1.真空钎焊金刚石线锯

金刚石线锯切片技术是单晶硅材料的主要切片技术之一,该技术具有切割加工效率高、工件切制质量好等优点，金刚石线锯主要有树脂结合金刚石线锯和电镀金刚石线锯。近年来,为了克服树脂结合剂金刚石线锯和电镀金刚石线锯切割过程中的磨粒脱落现象,许多学者对制备工艺展开研究、用相对成熟的真空钎焊金刚石线锯技术。用真空钎焊金刚石固结磨料线锯,提高线锯工作寿命和工件切割质量。

真空钎焊金刚石线锯与电镀金刚石线锯的工作原理和工作方式基本一致，有单向循环式和循环往复式，不论何种工作方式,线锯都将产生拉伸、弯曲和扭转等运动，同时线锯磨粒和钎料层也会受到来自工件材料的磨擦和冲击,在力、磨擦和冲击的综合作用下。线锯必然会产生磨损和失效。在传统钎焊金刚石工具磨损的研究工作中,金刚石磨粒的磨损是主要研究对象,单层金刚石磨粒失去切割能力即是钎焊金刚石工具失效的标准。

2.真空钎焊金刚石线锯的失效模式

2.1 失效模式分析

真空钎焊金刚石线锯的失效可以分为两种,一种是正常失效,一种非正常失效。正常失效的形式主要是：线锯长时间在交变应力下工作而发生的脆性断裂。非正常失效的形式主要是:切割参数选择不当而导致法向力F过大,线锯发生意外断裂而失效;钎料层的意外脱落,导致线锯失去切割能力面失效。

2.2正常失效模式

线锯正常失效模式是指线锯长时间处在交变应力作用下的脆性断裂。取工件进给速度V.=0.6 mm/ min,线锯走丝速度V=1.73m/s,此时测得的F为1.17，受力曲线较为平稳，受力曲线较为平稳,连续切割单晶硅材料2h发生断裂,其断口形貌所示,线锯断口较为平整,没有拉伸实验中“缩颈”现象,且断口呈现明显的粗糙区和光滑区,表明线锯是在较长时间的交变应力作用下发生脆性断裂.

2.3 非正常失效模式

真空钎焊金刚石线锯的非正常失效模式主要有线锯的拉断和钎料层脱落。线锯的意外拉断,一般在切割参数选择不当的情况下发生，容易捐伤工件,造成加工事故。此时,线锯受到的法向力下往往超过其允许的最大值。取工件进给速度V=2.4mm/min,线锯走丝速度V=1.73m/s时,线锯切割10s即发生断裂,断裂前测得的线锯法向力F的瞬时值为2.60N.超过其允许最大值2.37。从线锯断裂断口形貌中可以明显看到线锯断口呈现其拉伸实验的“缩颈”现象。其原因是切割参数设置的不合理,导致切割过程中的进给压力过大,使得线锯受到的应力值超过线锯抗拉强度,线锯直接被拉断。

采用折弯法测试钎料层与基体之间的结合强度,为线锯反复折弯后的横截面形貌,从中可以有出钎料层与基体之间产生了间隙,并且有从基体脱落的可能。针对典型钎焊单层金刚石工具,如钎焊金刚石砂轮,很少涉及讨论钎料层与基体之间的结合强度问题,其原因有二。一是制备真空钎焊金刚石砂轮,真空钎焊保温时间较长,钎料与基体之间的浸润和扩散充分,界面结合强度较高；二是真空钎焊金刚石砂轮在加工过程中基体受到的载荷比较单一,即使钎料层与基体之间浸润不充分,也很少发生钎料层脱落现象。考虑小直径线锯基体以及微粉级金刚石磨粒的热损伤,真空钎焊金刚石线锯的钎焊加热时间一般较短,在较短的时间内,熔融状态的钎料与基体浸润不充分。从线锯基体与钎料层界面形貌中可以看出两者之间的界面较清晰,渗透层不明显:真空钎焊金刚石线锯与真空钎焊单层金刚石砂轮的工作状态有很大的区别,在切割过程中,线锯产生抗拉、扭转和弯曲运动,在长时间的交变应力作用下，如果钎料层与基体之间结合强度低,则有可能发生钎料层脱落现象。因此，为了避免铜基合金粉末钎料层从基体脱落,应该在制备过程中采取相关工艺措施,提高钎料层与基体之间的结合强度,比如钎料涂覆前对线丝基体的去油去污处理,线丝基体表面的粗糙化和弱酸浸蚀处理等。

3.真空钎焊金刚石线锯失效模式研究结论

本文利用制备的真空钎焊金刚石线锯,在不同参数下对单晶硅材料进行切割实验,研究了真空钎焊金刚石线锯在切割单晶硅材料过程中的失效模式及机理,结论如下:

(1)真空钎焊金刚石线锯的失效模式分为正常失效模式和非正常失效模式,正常失效模式主要是由线锯表面裂纹扩展引起的脆性断裂,非常失效模式主要是线锯的意外拉断和钎料层的脱落;

(2)为了避免真空钎焊金刚石线锯出现非正常失效模式和提前发生正常失效模式,除了选择合适的切割参数外,还应着力优化线锯的真空钎焊工艺,以达到减少线丝基体热损伤,提高钎料层与线丝基体之间的结合强度、降低线锯热应力和减少线锯表面裂纹之目的。