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摘要：通过对比国内外钢丝样品的性能，优选出试验用国产钢丝。在此基础上，对钢丝表面处理所用的表面活性剂和酸进行了优选，最后使用优选的国产钢丝制成树脂金刚石线，并与国外钢丝基体的树脂金刚石线进行了对比。结果表明：国产3号钢丝成分、性能接近于进口钢丝；使用AEO－9表面活性剂和磷酸处理的钢丝表面效果较好；国产钢丝生产的树脂金刚石线性能达到进口钢丝生产的金刚线产品质量标准，完全可以满足使用要求。 随着清洁能源技术的发展，光伏行业中硅晶片的需求越来越大，但因其硬度高、脆性大，切割过程中容易产生崩碎，造成的内部损伤很难消除，使得成品率很低。树脂金刚石线是一种采用树脂结合剂将金刚石磨粒固结于钢丝表面而形成的固结磨料锯丝。相比传统砂浆切割方法，树脂金刚石线切割工艺简单、生产成本低、切割效率高。
国外对树脂金刚石线的研究较成熟，已经在硅片切割领域推广使用，但是国内金刚石线切割技术起步较晚，钢丝基体仍主要依靠进口，使得生产成本几何增长，大大限制了树脂金刚石线在光伏行业的推广应用。因此，需要寻找质优价廉的国产钢丝，降低生产成本，以提高树脂金刚石线在国内市场的竞争力，并打破国外树脂金刚石线对核心技术的垄断。
我们用国产钢丝开发树脂金刚石线以降低生产成本。通过对国产钢丝的选型、表面处理，制造出具有完全自主知识产权的树脂金刚石线，并且可达到国外树脂金刚石线的切割效率，具有广阔的市场前景。
1条件与过程
1．1原料的选择
（1）钢丝的选择
由于钢丝的强化方法只能选用冷加工强化，钢丝抗拉强度如要超过3000MPa必须具备两个基本条件：（1）钢丝经热处理后的抗拉强度应超过1200MPa；（2）钢丝能承受99％以上压缩率的拉拔。铁素体钢、奥氏体钢和各类合金钢都无法同时满足上述要求，只有碳质量分数≥0．82％的碳素钢丝经等温淬火，获得索氏体后才能同时满足上述要求。另外，钢丝中的化学成分要严格限制，比如Si对钢丝深冷加工有不利影响，质量分数最好控制在0．25％以下；Mn是延缓钢丝索氏体化转变的元素，为保证在有限的控冷时间内完成索氏体转变，通常将Mn质量分数控制在0．35％以下；钢中Ni、Cu、Cr都是延缓钢丝索氏体化转变的元素，应予以限制；索氏体化碳素钢丝拉力与含碳量有对应关系，不同含碳量钢丝铅淬火后的拉力，随着含碳量的增加而增大［1］。
本试验对比了5种钢丝基体，其中国外2种，国内3种，分别编号为：国外1、国外2、国内1、国内2、国内3。
（2）表面活性剂的选择
钢丝表面需要镀黄铜，黄铜主要用作拉拔预镀层，能携带更多液体润滑剂，保证多道次拉拔顺利进行，要求成品钢丝表面残留铜层致密“不露白”，以提高钢丝耐蚀性能。在钢丝表面，残留有拉拔过程中的润滑液，该润滑液使得树脂很难在钢丝表面附着，导致涂覆不均匀或部分区域不涂覆，使得固化后树脂容易脱落，金刚石线对硅锭的切割能力差。因此，选择合适的表面活性剂，有利于后期树脂的附着，提高金刚石线的性能［2］。表面活性剂要满足以下要求：去污能力强、起泡性差、电解质相容性好、化学稳定性高、乳化能力低、吸附和解吸附能力要合适［3］。本试验对比了5种表面活性剂，具体情况见表1。 
（3）酸的选择
钢丝加工时，表面需要镀黄铜（w（Zn）＝32％），在存放运输过程中，钢丝表面会形成ZnO、CuO薄膜，防止内部钢丝的氧化腐蚀，因此，清洗钢丝，除了去除油污外，最重要的是要进行酸洗，洗去钢丝表面氧化层，使得后期树脂直接与Cu、Zn作用，提高树脂与钢丝的附着能力。本试验对比了硝酸和磷酸2种酸，均为工业纯。
1．2试验方法
首先，对线径相同的国内外钢丝样品，利用ICP和碳硫分析仪测定样品的重金属元素、C、S的含量，通过拉力试验机对钢丝拉力进行检测，优选出合适的钢丝基体；然后，使用SEM对5种表面活性剂的去污效果进行观察，并对比了树脂金刚石线的表面形貌，优选出合适的表面活性剂；最后，通过SEM比较了两种酸对钢丝和树脂金刚石线的表面影响情况，优选出合适的酸。
优选之后，使用表面处理后的国产钢丝生产出树脂金刚石线，通过性能检测试验，与进口钢丝生产的树脂金刚石线进行了比较。树脂金刚石线的生产工艺为：
（1）钢丝表面清洗、活化：使用表面活性剂和酸去除钢丝表面油污、铁锈等氧化层，对钢丝表面活化处理；
（2）配制树脂金刚石共混物料：将树脂、金刚石、超细粉体填料用搅拌机混合，搅拌均匀成为糊状物；
（3）涂覆钢丝：将钢丝轮安装到送线轴上，共混物料在恒温、不断搅拌条件下，通过蠕动泵以一定流速注入模具，钢丝穿过模具，使得钢丝上均匀涂覆共混物料；
（4）一次固化：将涂覆共混物料的钢丝通过固化炉高温加热，得到半硬化树脂金刚石线；
（5）二次固化：将一次固化后的线轴放入恒温鼓风干燥箱中，程序升温，保持温度一段时间，自然降温至室温，得到成品树脂金刚石线。
1．3性能检测方法
（1）表面检测：利用扫描电子显微镜，观察钢丝表面杂质清洗去除情况，以及树脂黏接、金刚石分布均匀情况；
（2）线径检测：利用线径测定仪，测试1000个位置，系统自动计算平均值，以此测定树脂金刚石线的直径；
（3）拉力检测：利用钢丝专用的拉力试验机进行测定；
（4）金刚石颗粒数检测：将颗粒计数器与图像连接，确定树脂金刚石线的长度、拍照倍数，点取金刚石颗粒数；
（5）摩擦实验：模拟切割硅片过程，利用树脂金刚石线切割硅棒，量取切割深度。
2结果与讨论
2．1国产钢丝的选型
通过ICP、碳硫分析仪、拉力试验机对国内外钢丝样品进行测试，表2和表3分别是国内外钢丝样品的元素含量和力学性能参数。对比发现：国外钢丝碳质量分数相对较高，达到0．93％，国内钢丝碳质量分数最高达到0．91％，并且国外钢丝Ni、Cu、Cr、Mn含量较低；国外钢丝在冷加工过程中，较容易由碳素钢转化为索氏体；拉力随着含碳量的增大而增大，国外钢丝拉力最高为31．5N。国内3样品拉力为30．5N，与国外2产品力学性能最接近。因此，优选国内3钢丝为树脂金刚石线的基体。 
2．2钢丝表面处理
2．2．1表面活性剂的选择
分别采用5种表面活性剂清洗钢丝（国内3），图1和图2分别是钢丝和树脂金刚石线表面的微观形貌。对比发现：使用ABS、CAB–30清洗，钢丝表面仍然残留有油污，生产的树脂金刚石线表面涂覆也不均匀，部分树脂涂覆不上；使用FCY、JFC–6、AEO–9清洗，钢丝表面洁净，生产的树脂金刚石线表面涂覆均匀，综合考虑性价比，因此后续试验优选AEO–9作为清洗剂。 
2．2．2酸的选择
使用AEO–9清洗后的钢丝进行酸的优选试验，以去除钢丝表面氧化层。分别采用硝酸、磷酸清洗钢丝表面，图3是酸处理过的钢丝表面形貌。使用酸处理后的钢丝生产树脂金刚石线，图4是树脂金刚石线的表面形貌。从图3可知，两种酸的清洗效果区别并不明显。但是，从图4中可以看出：使用硝酸清洗的钢丝生产的树脂金刚石线，表面镀层部分“露白”；使用磷酸洗涤的钢丝生产的树脂金刚石线，树脂涂覆均匀。 
磷酸是中强酸，洗涤过程要经过三阶段水解，与钢丝表面氧化层反应，不是非常剧烈，而硝酸反应很快，使得钢丝表面部分镀层被腐蚀，同时硝酸氧化性强，即使去除钢丝表面氧化层，但经过一段时间的放置，钢丝表面仍然会形成氧化层。而且，磷酸使钢丝表面磷化，磷酸与氧化锌反应生成磷酸二氢锌，降低清洗液的pH值，促进Fe→Fe2＋反应，使固／液界面pH值升高，促进磷酸二氢锌发生水解，生成不溶性的磷酸锌沉积在金属表面形成磷化膜，保护内部钢丝。同时，由于钢丝表面Cu的存在，电位较高，使得生产的磷化膜更加致密，提高钢丝的耐蚀性和附着力。当钢丝表面涂覆树脂时，磷酸根中O原子吸引树脂上的–OH、COO–，从根本上提高了树脂对钢丝的附着力。
2．3国内外树脂金刚石线性能比较
使用国产3钢丝做基体，AEO–9作为表面活性剂，磷酸处理，生产出树脂金刚石线。与使用进口钢丝生产的树脂金刚石线作对比，图5是国内外树脂金刚石线的表面形貌图，从图5可以看出：国产树脂金刚石线的树脂涂覆较均匀，与国外产品差别不大，说明钢丝经过表面处理，树脂对钢丝表面的浸润性较好，降低表面能，因此树脂涂覆较均匀。 
表4是对两种树脂金刚石线的性能对比。通过树脂金刚石线的线径、颗粒数、切割深度等测试，可以看出：采用国产钢丝生产的树脂金刚石线，与进口钢丝生产的树脂金刚石线相比，产品线径、颗粒数、切割性能都接近，只有拉力稍差，可以达到质量要求，在树脂金刚石线技术方面具有广阔的前景。
3结论
（1）通过对比国内外钢丝拉力，国外钢丝拉力最高为31．5N，国内3样品拉力为30．5N，因此优选国内3钢丝为树脂金刚石线的基体；选用AEO–9作为表面活性剂，钢丝表面去污效果好，其性价比最为合适；采用磷酸去除钢丝表面氧化层，有利于后期树脂涂覆均匀。
（2）以表面处理后的国产钢丝生产的树脂金刚石线，与进口钢丝生产的树脂金刚石线进行比较，通过形貌扫描及一系列质量检测，发现两种树脂金刚石线产品线径都为120μm，颗粒数都是80个，摩擦量（切割深度）均约6900μm，只有拉力稍差，但都符合质量要求，满足使用情况。
（3）该试验通过树脂金刚石线钢丝基体的国产化研究，制造出具有完全自主知识产权的树脂金刚石线，并且可达到国外树脂金刚石线的切割效率，具有广阔的市场前景。
参考文献：
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［2］余存烨．工业清洗剂的选用及除污机理［J］．清洗世界，2008，24（1）：28–34．YU Cunye．Selection and defouling mechanism of industrialcleaning agents［J］．Cleaning World，2008，24（1）：28–34．
［3］DOMINIK L，LOHMAAN J，LEGGE R L．Activity ofhydroperoxide lyase under aqueous and micro－aqueousconditions ［J ］． Journal of Molecular Catalysis． B：Enzymatic，2007，44（1）：32–38．
王学峰，李要正，武冬刚，王海宾
开封恒锐新金刚石制品有限公司
来源：金刚石与磨料磨具工程
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