘干。為提高磨粒在線鋸表面上的把持強(qiáng)度，可在金剛石表面涂上質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的鎳；通過電沉積方法使金剛石表面形成不光滑的鎳層，加強(qiáng)金剛石表面與樹脂的錨定效應(yīng)；對(duì)金剛石表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理，使金剛石與樹脂結(jié)合劑通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而牢固結(jié)合，磨粒把持強(qiáng)度可提高 60%～70%[17]。金剛石磨粒用量需進(jìn)行合理的選擇，當(dāng)金剛石磨粒加入量過多時(shí)，分布在線鋸表面的金剛石磨粒之間間隔較小，使容屑槽相對(duì)體積減小，切割速率降低；同時(shí)，樹脂結(jié)合劑的相對(duì)量降低，使磨粒與基體之間的結(jié)合力減小，磨粒易剝落，線鋸使用壽命縮短。當(dāng)金剛石磨粒加入量過少時(shí)，樹脂結(jié)合劑的相對(duì)含量增大，使樹脂與加工材料之間產(chǎn)生摩擦，切割效率下降，線鋸使用壽命縮短。宋術(shù)青[18]以線鋸切割硅晶體一段時(shí)間后外徑減小到0.2 mm、切割面積最大為指標(biāo)，優(yōu)化金剛石磨粒與樹脂的配比，確定金剛石磨粒含量為550 mg/cm3。目前，在采用樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法制備金剛石線鋸的所有工藝參數(shù)中，關(guān)于金剛石磨粒用量的研究報(bào)道相對(duì)較少。

2.3 樹脂結(jié)合劑及其改性

2.3.1 樹脂的選擇

樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法是以樹脂為結(jié)合劑，將金剛石磨粒均勻涂覆固化在基體表面上,從而形成固結(jié)磨粒金剛石線鋸的一種方法[19]。為提高金剛石磨粒與基體的結(jié)合力，樹脂結(jié)合劑應(yīng)與金剛石磨粒和基體有較好的潤濕性，且具有較好的力學(xué)性能、粘結(jié)強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性能以防分解。樹脂結(jié)合劑分為熱固化和光固化兩類。熱固化樹脂通常為粘性液體，耐熱性能差，需經(jīng)過加熱和燒結(jié)后才能固化成為不溶不熔的堅(jiān)硬固體。采用樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法制備線鋸，其生產(chǎn)速度僅為每分種數(shù)十米，存在能耗大、生產(chǎn)成本高和效率低等問題。SUNG[20]在采用熱固化樹脂結(jié)合劑粘結(jié)法制造金剛石線鋸這一方面申請(qǐng)了專利，成功制備出直徑為0.3 mm的金剛石線鋸，但這種工藝需對(duì)線鋸在300℃下進(jìn)行加熱后燒結(jié)固化處理，導(dǎo)致鋼絲在高溫下容易變脆，明顯降低鋼絲的扭曲強(qiáng)度。光固化樹脂通常為耐熱性較好、固化時(shí)間較短的丙烯酸等紫外線固化樹脂，采用此類樹脂作為結(jié)合劑不僅能提高生產(chǎn)效率，簡化工藝，且制備的金剛石線鋸的加工表面質(zhì)量明顯優(yōu)于電鍍金剛石線鋸的加工表面質(zhì)量[21]，具有機(jī)械強(qiáng)度高和耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)。TOSHIYUKI等[22]采用紫外光固化樹脂作為結(jié)合劑，低成本制備了力學(xué)性能和切割性能均較好的金剛石線鋸。但是，當(dāng)單獨(dú)采用樹脂作為結(jié)合劑時(shí)，有時(shí)難以達(dá)到金剛石磨粒與基體所需要的結(jié)合力，因此，需對(duì)樹脂結(jié)合劑進(jìn)行改性，如向樹脂中加入適量的添加劑可以改善其機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和粘結(jié)性能。

2.3.2 樹脂結(jié)合劑改性方法

樹脂結(jié)合劑常用改性方法有添加高性能液體橡膠、加入偶聯(lián)劑、引入納米材料和選擇粘結(jié)性較好的固化劑。向環(huán)氧樹脂中加入高性能液體橡膠后，樹脂與橡膠分別呈兩相結(jié)構(gòu)，即環(huán)氧樹脂為連續(xù)相，橡膠為分散相，當(dāng)粘結(jié)體系受到應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生大量的銀紋，而分散的橡膠段作為應(yīng)力的主要集中物，可以吸收銀紋產(chǎn)生的大量能量，阻止銀紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而降低內(nèi)應(yīng)力，提高粘結(jié)強(qiáng)度[23]。常用的液體橡膠有端羧基丁腈(CTBN)、羥基丁腈(HTBN)和端氨基丁腈(ATBN)等。偶聯(lián)劑屬于兩端具有不同性質(zhì)官能團(tuán)的分子化合物，分子一端的基團(tuán)能與被粘物發(fā)生反應(yīng)，另一端與有機(jī)物反應(yīng)，通過化學(xué)鍵的形式牢固地將被粘物與有機(jī)物結(jié)合，主要起橋接作用，從而改善這兩種性質(zhì)不同材料的表面性能，增加其界面粘附性。有機(jī)硅烷化合物是一種最常用的偶聯(lián)劑[18]。鑒于納米材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)效應(yīng)，李紹杰[24]分別將納米銅粉、納米氧化鋁粉、納米氧化鋯粉和納米碳氮化鈦粉作為樹脂添加劑，研究納米粒子與樹脂的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)納米粒子通過物理化學(xué)力和物理纏結(jié)力與酚醛樹脂的分子鏈相結(jié)合，改善樹脂抗拉壓強(qiáng)度、耐熱和耐沖擊等性能；ENOMOTO等[21]向酚醛樹脂中加入粉末氧化鋁、碳化硅、銅和金剛石，發(fā)現(xiàn)銅粉的效果最明顯，這是由于樹脂加熱固化產(chǎn)生的甲醛可以降低銅粉中的自然氧化層而限制基體的碳化；GE等[25]選擇直徑為0.2 mm的琴鋼絲作為基體，粒徑為20～30 μm的金剛石作為磨粒，混合的酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂作為結(jié)合劑，納米粉末作為添加劑來提高把持強(qiáng)度和耐熱性。通過正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工藝最佳參數(shù)如下：結(jié)合劑中納米銅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，混合樹脂中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，金剛石磨粒在所有混合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。而侯志堅(jiān)等[26]研究發(fā)現(xiàn)的最佳工藝參數(shù)如下：在涂層中樹脂占35%，平均粒徑為20 μm的金剛石磨粒占50%，納米銅粉占15%。

3 電鍍法

3.1 原理和特點(diǎn)

電鍍金剛石線鋸是指向鍍液中添加一定粒徑的金剛石磨粒，當(dāng)鍍液中的金屬離子陰極還原成金屬(通常為Ni或Ni-Co合金)并沉積在線鋸基體上時(shí)，金剛石微粒被包覆進(jìn)入鍍層而制成的一種線性超硬材料[23]。金屬鍍層是基體與金剛石磨粒的結(jié)合劑，金剛石磨粒未包覆的部分用于切削加工。電鍍法分為前處理、預(yù)鍍、上砂、加厚和后續(xù)處理過程。前處理主要對(duì)電鍍金剛石線鋸基體進(jìn)行堿洗除油、酸洗除銹和表面活化處理；對(duì)金剛石表面進(jìn)行清洗、粗化、敏化和還原等前處理，使金剛石表面具有催化活性和導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)在上砂過程中金剛石表面有效的電沉積。由于在復(fù)合電鍍過程中，部分H+在陰極基體上還原，以氫原子形式滲入基體和鍍層晶格點(diǎn)陣中，使線鋸韌性下降，即“氫脆”現(xiàn)象；因此，需對(duì)金剛石線鋸進(jìn)行后續(xù)處理。后續(xù)處理通常將鋸絲放入200～250℃的烘箱中保溫2 h，達(dá)到除氫處理的效果。在上砂過程中，金剛石與鍍層金屬共沉積于基體的過程比較復(fù)雜，涉及陽極溶解與鈍化、液相傳質(zhì)、電子轉(zhuǎn)移和結(jié)晶、粒子吸附和陰極析氫等過程。電鍍金剛石線鋸的基體材料應(yīng)具有直徑較小、抗拉強(qiáng)度高和韌性好的特點(diǎn)，且其電極電位應(yīng)低于沉積金屬電位。高偉等[27]采用直徑為0.3 mm的琴鋼絲作為基體，而LUKSCHANDEL等[28]采用直徑為0.15～0.3 mm的不銹鋼彈簧絲作為基體。金剛石的粒徑主要影響基體的內(nèi)應(yīng)力。圖2所示為電鍍金剛石線鋸基體的SEM像[29]。為提高金剛石的把持強(qiáng)度，對(duì)圖2(a)中的金剛石磨粒進(jìn)行了激光處理；與圖2(a)相比，圖2(b)中的金剛石粒徑較小。從圖2可以看出，粒徑較小的金剛石可以減小基體表面的損傷，延長金剛石線鋸的使用壽命。目前，市場上所銷售的電鍍金剛石線鋸采用金剛石磨粒粒徑為20～40 μm。

圖2 兩種金剛石線鋸基體的SEM像[29]Fig.2 SEM images of two matrixes of new diamond wires: (a)Number 1; (b) Number 2[29]

電鍍法制造的金剛石線鋸具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 切削量少，切面光整，鋸縫整齊，出材率高，特別適合寶石、陶瓷、水晶等貴重硬脆材料的加工；2) 線鋸切割速度大，切割效率高，節(jié)約能源且環(huán)保，噪音?。?) 加工材料不受尺寸和形狀限制，不僅大規(guī)格到小尺寸的硬脆板材等材料可進(jìn)行加工，而且曲面的加工和小孔的研修均可實(shí)現(xiàn)。

3.2 工藝

預(yù)鍍是指在金剛石與基體之間鍍上過渡層(通常為Ni層)，一方面可以減小金剛石對(duì)基體組織結(jié)構(gòu)的損傷，增大金剛石在基體上的把持力；另一方面可以阻止基體發(fā)生“氫脆”。預(yù)鍍液配方有多種，根據(jù)成分不同，鍍液可分為氯化物型、瓦特型和氨基磺酸型等。氯化物型鍍液所允許的極限電流密度較高，微粒沉積速度較快，但易使鍍層產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；瓦特型鍍液成本較低、鍍液穩(wěn)定且鍍層殘余應(yīng)力較小，應(yīng)用范圍廣泛；氨基磺酸型鍍液具有鎳沉積速度快和內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，適于在制備過程中有彎曲運(yùn)動(dòng)的金剛石線鋸，但其電鍍參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制，尤其是pH值。

上砂是將鍍液中金屬離子(通常為Ni2+)還原后的金屬與金剛石共同沉積在基體上的過程。上砂是整個(gè)電鍍金剛石線鋸最關(guān)鍵的部分，該過程需要控制的工藝參數(shù)較多，如陰極電流密度、溫度、pH值、上砂時(shí)間、攪拌方式和速率、基體放置方式、金剛石濃度和陽極排布位置等。LUKSCHANDEL等[28]采用兩次上砂處理，即先鍍一層粒徑約為25 μm的金剛石，鎳層厚度為3 μm，后鍍一層粒徑約為2 μm金剛石，鎳層總體厚度高達(dá)11 μm，此方法可以降低加厚鍍過程產(chǎn)生的壓應(yīng)力，提高金剛石的把持強(qiáng)度，降低后續(xù)處理溫度，且制備的線鋸切削效率較高。在復(fù)合鍍過程中，當(dāng)陰極電流密度較小時(shí)，增大陰極電流密度可以縮短極限時(shí)間，即促進(jìn)微粒進(jìn)入鍍層，使單位時(shí)間內(nèi)鍍層的微粒含量較多；當(dāng)陰極電流密度過大時(shí)，基質(zhì)金屬沉積速度往往比微粒沉積速度快，鍍層中的微粒含量相對(duì)下降。GE等[30]研究電流密度對(duì)金剛石復(fù)合量和基體與鍍層之間結(jié)合力的影響，發(fā)現(xiàn)最佳電流密度值為1.5～2.0 A/dm2。金剛石復(fù)合量是決定線鋸性能的關(guān)鍵影響因素之一，它主要影響線鋸的切割速度、使用壽命、加工材料的形狀和表面精確度。確定最佳金剛石復(fù)合量的一般規(guī)則是[31]：當(dāng)金剛石磨粒與加工材料之間接觸的區(qū)域較小時(shí)，要求最佳的金剛石復(fù)合量相對(duì)較高；當(dāng)其接觸區(qū)域較大時(shí)，要求最佳的金剛石復(fù)合量相對(duì)較低。LEEAE等[32]研究電壓、金剛石濃度和攪拌速率對(duì)鍍層金剛石體積分?jǐn)?shù)的影響，發(fā)現(xiàn)增大金剛石濃度相當(dāng)于增大電流密度，使鎳沉積速率加快；由于鎳沉積速率主要由鎳離子向陰極電荷轉(zhuǎn)移和電化學(xué)反應(yīng)共同控制，Ni-金剛石復(fù)合鍍中金剛石的體積分?jǐn)?shù)隨著電壓增大和攪拌速率在相對(duì)較大的范圍內(nèi)的提高而降低。

加厚鍍是利用鍍液中的金屬離子還原成金屬并沉積在鍍層表面的同時(shí)，將金剛石粒徑的一部分埋在鍍層中的過程。加厚鍍的目的主要是提高金剛石在鍍層上的把持力，避免金剛石在工作中過早脫落。為方便操作和節(jié)約能源，通常將預(yù)鍍、上砂和加厚鍍的溫度、pH值和陰極電流密度保持恒定。加厚鍍時(shí)間與加厚厚度視金剛石粒度而定，理想加厚厚度應(yīng)為金剛石粒徑的2/3，理論公式如下[33]：

式中：t為電鍍時(shí)間(h)，δ為鍍層厚度(μm)，Dk為陰極電流密度(A/dm2)，η為電流效率(%)，K為厚度系數(shù)(cm/(A·h))。為提高金剛石磨粒的把持強(qiáng)度，通常加厚鍍所用的時(shí)間比預(yù)鍍和上砂的時(shí)間長。GE等[30]和高玉飛等[34]在電流密度為1.5～2.0 A/dm2下制備金剛石粒徑為20 μm的電鍍金剛石線鋸，所用的預(yù)鍍、上砂和加厚鍍的時(shí)間分別為6、8～10和18 min，而竇百香[35]制備400號(hào)金剛石的電鍍金剛石線鋸，所用的預(yù)鍍、上砂和加厚鍍的時(shí)間分別為1、2和6 min。

4 金剛石表面金屬化

4.1 原理與模型

金剛石與大多數(shù)金屬材料(如鎳基合金)具有較高的界面結(jié)合能，表面不易被金屬或合金潤濕，導(dǎo)致金剛石與基體結(jié)合力較差，而出現(xiàn)金剛石早期脫落現(xiàn)象。金剛石線鋸在服役過程中產(chǎn)生大量熱量，加劇金剛石氧化和石墨化，縮短金剛石線鋸的使用壽命。因此，提高金剛石與基體的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)金剛石與基體的冶金結(jié)合，保持金剛石的穩(wěn)定性是提高電鍍金剛石線鋸的切割效率和使用壽命的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)外通常采用金剛石表面金屬化技術(shù)來降低金剛石與基體的結(jié)合界面能，形成穩(wěn)定的化學(xué)冶金結(jié)合，使金剛石不僅具有美麗的色澤，且提高其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和潤濕性，從而擴(kuò)大金剛石工具的應(yīng)用領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代初起，英國、愛爾蘭和西德等國家使用經(jīng)表面金屬化處理的金剛石工具，發(fā)現(xiàn)其使用壽命提高30%～40%，對(duì)金剛石濃度的需求量降低20%[36]。

金剛石表面金屬化是指采用表面處理技術(shù)，使金屬或金屬化合物薄膜包覆在金剛石顆粒表面的一種方法。金剛石晶體中所有價(jià)電子均參與成鍵，而表面的碳原子上僅存在一懸掛鍵，在一定的壓力和溫度下，其懸掛鍵可與表面的金屬或金屬化合物形成化學(xué)鍵，達(dá)到金剛石與基體的冶金結(jié)合。通過化學(xué)或物理方法鍍覆于金剛石表面的元素必須能在高溫下與金剛石表面的碳原子生成穩(wěn)定的碳化物，起防護(hù)作用，鍍覆元素通常為過渡金屬或合金。過渡族元素的3d層未充滿電子數(shù)目越多，與碳結(jié)合就越容易，對(duì)碳的親和力遞減順序依次為Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe、Co和Ni。由于鍍覆材料與金剛石的熱膨脹系數(shù)不同，金剛石與形成的碳化物之間存在較大的熱應(yīng)力，在W、Ti、Cr、V、Nb、Mo、Ta和Zr形成的碳化物中，Cr3C2的熱應(yīng)力值最大，而NbC的最小[37]。同時(shí)，多層碳化物層能有效降低金剛石與碳化物之間的熱應(yīng)力。金剛石表面的金屬或金屬化合物分為3層，從內(nèi)到外分別為：第一層是碳化物層，層厚在幾百納米之內(nèi)，該層在整個(gè)金剛石金屬化過程中起關(guān)鍵作用；第二層是合金化層，層厚為幾微米，該層對(duì)碳化物層具有較好的粘結(jié)性；第三層是電鍍層，層厚為幾十微米，該層須與金屬胎體緊密結(jié)合。圖3所示為金剛石表面金屬化的模型[38]。

圖3 金剛石表面金屬化模型[38]Fig.3 Metallized model of diamond surface[38]

4.2 方法

金剛石表面金屬化的方法有化學(xué)鍍再加電鍍、真空化學(xué)氣相鍍、真空物理氣相鍍、磁控濺射和鹽浴鍍等?；瘜W(xué)鍍再加電鍍是指先在無電流條件下，通過自催化作用在清洗、活化和敏化等預(yù)處理過的金剛石表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)并沉積金屬，使金剛石表面導(dǎo)電，后通過電鍍將被鍍金屬在電場力作用下電沉積在金剛石表面而形成鍍層，該方法的具體工藝見圖4[39]。目前，國內(nèi)金剛石表面被鍍金屬有Ni、Ni-P-Cu、Ni-W-B、Co和Cu，美國專利提出Ni-W和Co-W等一系列復(fù)合鍍[40]。其中Ni、Cu和Co等石墨化元素不適合作金剛石線鋸中金剛石金屬表面化處理的電鍍元素[40]。一方面，這是由于當(dāng)?shù)蜏鼗蛑袦鼗瘜W(xué)鍍再電鍍的Ni-W或Co-W等合金在燒結(jié)時(shí)，金剛石表面石墨化，使碳化物生長在金剛石表面的石墨層上，導(dǎo)致金剛石與碳化物不能直接結(jié)合，達(dá)不到化學(xué)結(jié)合的效果；另一方面，這是由于高溫化學(xué)鍍再電鍍雖能使金剛石與碳化物化學(xué)結(jié)合，但高溫易破壞金剛石的表面結(jié)構(gòu)，降低金剛石與碳化物的結(jié)合強(qiáng)度。在化學(xué)鍍中，形成強(qiáng)碳化物的元素在鍍層中含量較小(小于10%)，降低了碳化物作為粘結(jié)劑的效果。因此，增加碳化物的形成幾率，提高結(jié)合強(qiáng)度是化學(xué)鍍再電鍍的技術(shù)關(guān)鍵。

圖4 金剛石表面金屬化化學(xué)鍍再電鍍工藝流程[39]Fig.4 Process of electroless-electroplating on diamond[39]

化學(xué)氣相鍍(CVD)是指在一定的溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間下，被鍍金屬的氣態(tài)化合物與金剛石表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成鍍層的一種方法。WANG等[41]采用CVD方法在金剛石表面鍍鈦或鍍鎢，再進(jìn)行化學(xué)鍍再電鍍，取得了結(jié)合強(qiáng)度較好的復(fù)合鍍層；SUN等[42]采用CVD方法在關(guān)于金剛石表面鍍鎢方面取得了專利。熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)是目前相當(dāng)成熟的一種CVD方法。目前，通過CVD方法使金剛石薄膜生長在金屬絲上的報(bào)道較多。例如，MANFREDOTTI等[43]通過 HFCVD方法使金剛石薄膜生長在直徑為50～500 μm的鎢絲上，并探討金剛石膜在不同沉積條件下的生長機(jī)理，為獲得均勻的金剛石膜提供理論依據(jù)。MELO等[44]將石墨和甲烷作為碳源，通過HFCVD方法使鎢絲表面生成金剛石薄膜。通過HFCVD方法在金屬絲上制備的金剛石薄膜可以作為金剛石線鋸中金剛石磨粒與基體的過渡層，降低磨粒與基體之間的擠壓力，且金剛石薄膜與金剛石磨粒之間有較好的浸潤性。因此，將HFCVD方法應(yīng)用在金剛石線鋸的制備方面具有很強(qiáng)的開發(fā)潛力。

物理氣相沉積鍍(PVD)是指在真空中將被鍍金屬、合金或金屬化合物氣化成的離子、分子或原子直接沉積在金剛石表面的一種方法。由于金剛石微粒周圍為均勻氣相環(huán)境，經(jīng)物理氣相沉積鍍處理過的金剛石鍍層不僅均勻且連續(xù)完整，解決了化學(xué)氣相沉積鍍(CVD)方法的漏鍍問題。在物理氣相沉積鍍過程中，鍍層厚度由溫度和時(shí)間共同控制。高的加熱溫度增加金剛石表面的原子和金屬原子的活性，催化界面反應(yīng)，加劇碳化物的形成，而過高的加熱溫度增大金剛石石墨化趨向。因此，在保證實(shí)現(xiàn)物理氣相沉積鍍前提下，加熱溫度不宜超過碳化物發(fā)生改變的熱力學(xué)溫度，這是確定溫度的重要原則。唐安俊等[45]為避免過高溫度的負(fù)面影響，將TiH2涂在金剛石表面，一方面利用TiH2受熱分解的Ti和碳形成碳化物；另一方面將其作為絕熱劑，用來吸收金剛石表面的熱量，防止金剛石石墨化。在恒定的加熱溫度下，物理氣相沉積鍍時(shí)間越長，界面反應(yīng)越充分，則石墨化現(xiàn)象越嚴(yán)重，金屬化的處理時(shí)間通常保持在25 min左右。

雖然CVD方法、真空蒸鍍方法和磁控濺射方法是金剛石表面金屬化的幾種傳統(tǒng)方法，但是，CVD方法要求的溫度高達(dá)900～1300℃，使金剛石嚴(yán)重?fù)p傷；真空蒸鍍方法和磁控濺射方法可在室溫下進(jìn)行金剛石表面金屬化，但目前關(guān)于此類的研究報(bào)道較少。脈沖激光方法(PLD)最顯著的特點(diǎn)包括：1) 高度非均衡蒸發(fā)過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光束，傳送靶材成分至基體表面而形成沉積物；2) 強(qiáng)烈的激光束易蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料。由于用作金剛石表面金屬化的較多金屬靶材是高熔點(diǎn)材料，且PLD方法產(chǎn)生的高速高能量的激光束易使靶材成分滲入金剛石表面的外層，利于金剛石與金屬之間的碳層形成，因此，PLD方法已廣泛用于金剛石表面薄膜的制備。JIANG等[46]通過PLD方法在金剛石表面鍍Ti薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，與表面未進(jìn)行金屬化的金剛石相比，鍍Ti的金剛石抗壓強(qiáng)度提高39%，并發(fā)現(xiàn)表面有TiC生成，使金剛石與Ti薄膜、金剛石與基體的結(jié)合強(qiáng)度提高，金剛石刀片的切削性能和使用壽命也得到改善。表2所列為幾種金剛石表面金屬化方法的特征。

表2 幾種金剛石表面金屬化方法的特征Table2 Characteristics of several methods on metallization of diamond surface

5 復(fù)合電鍍共沉積機(jī)理

5.1 吸附理論

復(fù)合電鍍工藝的研究早在30多年前就比較廣泛，但由于復(fù)合鍍的影響因素過于復(fù)雜，難以提供規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。掌握金剛石與鍍層結(jié)合方式，加深金剛石與金屬共沉積的理解，可以為提高金剛石復(fù)合量和把持強(qiáng)度提供理論依據(jù)。然而，關(guān)于鍍液微粒與金屬共沉積的機(jī)理曾經(jīng)有過不同的觀點(diǎn)。最早的數(shù)學(xué)模型是1972年的Guglielmi模型[47]，此模型認(rèn)為在復(fù)合電鍍過程中，微粒先后進(jìn)行弱吸附和強(qiáng)吸附步驟。當(dāng)微粒弱吸附量達(dá)到一定值時(shí)，一小部分微粒就會(huì)不可逆地處于強(qiáng)吸附狀態(tài)，隨后被嵌入鍍層中，即為兩步吸附理論。Guglielmi兩步吸附模型只在低電流密度下適用，而在高電流密度下，鍍液中的粒子沒有充分時(shí)間先后發(fā)生弱吸附和強(qiáng)吸附過程。同時(shí)，Guglielmi兩步吸附模型并沒有考慮粒子尺寸和流體力學(xué)對(duì)粒子共沉積的影響。為克服這些不足，CELIS等[48]認(rèn)為粒子與金屬共沉積經(jīng)歷5個(gè)過程，如圖3所示。從圖3可以看出，惰性粒子先表面吸附大量的離子云，再通過鍍液的強(qiáng)制對(duì)流被運(yùn)輸?shù)疥帢O表面的動(dòng)力邊界層，隨后擴(kuò)散并穿越雙電層，吸附在陰極表面，此時(shí)，粒子吸收的離子云發(fā)生還原，不可逆地將粒子嵌入到金屬基質(zhì)中。該模型的前提條件是鍍液為穩(wěn)態(tài)，不考慮鍍液中濃度、壓強(qiáng)、溫度和過電壓的變化。此模型已被證實(shí)適用于Cu-Al2O3和Au-Al2O3復(fù)合鍍。然而，此模型的有些假設(shè)缺乏可靠性?；贕uglielmi模型，HWANG等[49]認(rèn)為在不同電流密度下，粒子沉積速率由吸附于粒子表面的離子在陰極表面發(fā)生的還原反應(yīng)所決定。HWANG等[49]研究 Co-SiC復(fù)合鍍過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流密度較小時(shí)，僅H+發(fā)生還原，SiC沉積速率由吸附于SiC表面的H+還原速率決定；當(dāng)電流密度適中時(shí)，H+還原速率已達(dá)到最大值，而Co2+仍在還原；當(dāng)電流密度較大時(shí)，H+與Co2+還原速率均達(dá)到最大值。這符合HWANG等[49提出的假說。然而，以上模型均強(qiáng)調(diào)吸附于粒子表面的離子在共沉積中發(fā)生還原反應(yīng)和參數(shù)(如陰極電流密度、粒子表面吸附的離子數(shù)量和交換電流密度)之間復(fù)雜關(guān)系的重要性。WANG等[50]基于粒子在陰極表面的吸附強(qiáng)度和有效吸附這一假說，推導(dǎo)出復(fù)合鍍層中粒子復(fù)合量與鍍液中粒子含量和電流密度的表達(dá)式，此表達(dá)式適用于Fe-P-(α-Al2O3)復(fù)合鍍。武剛等[51]以粒子和陰極之間的吸附強(qiáng)度為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合粒子表面的受力狀態(tài)，研究電流密度在1～20 A/dm2范圍內(nèi)，粒子被有效吸附嵌入鍍層的概率與平均吸附強(qiáng)度的關(guān)系，建立了α-Al2O3與Co-Ni的復(fù)合電沉積動(dòng)力學(xué)模型，并通過數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了電流密度對(duì)吸脫附常數(shù)、粒子沉積量、有效吸附概率和平均吸附強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖5 粒子與金屬共沉積過程的5個(gè)階段[48]Fig.5 Five stages in codeposition of particle[48]

5.2 力學(xué)理論

微粒在陰極表面上的附著力分為靜電力、分子間作用力、結(jié)構(gòu)力、憎水作用力、滲透力和化學(xué)作用力。除靜電力和結(jié)構(gòu)力為排斥力外，其他均為吸引力，當(dāng)吸引力比排斥力大時(shí)，微粒才能附著在陰極表面。常見的力學(xué)理論有“機(jī)械截留原理”，該理論把復(fù)合電鍍層的形成看成一種隨機(jī)過程，即懸浮的微粒隨機(jī)停留在陰極表面，隨后可能被電沉積金屬嵌入到鍍層中。微粒停留于鍍層只是通過簡單幾何形狀的鎖定，或是鍍層對(duì)微粒的機(jī)械嚙合作用，只有當(dāng)微粒粒徑的一半小于金屬層厚度，即厚徑比T/P小于50%時(shí)，微粒才能被嵌入[52]，但杜楠等[53]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍍時(shí)間不到5 s時(shí)，厚徑比T/P為0.0252%就有微粒嵌入鍍層，表明微粒在陰極表面停留時(shí)間很短，微粒通過界面作用力與鍍層結(jié)合。TU等[54]研究微粒Al2O3與電沉積金屬Ni的結(jié)合方式，發(fā)現(xiàn)Al與O之間存在的不飽和化學(xué)鍵，由于高反應(yīng)活性，易富集在納米Al2O3的表面位錯(cuò)點(diǎn)，Ni離子通過不飽和化學(xué)鍵與粒子結(jié)合并在表面形核/生長，此時(shí)，納米Al2O3易插入晶格點(diǎn)陣中，從而實(shí)現(xiàn)金屬與粒子的共沉積。目前，用力學(xué)理論解釋復(fù)合電鍍共沉積機(jī)理的研究相對(duì)較少。

5.3 電化學(xué)理論

從電化學(xué)方面考慮，復(fù)合鍍過程中包括金屬的電結(jié)晶步驟，即包括溶液中的離子擴(kuò)散到電極表面、電子轉(zhuǎn)移和失去溶劑化外殼而先后形成吸附原子、吸附原子的表面擴(kuò)散、形成臨界晶核、吸附原子遷移到晶格位置和結(jié)晶后形態(tài)特征的發(fā)展[55]。金屬電結(jié)晶分為兩維電結(jié)晶的形核與生長、三維核心的形核與生長和多晶沉積的形核與生長。兩維電結(jié)晶沉積的生長所涉及形核的核心為一個(gè)分子或一個(gè)原子厚的盤，基體一般要求為惰性或無位錯(cuò)的單晶表面；當(dāng)三維電結(jié)晶沉積時(shí)，其瞬時(shí)形核和連續(xù)形核表達(dá)式是依據(jù)核心生長相互獨(dú)立的假定而推導(dǎo)出的，且不考慮“交疊”問題[55]。在三維核心的形核和生長中，當(dāng)晶格組合決定晶體生長步驟時(shí)，僅考慮生長核心為簡單幾何形狀的直立圓錐體，即為BFT模型。當(dāng)擴(kuò)散決定晶體生長步驟時(shí)，大量生長核心都在基體表面上形成，其擴(kuò)散場的相互作用將引起難以處理的問題，在短時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散場之間的相互作用假設(shè)忽略，暫態(tài)電流正比于t1/2時(shí)為瞬時(shí)形核，正比于t3/2時(shí)為連續(xù)形核。由于雙電層充電和吸附原子形成產(chǎn)生的電流而發(fā)生畸變，該形核機(jī)理分析不大準(zhǔn)確，Scharifker和Hill考慮生長核心為無規(guī)則排列產(chǎn)生的擴(kuò)散場重疊效應(yīng)，提出 Scharifker-Hill三維形核模型[56]。Scharifker-Hill三維形核模型在電化學(xué)形核中應(yīng)用最為廣泛，盡管該理論模型基于純金屬的形核與生長[57]，但也廣泛用于合金的形核與生長[58-59]。當(dāng)粒子與金屬或合金共沉積時(shí)，粒子對(duì)金屬或合金的形核與生長產(chǎn)生影響。趙旭山等[60]研究SiC粒子對(duì)鎳電結(jié)晶行為的影響，發(fā)現(xiàn)粒子為鎳電結(jié)晶提供形核點(diǎn)，促進(jìn)鎳電結(jié)晶形核，且純鎳鍍層和Ni-SiC鍍層生長過程均符合Scharifker-Hill三維形核模型。BUELENS等[61]比較 Cu-Al2O3和Au-Al2O3復(fù)合鍍的共沉積數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)惰性粒子 Al2O3在這兩種鍍液體系中的共沉積模型相似，粒子 Al2O3的沉積速率一部分是由吸附于粒子上的離子還原速率控制，而其速率主要是由向電極傳質(zhì)速率和電源供應(yīng)的電壓共同控制。

6 結(jié)束語

固結(jié)磨粒金剛石線鋸是近年來發(fā)展相對(duì)較新的一種精密高效加工工具。為滿足單晶硅片和藍(lán)寶石等貴重硬脆材料的應(yīng)用日益廣泛的市場化要求，制備出切削精度高、磨損耗量小、壽命長、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染少和效益高等特點(diǎn)的固結(jié)磨粒金剛石線鋸是今后研究者們的工作重點(diǎn)。目前，國內(nèi)制備固結(jié)磨粒金剛石線鋸的工藝還未成熟，國內(nèi)應(yīng)用的固結(jié)磨粒金剛石線鋸大多是從國外引進(jìn)，而國外關(guān)于固結(jié)磨粒金剛石線鋸的具體工藝尚未公開。制備固結(jié)磨粒金剛石線鋸的幾種方法各有所長，選擇合適的制備方法至關(guān)重要。提高固結(jié)磨粒金剛石線鋸中金剛石磨粒與基體的結(jié)合強(qiáng)度，是制備固結(jié)磨粒金剛石線鋸最關(guān)鍵的步驟。電鍍金剛石線鋸涉及復(fù)合電鍍，深入理解粒子金剛石與金屬的復(fù)合共沉積機(jī)理，對(duì)提高金剛石線鋸的金剛石復(fù)合量提供理論依據(jù)。綜合國內(nèi)外目前已開展的工作，本文作者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)開展固結(jié)磨粒金剛石線鋸的研究與研發(fā)工作：

1) 選用不同方法，改變工藝參數(shù)，討論方法與參數(shù)的交聯(lián)關(guān)系，選擇最優(yōu)的方法和工藝參數(shù)。

2) 將金剛石表面金屬化方法應(yīng)用于固結(jié)磨粒金剛石線鋸，對(duì)提高固結(jié)磨粒金剛石線鋸中金剛石磨粒與基體的結(jié)合強(qiáng)度有重要意義，但固結(jié)磨粒金剛石線鋸的金剛石表面關(guān)于金屬化處理仍未見報(bào)道，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這方面的研究。

3) 目前關(guān)于復(fù)合共沉積機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍未達(dá)到統(tǒng)一，應(yīng)明確復(fù)合電沉積機(jī)理。

[1]劉緒鵬.金剛石線鋸的復(fù)合電鍍法制備及其性能研究[D].大連: 大連理工大學(xué), 2008.LIU Xu-peng.Study on the composite plating manufacturing and the performance of fixed diamond wire[D].Dalian: Dalian University of Technology, 2008.

[2]解振華, 魏 昕, 黃蕊慰, 熊 偉.半導(dǎo)體晶片的金剛石工具切割技術(shù)[J].金剛石與磨料磨具工程, 2004, 139(1): 10-14.XIE Zhen-hua, WEI Xin, HUANG Rui-wei, XIONG Wei.Semiconductor wafer slicing with diamond tools[J].Diamond &Abrasives Engineering, 2004, 139(1): 10-14.

[3]周 銳, 李劍峰, 李方義, 路 冬.金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].現(xiàn)代制備工程, 2004(6): 112-114.ZHOU Rui, LI Jian-feng, LI Fang-yi, LU Dong.The research actualities and development of the diamond wire saw[J].Modern Manufacturing Engineering, 2004(6): 112-114.

[4]張鳳林, 袁 慧, 周玉梅, 王成勇.硅片精密切割多線劇研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程, 2006, 156(6): 14-18.ZHANG Feng-lin, YUAN Hui, ZHOU Yu-mei, WANG Cheng-yong.Progress of multi-wire saw for precision slicing of silicon wafer[J].Diamond & Abrasives Engineering, 2006,156(6): 14-18.

[5]CHIBA Y, TANI Y, ENOMOTO T, SATO H.Development of a high-speed manufacturing method for electrophted diamond wire tools[J].Annals of the CIRP, 2003, 52 (1): 281-284.

[6]SUNG C M.Brazed diamond grid: A revolutionary design for diamond saws[J].Diamond and Related Materials, 1999, 8(8/9):1540-1543.

[7]張發(fā)壘, 肖 冰.釬焊金剛石線鋸的制作工藝[J].機(jī)械制備研究, 2009, 38(3): 87-89.ZHANG Fa-1ei, XIAO Bing.Manufacturing technique of brazed diamond wire saw[J].Machine Building and Automation, 2009,38(3): 87-89.

[8]李 嘉.激光釬焊金剛石磨粒工藝及機(jī)理研究[D].南京: 南京航空航天大學(xué), 2007.LI Jia.Research on the process and mechanism of laser brazing diamond grits[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007.

[9]MORET F, EUSTATHOPOULOS N.Ceramic-to-metal direct brazing[J].Journal de Physique, 1993, 3(7): 1043-1052.

[10]BUHL S, LEINENBACH C, SPOLENAK R, WEGENER K.Microstructure, residual stresses and shear strength of diamond-steel-joints brazed with a Cu-Sn-based active fi ller alloy[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, 30(1): 16-24.

[11]HUANG Sheng-fang, TSAI H L, LIN Shun-tian.Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix[J].Materials Chemistry and Physics, 2004, 84(2/3): 251-258.

[12]HIGASHI T, INOUE M, ONOKI T, YOKOTA M, MURATA Y,NAKAHIRA A.Development of low melting temperature coating materials for high performance diamonds wire saw:effect of an additive on mechanical properties[J].Journal of the Society of Materials Science, 2010, 59(6): 418-422.

[13]MA Bo-jiang, YU Qing-xian.Hot- fi lament chemical vapor deposition of amorphous carbon fi lm on diamond grits and induction brazing of the diamond grits[J].Applied Surface Science, 2012, 258(10): 4750-4755.

[14]JUN S, HIROSHI H, MIZOGUCHI A．Development of fixed-abrasive-grain wire saw with less cutting loss[J].Sumitomo Electric Technical Review, 2003, 163: 43-47.

[15]毛 煒, 彭 偉, 姚春燕, 劉福慶.紫外光固化非金屬芯線金剛石線鋸研究[J].新技術(shù)新工藝, 2008, 7: 88-90.MAO Wei, PENG Wei, YAO Chun-yan, LIU Fu-qing.Research on UV of nonmetallic core wire curing diamond wire saw[J].New Technology & New Process, 2008, 7: 88-90.

[16]劉福慶.紫外光固化金剛石線鋸制備技術(shù)研究[D].杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2008.LIU Fu-qing.Resarch on manufacturing technology of ultravliolet-curing diamond wire saw[D].Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2008.

[17]葛培琪.固結(jié)磨料金剛石鋸絲制備技術(shù)[J].金剛石與磨料磨具工程, 2006, 156(6): 12-27.GE Pei-qi.Some improvements on manufacturing techniques of fixed diamond wire saw[J].Diamond ＆ Abrasives Engineering,2006, 156(6): 12-27.

[18]宋術(shù)青.改性樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸絲[D].濟(jì)南: 山東大學(xué),2010.SONG Shu-qing.Fixed abrasive diamond wire saw with modified resin adhesive[D].Jinan: Shandong University, 2010.

[19]叢明輝, 徐冬梅, 齊 維, 仝 宇.樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程, 2011, 31(2): 61-65.CONG Ming-hui, XU DONG-mei, QI Wei, TONG Yu.Research progress in resinoid diamond wire saw[J].Diamond & Abrasives Engineering, 2011, 31(2): 61-65.

[20]SUNG C M.Superabrasive wire saw and associated methods of manufacture：United States, 6915796[P].2005-07-12.

[21]ENOMOTO T, SHIMAZAKI Y, TANI Y, SUZUKI M, KANDA Y.Development of a resinoid diamond wire containing metal powder for slicing a slicing ingot[J].Annals of the ClRP, 1999,48(1): 273-276.

[22]TOSHIYUKI E, YASUHIRO T, TETSUHIRO T.Development of a resinoid diamond wire tool utilizing ultraviolet curing resin[J].Journal of the Japan Society for Precision Engineering,2002, 68(11): 1481-1485.

[23]向 波, 賀躍輝, 謝志剛, 黃艷華.電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào), 2007, 21(8): 25-29.XIANG Bo, HE Yue-hui, XIE Zhi-gang, HUANG Yan-hua.Research progress in electroplated diamond wire saw[J].Materials Review, 2007, 21(8): 25-29.

[24]李紹杰.樹脂結(jié)合劑金剛石鋸絲的研制[D].濟(jì)南: 山東大學(xué),2008.LI Shao-jie.Development of resin-bonded diamond wire saw[D].Jinan: Shandong University, 2008.

[25]GE Pei-qi, HOU Zhi-jian, LIU Shao-jie.Development of resin bonded diamond wire saw and slicing experiments[J].Key Engineering Materials, 2009, 416: 321-326.

[26]侯志堅(jiān), 葛培琪, 張進(jìn)生, 李紹杰.環(huán)形樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸研制[J].金剛石與磨料磨具工程, 2008, 164(2): 14-20.HOU Zhi-jian, GE Pei-qi, ZHANG Jin-sheng，LI Shao-jie.Development of looped resin bonded diamond wire saw[J].Diamond & Abrasives Engineering, 2008, 164(2): 14-20.

[27]高 偉, 竇百香, 李艷紅, 劉 偉.電鍍金剛石線鋸的制造工藝研究[J].工具技術(shù), 2008, 43(7): 56-59.GAO Wei, DOU Bai-xiang, LI Yan-hong, LIU Wei.Study on manufacturing process of electroplated diamond wire saw[J].Tool Engineering, 2008, 43(7): 56-59.

[28]LUKSCHANDEL J, MEYER J.Nickel diamond-coated saw wire with improved anchoring of the diamond particles: Unite States, 6783442B2[P].2004-08-31.

[29]CLARK W I, SHIH A J , HARDIN C W, LEMASTER R L,MCSPADDEN S B.Fixed abrasive diamond wire machining—Part I: Process monitoring and wire tension force[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003,43(5): 523-532.

[30]GE Pei-qi, GAO Yu-fei, LI Shao-jie, HOU Zhi-jian.Study on electroplated diamond wire saw development and wire saw wear analysis[J].Key Engineering Materials, 2009, 416: 311-315.

[31]TONSHOFF H K, HILLMANN A H.Diamond tools for wire sawing metal components[J].Diamond and Related Materials,2002, 11(3/6): 742-748.

[32]LEEA E C, CHOI J W.A study on the mechanism of formation of electrocodeposited Ni-diamond coatings[J].Surface &Coatings Technology, 2001, 148(2/3): 234-240.

[33]梁時(shí)駿, 梁啟民.電鍍層厚度的簡便計(jì)算[J].電鍍與精飾,1999, 13(6): 23-25.LIANG Shi-jun, LIANG Qi-min.Simple calculations for electroplating coatings thickness[J].Plating and Finishing, 1999,13(6): 23-25.

[34]高玉飛, 葛培琪, 李紹杰, 侯志堅(jiān).用復(fù)合電鍍法制造電鍍金剛石鋸絲的實(shí)驗(yàn)研究[J].金剛石與磨料磨具工程, 2007,162(6): 34-37.GAO Yu-fei, GE Pei-qi, LI Shao-jie, HOU Zhi-jian.Experimental study on manufacturing electropiated diamond wire[J].Diamond & Abrasives Engineering, 2007, 162(6):34-37.

[35]竇百香.電鍍金剛石線鋸快速制造工藝及設(shè)備的研究[D].青島: 青島科技大學(xué), 2009.DOU Bai-xiang.Study on process and equipment of rapid manufacture electroplate diamond wire[D].Qingdao: Qingdao University of Science and Technology, 2009.

[36]冒愛琴, 何宜柱, 鄭翠紅, 朱偉長, 閆 勇, 李家茂.金剛石表面金屬化的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19(2): 31-33.MAO Ai-qin, HE Yi-zhu, ZHENG Cui-hong, ZHU Wei-chang,YAN yong, LI Jia-mao.Development of cladding on diamond[J].Materials Review, 2005, 19(2): 31-33.

[37]李 耕.金剛石與其表面金屬化層及胎體間的熱應(yīng)力分析[J].粉末冶金技術(shù), 2002, 20(4): 209-213.LI Geng. Investigation on thermal stress between diamond-surface metallized layer-matrix[J].Powder Metallurgy Techonology, 2002, 20(4): 209-213.

[38]吳玉會(huì), 李國彬, 李長龍, 王春芳.金剛石表面金屬化[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 18(4): 62-65.WU Yu-hui, LI Guo-bin，LI Chang-long，WANG Chun-fang.Cladding on diamond[J].Journal of Tianjin Institute of Technology, 2002, 18(4): 62-65.

[39]趙振艷, 趙 強(qiáng), 安會(huì)芬, 李國彬.金剛石表面化學(xué)鍍Ni-P[J].電鍍與涂飾, 2005, 25(5): 13-15.ZHAO Zhen-yan, ZHAO Qiang, AN Hui-fen, LI Guo-bin.Electroless Ni-P plating on diamond surface[J].Electroplating &Finishing, 2005, 25(5): 13-15.

[40]項(xiàng) 東, 李木森, 許 斌, 劉科高.鍍覆金剛石技術(shù)的研究進(jìn)展[J].超硬材料工程, 2006, 18(3): 44-49.XIANG dong, LI Mu-seng, XU Bin, LIU Ke-gao.Research progress of techniques of coated diamond[J].Superhard Material Engineering, 2006, 18(3): 44-49.

[41]WANG Y H, ZANG J B, WANG M Z.Properties and applications of Ti-coated diamond grits[J].Journal of Material Processing Technology, 2002, 129(1/3): 371-374.

[42]SUN Feng-lian, FENG Ji-cai, LI Dan.Bonding of CVD diamond using an Ag-Cu-Ti alloy[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 115(3): 333-337.

[43]MANFREDOTTI C, FIZZOTTI F, LO G A, MUCERA G,POLESELLO P, VITTONE E, MANKELEVICH Y A, SUETIN N V.Growth and characterisation of CVD diamond wires for X-ray detection[J].Diamond and Related Materials, 1997, 6(8):1051-1056.

[44]MELO L L, MORO J R, CASTRO R M, CORAT E J,TRAVAAIROLDI V J.A comparative study of diamond growth on tungsten wires by using methane and graphite as the carbon source[J].Surface & Coatings Technology, 2007, 201(16/17):7382-7386.

[45]唐安俊, 黃本生, 劉 炯, 薛 屺.金剛石金屬化熱力學(xué)分析及影響因素研究[J].四川有色金屬, 2007(1): 21-25.TANG An-jun, HUANG Ben-sheng, LIU Jiong, XUE Qi.Study on the thermodynamics of diamond metallization[J].Sichuan Nonferrous Metals, 2007(1): 21-25.

[46]JIANG Chao, LUO Fei, LONG Hua, HU Shao-liu, LI Bo,WANG You-qing.Pulsed laser deposition of metallic fi lms on the surface of diamond particles for diamond saw blades[J].Applied Surface Science, 2005, 246(1/3): 207-213.

[47]GUGLIELMI N.Kinetics of the deposition of inert particle from electrolytic bath[J].Journal of the Electrochemical Society, 1972,119: 1009-1012.

[48]CELIS J P, ROOS J R, BUELENS C.A mathematical model for the electrolytic codeposition of particles with a metallic matrix[J].Journal of the Electrochemical Society, 1987, 134(6):1402-1408.

[49]HWANG B J, HWANG C S.Mechanism of codeposition of silicon carbide[J].Journal of the Electrochemical Soiety, 1993,140(4): 979-984.

[50]WANG D L, LI J, DAI CH S, HU X G.An adsorptions strength model for the electrochemical codeposition ofα-Al2O3particles and a Fe-P alloy[J].Journal of Applied Electrochemistry, 1999,29 (4): 437-444.

[51]武 剛, 李 寧, 王殿龍, 周德瑞.α-Al2O3與Co-Ni合金電化學(xué)共沉積動(dòng)力學(xué)模型[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 19(11):996-1000.WU Gang, LI Ning, WANG Dian-long, ZHOU De-rui.A kinetic model for the electrolytic codeposition ofα-Al2O3particles with Co-Ni alloy[J].Chinese Journal of Physical Chemistry, 2003,19(11): 996-1000.

[52]向 清.鋁合金基電沉積Ni-SiC復(fù)合鍍技術(shù)的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué), 2002.XIANG Qing.Research on Ni-SiC composite electroplating with the matrix of the aluminum alloy[D].Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2002.

[53]杜 楠, 周海飛, 趙 晴, 廖 強(qiáng).Ni-金剛石復(fù)合電沉積的界面作用力及其對(duì)復(fù)合量的影響[J].材料工程, 2008(2): 23-30.DU Nan, ZHOU Hai-fei, ZHAO Qing, LIAO Qiang.Interfacial force in nickel-diamond composite electrodeposition and its effect on diamond content in composite plating[J].Journal of Materials Engineering, 2008(2): 23-30.

[54]TU Wei-yi, XU Bin-shi, DONG Shi-yun, JIANG Bin, DU Ling-zhong.Effect of n-Al2O3on electrochemical nucleation and chemical binding interaction in nickel electrodeposition[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15(4):889-896.

[55]GREEF R, PEAT R, PETER L M, PLETCHER L M,PLETCGER D, ROBINSON J.Instrumental methods in electrochemistry[M].LIU Hou-tian, XU Pin-di.Shanghai: Fudan University Press, 1992: 310-324.

[56]SCHARIFKER B.HILLS G.Theoretical and experimental studies of multiple nucleation[J]．Electrochimica Acta, 1983,28(7): 879-889.

[57]LI Jing-feng, ZHANG Zhao, YIN Jun-ying, YU Geng-hua, CAI Chao, ZHANG Jian-qing.Electrodeposition behavior of nanocrystalline CoNiFe soft magnetic thin film[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2006, 16(3): 659-665.

[58]PETERSSON I, AHLBERG E.Kinetics of the electrodeposition of Pb circle divide Sn alloys (Part I): at glassy carbon electrodes[J].Journal of Electroanalytical Chemistry, 2000, 485:166-177.

[59]AFSHR A, DOLATI A G, GHORBANI M.Electrochemical characterization of the Ni-Fe alloy electrodeposition from chloride-citrate-glycolic acid solution[J].Materials Chemistry and Physics, 2002, 77(2): 352-358.

[60]趙旭山, 譚澄宇, 陳文敬, 劉 宇, 李勁風(fēng)，鄭子樵.Ni-SiC復(fù)合鍍層電結(jié)晶初期動(dòng)力學(xué)分[J].中國有色金屬學(xué)報(bào), 2008,18(5): 823-828.ZHAO Xu-shan, TAN Cheng-yu, CHEN Wen-jing, LIU Yu, LI Jin-feng, ZHENG Zi-qiao.Nu cleation kinetics analysis of Ni-SiC composite film during early electrocrystallization process ses[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(5):823-828.

[61]BUELENS C, CELLS J P, ROOS J R.Electrochemical aspects of the codeposition of gold and copper with inert particles[J].Journal of Applied Electrochemistry, 1983, 13(4): 541-548.