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摘要：为了获得高性能的电镀金刚石锯丝，实验研究了悬砂法制备表面磨粒群螺旋排布锯丝的电镀工艺，分析了预镀阴极电流、上砂阴极电流密度与上砂时间对锯丝复合镀层外观质量与锯丝表面磨粒分布情况的影响规律，并采用试制锯丝进行了锯切实验。研究结果表明，镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2时，镀层与钢丝基体表面有着良好的结合强度；上砂阶段采用阴极电流密度为5.0 A/dm2，其电镀时间为7～8 min，可得到良好的镀层和磨粒分布效果。钢丝基体预镀前在表面绕绝缘线，合理地选择工艺参数可以获得磨粒群在钢丝基体表面螺旋排布的基本结构，试制的新型锯丝在锯切中具有良好的容屑与排屑效果。
关键词：电镀；磨削工具；电镀金刚石锯丝；复合电镀；悬砂法；磨粒群螺旋排布
中图分类号：TQ153；TG74 文献标志码：A
Abstract：In order to obtain high performance electroplating diamond wire saw， experimental studies are conducted for development of grits-spiral-distribution electroplated diamond wire saw using sand-suspend electroplating method. The influences of pre-plating cathode current density， grits electro-embedding cathode current density and time on composite deposite coating appearance and grits distribution of wire saw are analyzed， and the sawing experiment is carried out by using the trial wire saw. The results show that good bonding strength between the coating and the steel wire can be obtained when the adopted cathode current density is 5.0 A/dm2 at pre-plating stage； good coating and girts distribution can be obtained when the adopted cathode current density is 5.0 A/dm2 and the electroplating time is 7～8 min at grits electro-embedding stage. By winding insulation wire on the surface of steel wire and reasonably selecting technological parameters before pre-plating can make the diamond wire saw with grits-spiral-distribution on surface， and the new type of wire saw has a better crumbs-clearing effect in wire sawing process.
Keywords：electroplating； grinding tools； electroplated diamond wire saw； composite electroplating； sand-suspend method； grits-spiral-distribution
Si，SiC与蓝宝石等晶体的切片加工普遍采用电镀金刚石线锯切割技术，具有高效、精密、出品率高和切割环境友好等特点[1-3]。电镀金刚石线锯丝的上砂工艺主要有埋砂法[4-6]、刷镀法[7]和悬砂法[8-12]等，金刚石磨粒在锯丝表面随机分布。随着晶体尺寸的不断增大和锯丝直径的减小，锯切时切缝中脱落的磨粒和切屑不容易排出，锯丝的运动划擦切割表面和锯丝镀层表面，润滑冷却液也难以充分进入锯切区，严重影响晶体切割的表面质量和锯丝的寿命。为解决大尺寸晶体材料切割排屑困难、加工液流入不畅等问题，出现了绞合线锯丝制造工艺[13-15]，但仍处于探索阶段。
诸多研究工作表明，对金刚石工具表面的磨粒进行有序排布，可提高加工表面质量、提高加工效率、延长工具的寿命[16-20]。但由于锯丝制作时钢丝基体为圆柱形，直径小，磨粒尺寸小，难以将磨粒按颗进行有序排布，因此基于磨粒有序排布的技术思想，提出将电镀金刚石锯丝表面的磨粒进行成群螺旋排布，同时在锯丝表面留有规律的不沉积磨粒的螺旋容屑槽，在锯切时可提供足够的容屑空间，并易于润滑冷却液充分进入锯切区。
目前，在连续制作电镀金刚石锯丝时宜采用悬砂法复合电镀工艺。本文通过实验探索了基于悬砂法的表面磨粒群螺旋排布电镀金刚石锯丝的制备工艺，研究了预镀电流密度、上砂电流密度和电镀时间对制作金刚石线锯丝镀层质量和磨粒分布情况的影响，分析了电镀工艺参数对锯丝质量影响的原因，给出了合理的预镀与上砂过程的工艺参数范围。本文的研究可为探索新型电镀锯丝的制备工艺及实际生产提供参考。
1 实 验
1.1 材料与电镀液
基体钢丝选择日本住友电气工业株式会社的SWPB琴钢丝，直径150 μm，磨粒选择表面镀镍处理的金刚石，平均粒度为30 μm。选择镀层沉积速度快、镀层脆性及内应力小、硬度高、耐磨损的氨基磺酸镍镀液，其主要成分（单位为g/L）：氨基磺酸镍380，氯化镍30，硼酸30，十二烷基硫酸钠0.1。电镀液温度为35～40 ℃，pH值为4.0～4.2。电镀用镍阳极为200 mm×20 mm×5 mm锻造镍板，电镀前用稀盐酸浸泡，使其处于活化状态，电镀时使用阳极挂袋放入电镀液中的钢丝上方与下方。 1.2 锯丝电镀工艺及工艺参数设计
制作表面金刚石磨粒群螺旋排布的电镀锯丝时，增加了钢丝预镀前进行表面局部遮覆化处理的工艺步骤。在钢丝基体表面绕绝缘线，形成复合电镀区域与遮覆区域螺旋间隔排布，再进行复合电镀上砂，遮覆区域不固结金刚石磨粒，从而形成锯丝表面磨粒群的螺旋排布，图1为制备表面磨粒群螺旋排布锯丝的外观示意图。钢丝基体除油除锈处理后电镀工序如下：钢丝基体表面绕线→镀底层→基体上砂→镀层加厚→表面撤线→清洗→加热除氢处理。图2为钢丝表面采用不同旋向绕线方式的外观图。
镀液中金刚石微粉质量浓度为30 g/L，采用机械搅拌将金刚石微粉搅动，使之均匀悬浮在镀液中，与基体紧密接触的金刚石磨粒在复合电镀过程中被固结在锯丝表面。上砂完成后的锯丝移进加厚镀槽进行镀层加厚处理。制作完成的锯丝经清洗后，在恒温干燥箱中加热到180 ℃保温1 h进行除氢处理。
镀底层厚度一般控制在2 μm，预镀过程决定了镀层与钢丝基体的结合强度，上砂过程决定锯丝表面金刚石磨粒密度与分布情况。因此本实验先确定使预镀过程获得良好结合力的阴极电流密度，再主要研究上砂过程的阴极电流密度和时间对锯丝表面金刚石磨粒密度与分布的影响。依据复合电镀产品的设计指导手册，设计的实验参数如表1与表2所示。
2 结果与讨论
2.1 镀底层阴极电流密度对结合力的影响
镀层与基体的结合力是影响工具寿命的重要因素。将试制锯丝对折弯曲180°后，在光学显微镜下观察其镀层的剥离情况，以之来评价镀层与琴钢丝的结合力，结果如图3所示。阴极电流密度为2.0 A/dm2时，弯曲时镀层表面出现了局部的剥落和起泡，镀层总体结合情况良好（见图3 a）），这说明电流密度低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒粗大而影响镀层与基体的结合强度；随着电流密度增大为5.0 A/dm2，弯曲后镀层与钢丝产生良好的附着性，没有产生裂纹和剥离现象（见图3 b）），说明此时阴极极化作用增加﹐镀层结晶变得细致紧密，内应力也较小；电流密度为8.0 A/dm2时，弯曲时镀层与钢丝基体之间出现明显的剥离与碎裂（见图3 c）），说明电流密度过高使得镀层结晶不规律，镀层质量恶化，析氢使得镀层内应力过大而变脆，与基体的结合力下降导致结合不牢。
由此可知，镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2时，镀层具有良好的结合力。为了保证电沉积晶粒规则细化，内应力小且具有较高的电沉积速率，本文取镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2，对应的电镀时间为2 min，理论电沉积的预镀层厚度约为2 μm。
2.2 阴极电流密度对镀层外观与磨料分布的影响
锯丝表面固结的磨粒浓度与分布状态对锯丝的使用寿命和切割能力影响较大：磨粒浓度过低使得切割刃少、切割效率降低，导致工具耐磨性降低，使用寿命降低。采用不同的上砂阴极电流密度上砂8 min后制作的锯丝见图4。电流密度为3.0 A/dm2时，电流密度低，镀层沉积速度慢，表面固结的金刚石磨粒较少。随着电流密度升高到5.0 A/dm2，锯丝表面磨粒数量有增多的趋势，且在锯丝表面形成金刚石磨粒群螺旋排布的结构，绕丝的部分基本没有磨粒固结，从而形成较大的容屑排屑空间。在复合电镀区域磨粒的分布较为均匀，偶有磨粒的堆积现象。因此，说明电流密度的提高使得镍镀层沉积速度加快，镀层表面固结磨粒的能力提高，锯丝表面的金刚石磨粒数量增加。观察此时制备的锯丝表面的镍镀层均比较平整，无明显的气孔与镍瘤出现。
电流密度增加至7.0 A/dm2时，观察到镀层表面磨粒含量出现较明显的增加，由于磨粒表面镍镀层生产过快，使得磨粒相互堆积的现象比较明显，磨粒群在锯丝周向的分布也出现不均，这说明此时的电流密度使得镀层沉积速度过快，磨粒在表面固结过多，导致磨粒表面出现镍瘤。电流密度增加至9.0 A/dm2时，锯丝表面固结的磨粒很少，这是因为电流密度超过了电流密度上限，阴极表面的析氢现象严重，阻碍了镀层对磨粒的沉积作用。观察镀层表面发现，出现了色彩不均、局部暗色与烧焦的现象，镀层表面质量变差，造成了较严重的电镀缺陷。
2.3 上砂时间对镀层表面磨料分布的影响
图5是采用阴极电流密度为5.0 A/dm2时电镀时间对试制的锯丝表面磨粒密度的影响结果。锯丝表面金刚石磨粒的数量随着电镀时间的增加而增加，镍镀层表面均比较平整，无明显的气孔与烧伤出现。
上砂电镀时间为3 min时，由于电镀时间短、镀层沉积薄而造成磨粒数量少，锯丝的锯切性能不高。上砂时间增大至5 min时，表面固结的磨粒数量明显增多，但此时的磨粒数量依然偏少，影响锯丝的锯切性能和耐磨性，且此时磨粒的分布未形成螺旋式的成群排布。上砂时间增至7 min时，锯丝表面磨粒数量增多，并且逐步形成磨粒成群排布的外观，在未有磨粒沉积的区域形成了较大的空间，易于排屑与润滑液的进入。此时的锯丝外观与图4 b）采用5.0 A/dm2的电流密度上砂8 min时基本类似。进一步增加上砂时间至10 min时，由图5 d）可以看到，锯丝表面磨粒数量进一步增加，而且增多的磨粒基本在锯丝表面呈堆积的状态。由于电镀使用的磨粒为表面镀镍的金刚石磨粒，电镀过程中磨粒表面也同时沉积镍镀层，电镀时间过长，相邻之间距离过近的磨粒表面镀层逐渐沉积而堆积起来，过多堆积在一起的金刚石磨粒影响了镀层对其的把持强度，在锯切过程中容易集体脱落，从而导致锯丝的寿命降低。
因此，根据电镀实验结果，为得到良好的镀层，保证锯丝表面固结的磨粒不要太多而造成堆积现象，在上砂阶段可采用的阴极电流密度为5.0 A/dm2，电镀时间以7～8 min为宜。此时得到的镍镀层表面平整，表面磨粒堆积现象较少，出现了磨粒群螺旋排布的基本结构。
2.4 锯切加工表面形貌
分别采用外购商业电镀锯丝与新研制的表面磨粒群螺旋排布的电镀锯丝，在相同的工艺参数下锯切硬度较低的KDP晶体的切割表面，结果如图6所示。KDP晶体质软，线锯加工时切缝窄，在加工过程中脱落的磨粒与切屑容易被压入被加工表面。作为对比，实验所使用的商业锯丝表面固结的金刚石磨粒随机密集分布（见图7），磨粒粒度小（平均粒度为20 μm），所以加工表面切痕浅，但嵌入切屑或脱落磨粒多，在后期加工工序中难以去除；采用新研制的电镀锯丝锯切的表面切痕较明显，采用细粒度的磨粒可改善这种情况，锯切表面嵌入切屑少，说明这种锯丝的容屑与排屑效果好，在进行高硬度材料如碳化硅和蓝宝石等晶体材料加工时，可有效避免加工表面出现深度较大凹坑的问题，从而降低损伤层深度。 3 结 语
1）镀底层的阴极电流密度对镀层与钢丝基体之间结合力有很明显的影响作用，在本实验条件下，镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2时，镀层与钢丝基体表面有着良好的结合强度。
2）在本实验条件下，根据电镀实验结果，悬砂法制作电镀金刚石锯丝时，为得到良好的镀层和磨粒分布效果，在上砂阶段可采用的阴极电流密度为5.0 A/dm2，电镀时间以7～8 min为宜。
3）在钢丝基体表面绕绝缘线，采用悬砂法上砂工艺，合理地选择工艺参数可以获得金刚石磨粒群在钢丝基体表面螺旋排布的基本结构。采用试制的新型锯丝与商业电镀锯丝进行KDP晶体的锯切实验发现，商业锯丝锯切的KDP表面嵌入的切屑或磨粒多，而使用新研制的锯丝锯切的KDP表面嵌入切屑少，可获得良好的容屑与排屑效果。
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关键词：电镀；磨削工具；电镀金刚石锯丝；复合电镀；悬砂法；磨粒群螺旋排布
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Keywords：electroplating； grinding tools； electroplated diamond wire saw； composite electroplating； sand-suspend method； grits-spiral-distribution
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诸多研究工作表明，对金刚石工具表面的磨粒进行有序排布，可提高加工表面质量、提高加工效率、延长工具的寿命[16-20]。但由于锯丝制作时钢丝基体为圆柱形，直径小，磨粒尺寸小，难以将磨粒按颗进行有序排布，因此基于磨粒有序排布的技术思想，提出将电镀金刚石锯丝表面的磨粒进行成群螺旋排布，同时在锯丝表面留有规律的不沉积磨粒的螺旋容屑槽，在锯切时可提供足够的容屑空间，并易于润滑冷却液充分进入锯切区。
目前，在连续制作电镀金刚石锯丝时宜采用悬砂法复合电镀工艺。本文通过实验探索了基于悬砂法的表面磨粒群螺旋排布电镀金刚石锯丝的制备工艺，研究了预镀电流密度、上砂电流密度和电镀时间对制作金刚石线锯丝镀层质量和磨粒分布情况的影响，分析了电镀工艺参数对锯丝质量影响的原因，给出了合理的预镀与上砂过程的工艺参数范围。本文的研究可为探索新型电镀锯丝的制备工艺及实际生产提供参考。
1 实 验
1.1 材料与电镀液
基体钢丝选择日本住友电气工业株式会社的SWPB琴钢丝，直径150 μm，磨粒选择表面镀镍处理的金刚石，平均粒度为30 μm。选择镀层沉积速度快、镀层脆性及内应力小、硬度高、耐磨损的氨基磺酸镍镀液，其主要成分（单位为g/L）：氨基磺酸镍380，氯化镍30，硼酸30，十二烷基硫酸钠0.1。电镀液温度为35～40 ℃，pH值为4.0～4.2。电镀用镍阳极为200 mm×20 mm×5 mm锻造镍板，电镀前用稀盐酸浸泡，使其处于活化状态，电镀时使用阳极挂袋放入电镀液中的钢丝上方与下方。 1.2 锯丝电镀工艺及工艺参数设计
制作表面金刚石磨粒群螺旋排布的电镀锯丝时，增加了钢丝预镀前进行表面局部遮覆化处理的工艺步骤。在钢丝基体表面绕绝缘线，形成复合电镀区域与遮覆区域螺旋间隔排布，再进行复合电镀上砂，遮覆区域不固结金刚石磨粒，从而形成锯丝表面磨粒群的螺旋排布，图1为制备表面磨粒群螺旋排布锯丝的外观示意图。钢丝基体除油除锈处理后电镀工序如下：钢丝基体表面绕线→镀底层→基体上砂→镀层加厚→表面撤线→清洗→加热除氢处理。图2为钢丝表面采用不同旋向绕线方式的外观图。
镀液中金刚石微粉质量浓度为30 g/L，采用机械搅拌将金刚石微粉搅动，使之均匀悬浮在镀液中，与基体紧密接触的金刚石磨粒在复合电镀过程中被固结在锯丝表面。上砂完成后的锯丝移进加厚镀槽进行镀层加厚处理。制作完成的锯丝经清洗后，在恒温干燥箱中加热到180 ℃保温1 h进行除氢处理。
镀底层厚度一般控制在2 μm，预镀过程决定了镀层与钢丝基体的结合强度，上砂过程决定锯丝表面金刚石磨粒密度与分布情况。因此本实验先确定使预镀过程获得良好结合力的阴极电流密度，再主要研究上砂过程的阴极电流密度和时间对锯丝表面金刚石磨粒密度与分布的影响。依据复合电镀产品的设计指导手册，设计的实验参数如表1与表2所示。
2 结果与讨论
2.1 镀底层阴极电流密度对结合力的影响
镀层与基体的结合力是影响工具寿命的重要因素。将试制锯丝对折弯曲180°后，在光学显微镜下观察其镀层的剥离情况，以之来评价镀层与琴钢丝的结合力，结果如图3所示。阴极电流密度为2.0 A/dm2时，弯曲时镀层表面出现了局部的剥落和起泡，镀层总体结合情况良好（见图3 a）），这说明电流密度低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒粗大而影响镀层与基体的结合强度；随着电流密度增大为5.0 A/dm2，弯曲后镀层与钢丝产生良好的附着性，没有产生裂纹和剥离现象（见图3 b）），说明此时阴极极化作用增加﹐镀层结晶变得细致紧密，内应力也较小；电流密度为8.0 A/dm2时，弯曲时镀层与钢丝基体之间出现明显的剥离与碎裂（见图3 c）），说明电流密度过高使得镀层结晶不规律，镀层质量恶化，析氢使得镀层内应力过大而变脆，与基体的结合力下降导致结合不牢。
由此可知，镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2时，镀层具有良好的结合力。为了保证电沉积晶粒规则细化，内应力小且具有较高的电沉积速率，本文取镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2，对应的电镀时间为2 min，理论电沉积的预镀层厚度约为2 μm。
2.2 阴极电流密度对镀层外观与磨料分布的影响
锯丝表面固结的磨粒浓度与分布状态对锯丝的使用寿命和切割能力影响较大：磨粒浓度过低使得切割刃少、切割效率降低，导致工具耐磨性降低，使用寿命降低。采用不同的上砂阴极电流密度上砂8 min后制作的锯丝见图4。电流密度为3.0 A/dm2时，电流密度低，镀层沉积速度慢，表面固结的金刚石磨粒较少。随着电流密度升高到5.0 A/dm2，锯丝表面磨粒数量有增多的趋势，且在锯丝表面形成金刚石磨粒群螺旋排布的结构，绕丝的部分基本没有磨粒固结，从而形成较大的容屑排屑空间。在复合电镀区域磨粒的分布较为均匀，偶有磨粒的堆积现象。因此，说明电流密度的提高使得镍镀层沉积速度加快，镀层表面固结磨粒的能力提高，锯丝表面的金刚石磨粒数量增加。观察此时制备的锯丝表面的镍镀层均比较平整，无明显的气孔与镍瘤出现。
电流密度增加至7.0 A/dm2时，观察到镀层表面磨粒含量出现较明显的增加，由于磨粒表面镍镀层生产过快，使得磨粒相互堆积的现象比较明显，磨粒群在锯丝周向的分布也出现不均，这说明此时的电流密度使得镀层沉积速度过快，磨粒在表面固结过多，导致磨粒表面出现镍瘤。电流密度增加至9.0 A/dm2时，锯丝表面固结的磨粒很少，这是因为电流密度超过了电流密度上限，阴极表面的析氢现象严重，阻碍了镀层对磨粒的沉积作用。观察镀层表面发现，出现了色彩不均、局部暗色与烧焦的现象，镀层表面质量变差，造成了较严重的电镀缺陷。
2.3 上砂时间对镀层表面磨料分布的影响
图5是采用阴极电流密度为5.0 A/dm2时电镀时间对试制的锯丝表面磨粒密度的影响结果。锯丝表面金刚石磨粒的数量随着电镀时间的增加而增加，镍镀层表面均比较平整，无明显的气孔与烧伤出现。
上砂电镀时间为3 min时，由于电镀时间短、镀层沉积薄而造成磨粒数量少，锯丝的锯切性能不高。上砂时间增大至5 min时，表面固结的磨粒数量明显增多，但此时的磨粒数量依然偏少，影响锯丝的锯切性能和耐磨性，且此时磨粒的分布未形成螺旋式的成群排布。上砂时间增至7 min时，锯丝表面磨粒数量增多，并且逐步形成磨粒成群排布的外观，在未有磨粒沉积的区域形成了较大的空间，易于排屑与润滑液的进入。此时的锯丝外观与图4 b）采用5.0 A/dm2的电流密度上砂8 min时基本类似。进一步增加上砂时间至10 min时，由图5 d）可以看到，锯丝表面磨粒数量进一步增加，而且增多的磨粒基本在锯丝表面呈堆积的状态。由于电镀使用的磨粒为表面镀镍的金刚石磨粒，电镀过程中磨粒表面也同时沉积镍镀层，电镀时间过长，相邻之间距离过近的磨粒表面镀层逐渐沉积而堆积起来，过多堆积在一起的金刚石磨粒影响了镀层对其的把持强度，在锯切过程中容易集体脱落，从而导致锯丝的寿命降低。
因此，根据电镀实验结果，为得到良好的镀层，保证锯丝表面固结的磨粒不要太多而造成堆积现象，在上砂阶段可采用的阴极电流密度为5.0 A/dm2，电镀时间以7～8 min为宜。此时得到的镍镀层表面平整，表面磨粒堆积现象较少，出现了磨粒群螺旋排布的基本结构。
2.4 锯切加工表面形貌
分别采用外购商业电镀锯丝与新研制的表面磨粒群螺旋排布的电镀锯丝，在相同的工艺参数下锯切硬度较低的KDP晶体的切割表面，结果如图6所示。KDP晶体质软，线锯加工时切缝窄，在加工过程中脱落的磨粒与切屑容易被压入被加工表面。作为对比，实验所使用的商业锯丝表面固结的金刚石磨粒随机密集分布（见图7），磨粒粒度小（平均粒度为20 μm），所以加工表面切痕浅，但嵌入切屑或脱落磨粒多，在后期加工工序中难以去除；采用新研制的电镀锯丝锯切的表面切痕较明显，采用细粒度的磨粒可改善这种情况，锯切表面嵌入切屑少，说明这种锯丝的容屑与排屑效果好，在进行高硬度材料如碳化硅和蓝宝石等晶体材料加工时，可有效避免加工表面出现深度较大凹坑的问题，从而降低损伤层深度。 3 结 语
1）镀底层的阴极电流密度对镀层与钢丝基体之间结合力有很明显的影响作用，在本实验条件下，镀底层的阴极电流密度为5.0 A/dm2时，镀层与钢丝基体表面有着良好的结合强度。
2）在本实验条件下，根据电镀实验结果，悬砂法制作电镀金刚石锯丝时，为得到良好的镀层和磨粒分布效果，在上砂阶段可采用的阴极电流密度为5.0 A/dm2，电镀时间以7～8 min为宜。
3）在钢丝基体表面绕绝缘线，采用悬砂法上砂工艺，合理地选择工艺参数可以获得金刚石磨粒群在钢丝基体表面螺旋排布的基本结构。采用试制的新型锯丝与商业电镀锯丝进行KDP晶体的锯切实验发现，商业锯丝锯切的KDP表面嵌入的切屑或磨粒多，而使用新研制的锯丝锯切的KDP表面嵌入切屑少，可获得良好的容屑与排屑效果。
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