近年來，固定金剛石線在光伏硅晶切片加工領(lǐng)域獲得廣泛應用。與傳統(tǒng)松散磨料線鋸相比，該技術(shù)通過復合鍍層[1-2]、樹脂結(jié)合劑[3-4]或釬焊工藝[5-6]將金剛石磨料固結(jié)于鋼絲基體表面[7]，在加工效率、切割精度、切縫損失控制、環(huán)保性等方面均展現(xiàn)出突破性提升[8]。其應用范圍已從硅晶體切割[9-14]拓展至SiC晶體[15-18]、磷酸二氫鉀（KDP）晶體[19]、藍寶石[20-22]及光學玻璃[23]等硬脆材料加工領(lǐng)域。

根據(jù)生產(chǎn)工藝，固定金剛石線可分為電鍍金剛石線（見圖1）、樹脂金剛石線和釬焊金剛石線。樹脂金剛石線成本較低，但其應用受限于結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性和耐磨性[24]；釬焊金剛石雖能實現(xiàn)較高的結(jié)合強度，但高溫工藝對芯線力學性能的影響極為不利[25]，因此更適用于大直徑線材。相比之下，電鍍金剛石線憑借其優(yōu)異的界面結(jié)合強度、耐磨性和工藝適應性，已成為當前行業(yè)發(fā)展的重點方向[26]。其制備工藝主要包括預鍍、復合電鍍和加厚鍍3個關(guān)鍵工序，其中復合電鍍直接決定了金剛石磨料的固結(jié)均勻性和鍍層性能， 而電鍍液體系則是該工藝的核心要素。

在復合電鍍工藝中，基質(zhì)鍍層的選擇及其性能直接影響金剛石線的加工效果，目前以Ni、Cr為基底的復合鍍層占據(jù)主導地位[27]。其中，Ni基復合鍍層憑借其高硬度(240~500HV)、穩(wěn)定的化學性能及成熟的工藝體系，已發(fā)展成為電鍍金剛石線的主流耐磨鍍層[28]。相較而言，Cr基鍍層雖然具有更高的硬度和耐磨性，但其傳統(tǒng)制備工藝依賴含劇毒六價鉻的電鍍液，存在嚴重的環(huán)境風險及工藝限制。盡管近年來針對六價鉻電鍍替代工藝的研究取得了一定進展，但在電鍍金剛石線制造領(lǐng)域仍缺乏系統(tǒng)性研究報道[29]。因此，本文將重點探討電鍍金剛石線中Ni基鍍液的研究進展，探討優(yōu)化鍍液配方與工藝參數(shù)對鍍層性能提升、生產(chǎn)成本降低及環(huán)保性增強的影響，并引入跨領(lǐng)域鍍層技術(shù)案例以供借鑒，以期為電鍍金剛石線的未來發(fā)展提供理論參考和技術(shù)借鑒。

1、鎳基電鍍金剛石線鍍液

鎳基電鍍液主要由主鹽、配位劑、導電鹽、緩沖劑及添加劑組成[30]。主鹽作為金屬離子源，提供電沉積所需鎳離子；配位劑能夠與金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，調(diào)節(jié)沉積電位以實現(xiàn)合金共沉積；導電鹽通過提高鍍液電導率促進金屬離子遷移；緩沖劑能夠維持鍍液pH穩(wěn)定，避免因pH波動影響鍍層性能和和沉積速率。根據(jù)主鹽種類，目前鎳基電鍍液主要分為氯化物型、硫酸鹽型和氨基磺酸鹽型[31]。

1.1氯化物體系

氯化物型電鍍液是以金屬氯化物為主鹽的電鍍液體系，憑借其高導電性和快速沉積特性，在電鍍金剛石線制造領(lǐng)域獲得廣泛應用。日本學者Chiba等[32]的研究表明，以高濃度氯化鎳為主鹽的氯化物鍍液具有優(yōu)異的陽極活化能力，其工作電流密度最高可達44.7kA/m2，顯著高于其他體系，能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石顆粒的高效包覆與快速沉積。

然而，氯化物型電鍍液所得鎳基鍍層存在明顯的內(nèi)應力集中現(xiàn)象，導致鍍層與芯線的界面結(jié)合強度不足[32-33]。鍍層在彎曲過程中容易產(chǎn)生裂紋甚至剝落，限制了其在動態(tài)彎曲工況線鋸中的應用。針對這一問題，可通過優(yōu)化添加劑配方、改進工藝參數(shù)等手段加以解決[34]。在添加劑研究方面，盡管不同鍍液體系存在差異，但跨體系的技術(shù)思路具有參考價值。有學者在電鍍金剛石切割線用氨基磺酸鎳液中添加8~12mL/L香豆素作為應力消除劑[35]。該應力消除劑可通過調(diào)控鍍層沉積過程，能有效降低鍍層內(nèi)應力并提高韌性，進而增強鍍層與芯線的結(jié)合強度。在工藝參數(shù)優(yōu)化層面，Kolle等[36]的研究表明，通過調(diào)整脈沖電源的頻率和電流密度可以最大限度地降低鍍層的殘余應力，而無需另外加入添加劑。

1.2硫酸鹽體系

硫酸鹽鍍液體系具有成本低、化學性能穩(wěn)定及鍍層內(nèi)應力小等優(yōu)勢[28]。研究表明[37]，電鍍液成分濃度、電流密度、金剛石質(zhì)量濃度、上砂時間及加厚時間等工藝參數(shù)對顆粒嵌入效率與鍍層均勻性具有決定性作用。

呂世強等人[38-39]以直徑120μm的琴鋼絲為基體，15μm金剛石顆粒作磨料，采用懸浮法上砂工藝制備金剛石線。所用鍍液組成為：利硫酸鎳250g/L，氯化鎳30g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸鈉0.03g/L，1,4?丁炔二醇0.8g/L。掃描電鏡(SEM)分析發(fā)現(xiàn)，當金剛石顆粒質(zhì)量濃度為60~70g/L時，電鍍金剛石線表面砂量分布較均勻，但密度低，切割效率不高；金剛石顆粒質(zhì)量濃度為80g/L時上砂量顯著提高，并且分布均勻；金剛石顆粒質(zhì)量濃度為90g/L時，線鋸表面出現(xiàn)金剛石堆積現(xiàn)象，顆粒的把持力及線鋸的使用壽命明顯降低。張景濤[40]以直徑0.18mm的鍍銅高碳鋼絲為基體，以粒徑W30-40的金剛石顆粒為瓦特體系的磨料，研究了不同參數(shù)對線鋸上金剛石顆粒分布的影響，得到較優(yōu)的上砂工藝參數(shù)為：電流密度4A/dm²，攪拌速率200r/min，上砂時間2min，鍍鎳金剛石質(zhì)量濃度30g/L。在較優(yōu)條件下所得電鍍金剛石線的抗拉強度、柔韌性和鍍層結(jié)合強度均滿足要求，將其用于藍寶石切割時，切片表面平整，無崩碎現(xiàn)象。

高偉等[41]以直徑0.3mm高碳鋼絲為基體，M20/30至M22/36金剛石微粉為磨料，通過硫酸鹽鍍液和懸浮上砂法制備金剛石線，發(fā)現(xiàn)隨上砂電流密度、時間、攪拌速率或金剛石微粉濃度增大，電鍍金剛石線表面的金剛石微粉沉積量先增加后趨于平穩(wěn)。較佳的上砂工藝參數(shù)為：電流密度5A/dm²，時間4min，攪拌速度200r/min，金剛石質(zhì)量濃度30g/L。

杭衛(wèi)明等[42]以直徑0.12mm鍍銅鋼絲為基體，采用8~13μm粒徑的鍍鎳金剛石為磨粒，在由硫酸鎳250g/L、氯化鎳30g/L、硼酸35g/L和1,4?丁炔二醇組成的鍍液中開展懸浮法電鍍實驗。SEM觀察與電化學測試發(fā)現(xiàn)，在金剛石質(zhì)量濃度30g/L、溫度45℃的條件下，電流密度為4~5A/dm²時，鍍層中金剛石分布均勻且結(jié)合力強，高于5A/dm²后，則因析氫劇烈，導致鍍層產(chǎn)生凹坑等缺陷；上砂時間為5~7min時，磨粒出刃高度最優(yōu)，少于3min則鍍層表面磨粒密度不足，上砂9min則磨粒埋入過深。在電流密度4~5A/dm²下上砂5~7min所得電鍍金剛石線兼具高磨粒密度與適宜的出刃形態(tài)。

卜麗麗[43]以直徑115μm鍍黃銅鋼絲為基體，粒徑15~20μm鍍鎳磷金剛石為磨粒，運用硫酸鹽體系鍍液制備電鍍金剛石線，研究了在較優(yōu)工藝條件下不同添加劑對上砂效果的影響。結(jié)果表明，PPS(丙烷磺酸吡啶嗡鹽)可有效抑制金剛石微粒團聚，但濃度過高會阻礙共沉積；CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)既能分散微粒又不會影響鍍層結(jié)合力；CTAB與PPS協(xié)同作用可顯著提升上砂效率和分布均勻性；糖精兼具消除內(nèi)應力和細化晶粒的雙重功效，使鍍層更致密平整。較優(yōu)的添加劑組合為：PPS150mg/L，CTAB100mg/L，糖精0.7g/L。制備的線鋸金剛石分布均勻、線徑偏差小，鍍層結(jié)合緊密，磨粒把持力高，滿足實際切割需求。

Dai等[44]研究了硫酸鹽鍍液中1,4?丁二醇質(zhì)量濃度對電鍍金剛石線性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，1,4?丁二醇質(zhì)量濃度為0.3g/L時，鍍層與基體結(jié)合最緊密，硬度最高達427MPa，用于切割玻璃時磨損量最低。該研究表明通過優(yōu)化鍍液添加劑用量可顯著提升線鋸的耐磨性和使用壽命，為光伏行業(yè)電鍍金剛石線性能優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

張遼遠等[37]以直徑5mm的45鋼為基體制備電鍍金剛石線，通過單因素實驗研究不同因素對沉積速率、金剛石微粉含量和埋入深度、結(jié)合力的影響，得到較佳的工藝為：鎳鹽質(zhì)量濃度為200g/L，pH4.5~5.0，電流密度2~3A/dm²，溫度40~50°C，攪拌時間2~3min。在該條件下所得電鍍金剛石線經(jīng)400°C保溫1h再水冷后不掉皮，錘擊時金剛石微粒不脫落，能夠在超聲波和交變載荷條件下穩(wěn)定工作。

高偉等[45]采用直徑0.3mm琴鋼絲為基體，以38μm粒徑的金剛石為磨料，通過瓦特型鍍液和埋砂法制備電鍍金剛石線鋸。結(jié)果表明，預鍍電流密度過低會導致鍍層結(jié)晶粗糙且易彎曲龜裂，過高則會引發(fā)鍍層剝離；上砂電流密度過低會使鍍層結(jié)晶粗糙并產(chǎn)生較多裂紋，過高則會導致鍍層燒焦；上砂時間過長會導致金剛石密度過大，出刃高度不均及鋸絲直徑增大，同時因鎳含量較低而削弱把持力；加厚鍍時間過短會使顆粒埋入過淺易脫落，過長則使顆粒深埋，切割能力下降。較佳的工藝條件為：鍍液溫度35℃、pH4.5，預鍍1.5A/dm²×10min，上砂鍍2.0A/dm²×20min，加厚鍍1.5A/dm²×1.2h，電鍍后200℃熱處理2h。該條件下所得線鋸鍍層結(jié)合力良好，金剛石顆粒分布均勻且埋入深度適中。

綜上所述，通過調(diào)整硫酸鹽體系鍍液成分和工藝參數(shù)及對金剛石表面進行金屬化處理，可顯著改善顆粒分布均勻性和鍍層結(jié)合強度。然而，目前對于鍍液成分、工藝參數(shù)與鍍層性能之間關(guān)系的研究仍有待深入。

1.3氨基磺酸鹽鍍液

氨基磺酸鹽鍍液具有主鹽溶解度高、鍍層內(nèi)應力低和結(jié)合力好等優(yōu)點[46]。李雙紅等[46-48]以60μm高碳鋼絲為基體，8~10μm的鍍鎳金剛石為磨粒，采用氨基磺酸鎳鍍液體系制備電鍍金剛石線，優(yōu)化了預鍍、上砂及加厚的工藝參數(shù)。在較優(yōu)工藝條件下制備的電鍍金剛石線表面光滑且粗糙度低，可用于切割多晶硅片時。

馬澤賢等[49]采用氨基磺酸鎳鍍液在60μm超細絲上進行金剛石復合電鍍，通過正交試驗研究了上砂工藝參數(shù)對金剛石線鋸性能的影響。結(jié)果表明，添加劑體積分數(shù)是影響脆斷次數(shù)、上砂量及堆積直徑的關(guān)鍵因素，上砂量及堆積直徑與線鋸脆性呈正相關(guān)，它們都顯著影響金剛石線鋸的使用壽命。當添加劑體積分數(shù)為0.03~0.04mL/L、金剛石質(zhì)量濃度為6g/L時，在電流密度4A/dm²、攪拌速率60r/min、溫度55℃及磁感應強度16mT條件下，所得線鋸上砂量足、堆積直徑小、脆性低。

李靖華[50]以直徑為280μm的鋼絲作為基體，圍繞電鍍金剛石線鋸預鍍、上砂裝置及工藝開展實驗研究。結(jié)果表明，氨基磺酸鎳濃度為450g/L、電流密度為3~9A/dm²時可預鍍得到平整致密的鍍層；采用陰極旋轉(zhuǎn)式裝置上砂的較佳工藝參數(shù)為：化學鍍鎳金剛石微粉裝載量17g/L，電流密度4A/dm²，溫度45℃，時間15s；采用掃砂管式裝置上砂的較佳工藝參數(shù)為：化學鍍鎳金剛石微粉裝載量15g/L，電流密度3A/dm，溫度45℃，時間15s；此外，采用電鍍鎳金剛石微粉作為磨粒時上砂更快，但團聚加重。

黃修康[51]基于氨基磺酸鎳鍍液體系復合電鍍工藝，采用直徑0.27mm鍍銅高碳鋼絲為基體，W30-40金剛石微粒為磨料制備了電鍍金剛石線。當陰極電流密度為25A/dm²時，鍍層兼具低應力與高結(jié)合力特性，金剛石埋入率及單位面積顆粒數(shù)達到最優(yōu)平衡，滿足光伏晶硅方錠切割需求。

代曉南等[52]通過對金剛石微粉化學鍍鎳與鋼絲基體磁化優(yōu)化上砂工藝，所用鍍液配方為：氨基磺酸鎳300~500g/L，六水合硫酸鈷15~30g/L、氯化鎳20~30g/L，硼酸30~40g/L，糖精適量。結(jié)果表明：基體磁感應強度、金剛石質(zhì)量濃度及上砂時間顯著影響線鋸的制備效率及耐用度。較佳的上砂工藝參數(shù)為：

電流密度5A/dm²，磁感應強度0.6mT，金剛石濃度15g/L，上砂時間30s，溫度45℃。該工藝使上砂時間大幅減少，線鋸制備效率提升81%，同時保持優(yōu)異的耐用性。磁化基體工藝在電流密度5A/dm²，磁感應強度0.6mT，金剛石質(zhì)量濃度15g/L，溫度45℃，上砂時間30s。該工藝使上砂時間較傳統(tǒng)工藝縮短95%，線鋸制備效率提升81%，同時保持優(yōu)異的耐用性。

氨基磺酸鎳體系鍍液因其鍍液成分簡單、主鹽溶解度大、沉積速率高、鍍層內(nèi)應力低等優(yōu)勢，在電鍍金剛石線領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應用前景。然而，為進一步提高鍍層性能和電鍍金剛石線的綜合性能，仍需持續(xù)深入研究鍍液中各成分的協(xié)同作用機制，如何平衡高沉積速率與鍍層性能、降低原料成本等問題也亟待解決，未來可著力開發(fā)新型復合添加劑體系。

2、鎳合金基電鍍金剛石線鍍液

除了鎳基電鍍金剛石線外，以鎳合金為基質(zhì)的電鍍金剛石線也備受關(guān)注。Huang等[29]通過電鍍技術(shù)在碳鋼基體上制備Cr–C–Ni–金剛石復合磨棒，主要包括3步：預鍍Ni底層、復合電鍍Ni–金剛石、三價鉻電鍍Cr–C強化層。經(jīng)500℃退火處理30min后，Cr–C層硬度顯著提高，磨削長度達1320mm，證實退火強化的Cr–C層可作為金剛石工具的理想強化相。他們還采用Ni–B合金作為強化層制備得到電鍍鍍Ni–B–金剛石工具，結(jié)果表明金剛石覆蓋率為80%、Ni底層厚度為90μm時可實現(xiàn)最佳的磨削性能，但Ni–B合金與基體界面易開裂[53]。

李錚[54]采用鎢絲為基線，采用氨基磺酸鹽鍍液體系電鍍得到Ni–Co基金剛石線。結(jié)果表明，鍍液中氨基磺酸鈷的質(zhì)量濃度不得高于30g/L，過量將引發(fā)內(nèi)應力而導致龜裂。

王振豪[55]在氨基磺酸鎳鍍液中添加30g/LCoSO4，以110μm鍍銅鋼絲為基體，通過懸浮法制備電鍍金剛石線。在較佳工藝條件(CoSO4質(zhì)量濃度30g/L，金剛石質(zhì)量濃度6g/L，電流密度3A/dm²，時間150s)下上砂時，所得線鋸表面鍍層致密，磨粒分布均勻，線徑適中，與未加CoSO4時相比，上砂效率提升18%，鍍層顯微硬度和耐蝕性比純鎳層分別提高25%和30%。

代曉南[56]采用直徑為0.25mm的琴鋼絲為基線，電鍍得到以Ni–Co為基質(zhì)的金剛石線。研究了硫酸鈷、糖精和1,4?丁炔二醇對電鍍金剛石線顯微硬度和抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸鈷在提升硬度的同時還能抑制裂紋擴展，糖精能夠細化晶粒和較小拉應力，1,4?丁炔二醇可細化晶粒并增強鍍層耐磨性。較優(yōu)的鍍液組成為：氨基磺酸鎳450g/L，氯化鎳15g/L，硫酸鈷10g/L，硼酸35g/L，1,4?丁炔二醇0.1g/L，糖精1g/L，十二烷基硫酸鈉0.1g/L。

目前關(guān)于鎳合金基電鍍金剛石線的研究相對較少且深度不足，未來需要加強該領(lǐng)域的探索，通過優(yōu)化合金成分和改進制備工藝，充分挖掘鎳合金基鍍液在提升金剛石線性能方面的潛力。

3、其他領(lǐng)域鍍層技術(shù)的應用與借鑒

當前研究聚焦于電鍍金剛石線專用鍍液，但其他工業(yè)領(lǐng)域的鍍層技術(shù)也可為電鍍金剛石線鍍液開發(fā)和線鋸的性能提升提供重要借鑒。

黃志偉等[57]以Ni–Co為基質(zhì)、表面金屬化金剛石為第二相，采用脈沖電沉積技術(shù)制備Ni–Co–金剛石復合工具，主要步驟為預鍍、植砂、卸砂和加厚鍍。通過對金剛石表面金屬化處理可使胎體與顆粒界面以化學鍵結(jié)合，與未金屬化金剛石工具相比，金屬化金剛石工具對花崗巖材料的去除體積提高了57.7%。孫仲鳴等[58]通過硫酸鹽鍍液電鍍制備了意義Ni–Fe合金為胎體材料的電鍍金剛石鉆頭，通過調(diào)整鍍液成分和工藝參數(shù)制備了兼具高硬度與優(yōu)異耐磨性的鍍層。室內(nèi)實鉆試驗表明，該鉆頭在8?9級正長花崗巖中的平均機械鉆速達1.87m/h，平均使用壽命為45.9m，展現(xiàn)出優(yōu)異的鉆進性能。

添加劑在改善鍍液分散性與鍍層性能中發(fā)揮重要的作用。郭文曉等[59]在氨基磺酸鎳鍍液中添加三元復合添加劑──全氟環(huán)氧烷基類非離子表面活性劑、雙十二烷基二甲基氯化銨、乙二胺四乙酸，使Ni–金剛石復合鍍層的金剛石分布均勻性與結(jié)合強度顯著提升，孔隙率降低。趙堯敏等[60]在氨基磺酸鎳鍍液中添加二苯磺酰亞胺(BBI)、烯丙基磺酸鈉(SAS)、丙炔磺酸鈉(PS)、羥烷基磺酸鈉(SSO3)和1?(3?磺丙基)吡啶內(nèi)鹽(PPS-OH)作為組合添加劑，將鍍液分散能力從21.43%提升至58.29%，深鍍能力從40.0%升至53.5%。

Liu等[61]采用雙脈沖電源制備Ni-納米金剛石復合鍍層，其顯微硬度比直流電鍍層高11.5%，表面粗糙度低22%。Zhang等[62]采用氨基磺酸體系，通過陰極旋轉(zhuǎn)電鍍裝置制備了Ni–W–金剛石超薄刀片。切削測試表明，與傳統(tǒng)Ni–金剛石刀片相比，該刀片的崩邊尺寸減小30.6%，徑向磨損降低31.6%，加工精度提升47.9%。

跨領(lǐng)域鍍層技術(shù)可為電鍍金剛石線鍍液的開發(fā)提供重要借鑒。從鍍液體系選擇、添加劑篩選到工藝優(yōu)化等多個方面，不同領(lǐng)域的研究成果都帶來了新的思路。例如，金剛石表面金屬化處理可提升結(jié)合力，篩選高效添加劑能夠改善顆粒分散性和均勻性等。這種技術(shù)融合不僅有助于打破單一領(lǐng)域的研究局限，促進電鍍金剛石線鍍液技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，未來應加強跨領(lǐng)域的合作與研究，加速技術(shù)融合與突破。

4、結(jié)語

綜合來看，電鍍金剛石線用鍍液的研究涵蓋了多種體系，在提高鍍層與金剛石顆粒結(jié)合力、改善金剛石顆粒分布均勻性、優(yōu)化鍍層性能等方面取得了一定進展。然而，目前仍存在諸多問題，如部分鍍液體系的鍍層應力問題、不同鍍液成分和工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化還不夠完善等。未來的研究需要在深入理解鍍液成分、工藝參數(shù)與鍍層性能內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上，加強多學科融合，開發(fā)新型鍍液體系或優(yōu)化現(xiàn)有體系，以推動電鍍金剛石線鍍液技術(shù)不斷進步，滿足日益增長的工業(yè)應用需求。

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（注：原文標題：鎳及鎳合金基電鍍金剛石線用鍍液的研究進展）

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