关于金刚石线锯发展中的若干技术问题

王秦生，张旺玺，穆云超

(1.中原工学院 材料与化工学院，河南 郑州 450007；2.金刚石高效精密锯切工具技术国家地方联合工程实验室，河南 郑州 451191；3.河南省金刚石工具技术国际联合实验室，河南 郑州 451191)

1 当前行业发展形势与需要关注的问题

河南郑州是我国金刚石发祥地，被国际同行誉为世界金刚石之都。这里是2002年由国家科学技术部批准设立、全国唯一的国家火炬计划超硬材料产业基地，也是国家发展和改革委员会在2009年批准设立、全国唯一的超硬材料及制品国家高技术产业链建设基地，这里还有中国合格评定国家认可委员会批准的超硬材料国家认可实验室。

1.1 超硬材料行业当前面临的发展形势

当前,超硬材料处于行业发展新旧两个时代的交汇点。对超硬材料行业而言，已经过去的半个多世纪是工具时代，主要有磨、钻、锯、切四大类工具，是利用其硬度极高这一力学性能。从今往后的21世纪可称之为功能时代，要利用金刚石的声、光、电、热优异特性，开拓这四大类功能元器件应用新领域。

功能时代来临了，并不意味着工具时代已经结束。准确地说，新时代是功能+工具时代。在功能时代，工具仍将同时继续发展。举例如下：

(1) 磨具。这是超硬材料工具中最早发展起来的一类，但现在仍然处于发展前期。世界公认的磨料磨具行业发展大趋势是AB→CD进展[1]，即金刚石和立方氮化硼(cBN)磨具要替代普通磨料SiC和刚玉磨具，但至今替代比率还不到30%。高速、超高速磨具，高精、超精磨具，都还处在开始推广阶段。

(2) 刀具。刀具发展更是方兴未艾。金刚石刀具、cBN刀具[2]替代硬质合金刀具和高速钢刀具，这也是国内外刀具发展的大趋势，但目前替代比率只有5%左右，最高估计还不足10%。

在“国家新材料产业计划发展指南”明确的“十三五”规划重点任务中，作为“高档数控机床专用刀具材料”，金刚石和cBN均被列为重点发展产品。

(3) 线锯。金刚石线锯最初叫丝锯，已经有近半个世纪发展历史。早期的金刚石线锯用电镀法制造，长度不过数百m，用于加工宝石和玉器等小尺寸工艺品。而现在光伏产业加工单晶硅和多晶硅所用的金刚石线锯，长度可达到几十km，比以前的线锯长得多。这种线锯是从替代碳化硅砂浆线锯开始进入光伏行业的。

20世纪90年代，光伏用金刚石线锯在国外问世，国内生产不过近十年左右(2009年有了第一家企业)。国内发展最初那几年，只有岱勒、三超、华晶等几家公司，生产企业屈指可数。近年来呈井喷式发展，全国各地雨后春笋般出现了一大批金刚石线锯企业。有一些企业后来居上(其中有的企业甚至已成为国内超硬材料行业规模最大的)，有一些开始规模化生产，有一些刚刚建成投产，有一些正在抓紧建设中，还有的正在规划设计并准备建厂。金刚石线锯发展势头迅猛。

对上述磨具、刀具、线锯三类工具来说，如果说磨具处在发展前期，相当于上午十点钟，那么刀具可以说是处于八九点钟，光伏用线锯大概是处于早晨七点钟。而光、电、声、热类功能性应用，还处在黎明前发展阶段，初露端倪，小荷才露尖尖角，其产业化大幕尚未拉开。整体而言，超硬材料及制品行业，毋容置疑是朝阳行业，发展前景非常乐观。

1.2 现阶段需要关注的若干技术问题

目前，金刚石线锯成了整个金刚石行业的最大热点，看起来发展形势一片大好。然而，在当前形势下，如果冷静地观察就会发现，有一些现象需要引起注意，有一些问题需要予以关注。

1.2.1 金刚石线锯产业发展模式

以下一些问题需要我们引起注意：同样工艺和设备、同一模式简单复制的问题，要避免盲目重复建设；相同产品同质化竞争的问题，要防止陷入价格战恶性循环；开发不同品种、不同用途线锯的问题，要提倡差异化发展。

1.2.2 金刚石线锯需要研究的核心技术

电镀线锯尽管已经开始进入产业化阶段，但是技术并不十分成熟，还需要改进和提高，还有不少问题亟待解决。下面就几个涉及核心技术的问题作以探讨。

(1) 高速电镀液在线锯生产中推广应用的问题。氨基磺酸盐型电镀液[3]替代传统的瓦特电镀液(硫酸盐型)，已成功运用到线锯上，其允许电流密度将会成倍提高，电镀生产效率可提高2～3倍。

(2) 电刷镀工艺移植应用于线锯生产的问题。原本适用于大件修复的电刷镀技术，移植过来运用到线锯上，开发出适合线锯的新方法，替代常规的电镀方法。这样，利用阴极表面附近电化学扩散层强烈去极化作用，电沉积速率可以高出一个数量级，提高20～30倍。

(3) 电镀金刚石线锯和树脂金刚石线锯中磨料与基线结合不牢固的问题。从线锯产品质量来说，目前电镀金刚石线和树脂金刚石线的一个共同问题是金刚石磨料结合力小，易过早脱落。原因是磨料颗粒与金属镀层或树脂结合剂之间以及磨料与基体之间，只有机械把持力和分子间力(范德华力))，没有化学键；而分子间力很弱，其能量比化学键小一个数量级。为了结合牢固，人们积极寻找其他方法。有人采用挤压、滚压、冲压法，把金刚石压入钢丝中；有人采用钎焊法制作线锯。遗憾的是这些方法也有问题，还需要继续寻找其他方法。

(4) 金刚石线锯加工硅材料表面产生条纹问题。金刚石固结式线锯替代碳化硅砂浆式线锯，在加工光伏用硅材料时出现了一个新情况——加工表面会产生条纹，表面凹凸不平。这被认为是影响能量吸收的不利因素。但是换一个思路去想，微观真实表面积增大，接收更多阳光，能否转化成一个有利因素呢？这个问题有关专业人员正在探讨。

(5) 其他问题。另辟蹊径寻找适合于制造线锯的其他工艺方法问题；金刚石线锯在加工多晶硅方面进一步扩大应用的问题；表面镀覆金刚石磨料扩大应用的问题；等等 。

以上这些都是关系产业发展的重大技术问题，有待深入研究。

1.2.3 金刚石线锯产业发展方向和目标

线锯技术是目前研讨的主题，内容涵盖了金刚石线锯上中下游整个产业链。其中包含：原材料金刚石微粉的颗粒形状、金属线的力学性能，金刚石线锯的生产工艺、质量检测、产品标准，以及线锯的应用技术。这些都是人们关注的问题。

综上所述，在当前线锯产业呈现爆发式发展的新形势下，讨论人们关心的问题，明确前进的方向，引导线锯产业发展——既要快速发展，又要健康发展；既要产业规模做到世界第一，又要质量水平达到世界第一！

2 金刚石线锯有关专业术语标准化的问题

下面是关于金刚石线锯专业术语标准化和规范化过程中涉及技术层面的一些问题。

2.1 金刚石线锯应当属于锯切工具还是属于磨具的问题

光伏产业中切割硅材料所使用的工具，通常称为线锯。但是，它究竟应当属于锯切工具还是属于磨削工具呢？

按照加工目的而言，它应当属于锯切工具。加工目的是把被加工材料锯切开，使之成为薄片状或其他设定形状。从这个意义上说，它应当与金刚石锯切工具中的圆锯、排锯、绳锯并列，同属于锯切工具。

按照加工方式而言，它应当属于磨削工具。它是依靠磨料的磨削作用进行加工，遵循磨削原理进行工作。从这个意义上说，它可以与砂轮、磨石、磨头并列，同属于磨削工具(简称磨具)。但是，它不同于常见的平面磨削和外圆磨削砂轮，而是接近于锯切钢材用的薄片砂轮(俗称切割片)以及成型磨削用的磨沟槽砂轮。其实，这种薄片切割砂轮就是一种圆锯片，也可以归类于锯切工具。

2.2 金刚砂和金刚砂线锯

光伏行业长期以来使用的线锯，磨料是碳化硅，工作方式是自由磨削。这种线锯实质上是一种特殊用途的磨削工具，这种磨具由碳化硅加水加钢丝线组成，碳化硅是磨料，钢丝线是磨具的基体。这种磨具属于自由磨具，也称为松散模具。

那么，金刚砂和金刚线，以前在光伏行业是怎么叫起来的呢？这得从磨料的专业术语说起。磨料分为普通磨料(刚玉和碳化硅)和超硬磨料 (金刚石和立方氮化硼)两大类。碳化硅俗称为金刚砂。需要指出，这只是一种俗称，并非严格的专业术语。有的非专业人士把刚玉也叫作金刚砂。更有甚者，还有人把普通磨料包括刚玉和碳化硅统统称作金刚砂。光伏行业许多人因为习惯把碳化硅称作金刚砂，所以就把碳化硅切割线简称为金刚砂线，甚至简单叫作金刚线。可见，所谓的金刚砂和金刚线，都与金刚石毫不相干。

这种叫法，尽管不科学，但在金刚石线锯出现之前，还问题不大，不至于产生太多歧义。在金刚石线锯出现以后，把金刚石和金刚石线锯也叫作金刚砂和金刚线，就出现了歧义，两类产品混为一谈，不知道说的是碳化硅线锯还是金刚石线锯。现在的光伏用线锯除有一部分仍在使用传统碳化硅切割线之外，金刚石线锯也在同时使用，并且作为更新换代的新型工具应用越来越广泛，已经成为线锯的主流产品。

2.3 金刚石和金刚石线锯

传统的金刚砂线锯与现在的金刚石线锯，是有本质区别的两种产品。前者是松散磨具，所用磨料是碳化硅，加水形成砂浆，工作方式是自由磨削，磨料颗粒在金属线表面无规则随机运动；后者是固结磨具，所用磨料金刚石是采用特定工艺方法固定在金属线表面上[4]，工作方式是规则磨削，金刚石磨料颗粒随着金属线一起进行有规律的运动。

金刚石线锯不仅已经广泛应用，而且产品标准已被制定，并且已经开始实施。其中包括先后颁布的两个标准：一个是关于电镀金刚石线的行业标准[5]，另一个是关于树脂金刚石线的国家标准[6]。这些标准明确规定了金刚石线锯产品及其组成部分(金刚石磨料、金属线等)的名称和规格等一整套标准化的专业名词和术语。

2.4 金刚石线锯产品标准化工作应当引起重视

根据现行标准，无论是电镀金刚石线或者是树脂金刚石线，都可以简称为金刚石线。但是，很明显，无论哪种金刚石线，都不能再像以前称呼碳化硅线那样叫作金刚线。所用磨料是金刚石，也不能再像以前称呼碳化硅那样叫作金刚砂。否则，就会把金刚石与金刚砂(碳化硅)混为一谈，把金刚石线与金刚砂线(碳化硅线)混为一谈。这不仅使名词术语概念混乱，而且会造成交易市场上两类不同产品品种名称的混乱。

令人遗憾的是，迄今为止，不仅有人口头上继续这样说，而且在产品宣传册中仍然这样写，甚至在专业文献中也屡见不鲜，就更不应该了！

这种非标准的混乱的表述方式，现在应该结束了。特别是本行业内的专业技术人员，在书面文件中应当注意带头执行标准，使用标准规定的专业术语。

金刚石线锯目前已经发展到了广泛工业化应用阶段，产品标准的普及工作应当跟上形势发展，应当给予足够的重视。

有一种说法广为流传：三流企业做产品，二流企业做品牌，一流企业做标准，超一流企业做文化。很难想象，不重视标准的企业，会生产出高质量产品，更谈不上开拓国际市场了。

(本文根据第一作者在“第四届中国超硬材料产业发展论坛暨2018年金刚石线切产业链研讨会”(郑州)开幕式上的讲话整理而成。)