近年来，固定金刚石线在光伏硅晶切片加工领域获得广泛应用。与传统松散磨料线锯相比，该技术通过复合镀层[1-2]、树脂结合剂[3-4]或钎焊工艺[5-6]将金刚石磨料固结于钢丝基体表面[7]，在加工效率、切割精度、切缝损失控制、环保性等方面均展现出突破性提升[8]。其应用范围已从硅晶体切割[9-14]拓展至SiC晶体[15-18]、磷酸二氢钾（KDP）晶体[19]、蓝宝石[20-22]及光学玻璃[23]等硬脆材料加工领域。
根据生产工艺，固定金刚石线可分为电镀金刚石线（见图1）、树脂金刚石线和钎焊金刚石线。树脂金刚石线成本较低，但其应用受限于结合剂的热稳定性和耐磨性[24]；钎焊金刚石虽能实现较高的结合强度，但高温工艺对芯线力学性能的影响极为不利[25]，因此更适用于大直径线材。相比之下，电镀金刚石线凭借其优异的界面结合强度、耐磨性和工艺适应性，已成为当前行业发展的重点方向[26]。其制备工艺主要包括预镀、复合电镀和加厚镀3个关键工序，其中复合电镀直接决定了金刚石磨料的固结均匀性和镀层性能，
而电镀液体系则是该工艺的核心要素。
在复合电镀工艺中，基质镀层的选择及其性能直接影响金刚石线的加工效果，目前以Ni、Cr为基底的复合镀层占据主导地位[27]。其中，Ni基复合镀层凭借其高硬度(240~500HV)、稳定的化学性能及成熟的工艺体系，已发展成为电镀金刚石线的主流耐磨镀层[28]。相较而言，Cr基镀层虽然具有更高的硬度和耐磨性，但其传统制备工艺依赖含剧毒六价铬的电镀液，存在严重的环境风险及工艺限制。尽管近年来针对六价铬电镀替代工艺的研究取得了一定进展，但在电镀金刚石线制造领域仍缺乏系统性研究报道[29]。因此，本文将重点探讨电镀金刚石线中Ni基镀液的研究进展，探讨优化镀液配方与工艺参数对镀层性能提升、生产成本降低及环保性增强的影响，并引入跨领域镀层技术案例以供借鉴，以期为电镀金刚石线的未来发展提供理论参考和技术借鉴。
1、镍基电镀金刚石线镀液
镍基电镀液主要由主盐、配位剂、导电盐、缓冲剂及添加剂组成[30]。主盐作为金属离子源，提供电沉积所需镍离子；配位剂能够与金属离子形成稳定络合物，调节沉积电位以实现合金共沉积；导电盐通过提高镀液电导率促进金属离子迁移；缓冲剂能够维持镀液pH稳定，避免因pH波动影响镀层性能和和沉积速率。根据主盐种类，目前镍基电镀液主要分为氯化物型、硫酸盐型和氨基磺酸盐型[31]。
1.1氯化物体系
氯化物型电镀液是以金属氯化物为主盐的电镀液体系，凭借其高导电性和快速沉积特性，在电镀金刚石线制造领域获得广泛应用。日本学者Chiba等[32]的研究表明，以高浓度氯化镍为主盐的氯化物镀液具有优异的阳极活化能力，其工作电流密度最高可达44.7kA/m2，显著高于其他体系，能够实现金刚石颗粒的高效包覆与快速沉积。
然而，氯化物型电镀液所得镍基镀层存在明显的内应力集中现象，导致镀层与芯线的界面结合强度不足[32-33]。镀层在弯曲过程中容易产生裂纹甚至剥落，限制了其在动态弯曲工况线锯中的应用。针对这一问题，可通过优化添加剂配方、改进工艺参数等手段加以解决[34]。在添加剂研究方面，尽管不同镀液体系存在差异，但跨体系的技术思路具有参考价值。有学者在电镀金刚石切割线用氨基磺酸镍液中添加8~12mL/L香豆素作为应力消除剂[35]。该应力消除剂可通过调控镀层沉积过程，能有效降低镀层内应力并提高韧性，进而增强镀层与芯线的结合强度。在工艺参数优化层面，Kolle等[36]的研究表明，通过调整脉冲电源的频率和电流密度可以最大限度地降低镀层的残余应力，而无需另外加入添加剂。
1.2硫酸盐体系
硫酸盐镀液体系具有成本低、化学性能稳定及镀层内应力小等优势[28]。研究表明[37]，电镀液成分浓度、电流密度、金刚石质量浓度、上砂时间及加厚时间等工艺参数对颗粒嵌入效率与镀层均匀性具有决定性作用。
吕世强等人[38-39]以直径120μm的琴钢丝为基体，15μm金刚石颗粒作磨料，采用悬浮法上砂工艺制备金刚石线。所用镀液组成为：利硫酸镍250g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸钠0.03g/L，1,4−丁炔二醇0.8g/L。扫描电镜(SEM)分析发现，当金刚石颗粒质量浓度为60~70g/L时，电镀金刚石线表面砂量分布较均匀，但密度低，切割效率不高；金刚石颗粒质量浓度为80g/L时上砂量显著提高，并且分布均匀；金刚石颗粒质量浓度为90g/L时，线锯表面出现金刚石堆积现象，颗粒的把持力及线锯的使用寿命明显降低。张景涛[40]以直径0.18mm的镀铜高碳钢丝为基体，以粒径W30-40的金刚石颗粒为瓦特体系的磨料，研究了不同参数对线锯上金刚石颗粒分布的影响，得到较优的上砂工艺参数为：电流密度4A/dm2，搅拌速率200r/min，上砂时间2min，镀镍金刚石质量浓度30g/L。在较优条件下所得电镀金刚石线的抗拉强度、柔韧性和镀层结合强度均满足要求，将其用于蓝宝石切割时，切片表面平整，无崩碎现象。
高伟等[41]以直径0.3mm高碳钢丝为基体，M20/30至M22/36金刚石微粉为磨料，通过硫酸盐镀液和悬浮上砂法制备金刚石线，发现随上砂电流密度、时间、搅拌速率或金刚石微粉浓度增大，电镀金刚石线表面的金刚石微粉沉积量先增加后趋于平稳。较佳的上砂工艺参数为：电流密度5A/dm2，时间4min，搅拌速度200r/min，金刚石质量浓度30g/L。
杭卫明等[42]以直径0.12mm镀铜钢丝为基体，采用8~13μm粒径的镀镍金刚石为磨粒，在由硫酸镍250g/L、氯化镍30g/L、硼酸35g/L和1,4−丁炔二醇组成的镀液中开展悬浮法电镀实验。SEM观察与电化学测试发现，在金刚石质量浓度30g/L、温度45℃的条件下，电流密度为4~5A/dm2时，镀层中金刚石分布均匀且结合力强，高于5A/dm2后，则因析氢剧烈，导致镀层产生凹坑等缺陷；上砂时间为5~7min时，磨粒出刃高度最优，少于3min则镀层表面磨粒密度不足，上砂9min则磨粒埋入过深。在电流密度4~5A/dm2下上砂5~7min所得电镀金刚石线兼具高磨粒密度与适宜的出刃形态。
卜丽丽[43]以直径115μm镀黄铜钢丝为基体，粒径15~20μm镀镍磷金刚石为磨粒，运用硫酸盐体系镀液制备电镀金刚石线，研究了在较优工艺条件下不同添加剂对上砂效果的影响。结果表明，PPS(丙烷磺酸吡啶嗡盐)可有效抑制金刚石微粒团聚，但浓度过高会阻碍共沉积；CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)既能分散微粒又不会影响镀层结合力；CTAB与PPS协同作用可显著提升上砂效率和分布均匀性；糖精兼具消除内应力和细化晶粒的双重功效，使镀层更致密平整。较优的添加剂组合为：PPS150mg/L，CTAB100mg/L，糖精0.7g/L。制备的线锯金刚石分布均匀、线径偏差小，镀层结合紧密，磨粒把持力高，满足实际切割需求。
Dai等[44]研究了硫酸盐镀液中1,4−丁二醇质量浓度对电镀金刚石线性能的影响。实验发现，1,4−丁二醇质量浓度为0.3g/L时，镀层与基体结合最紧密，硬度最高达427MPa，用于切割玻璃时磨损量最低。该研究表明通过优化镀液添加剂用量可显著提升线锯的耐磨性和使用寿命，为光伏行业电镀金刚石线性能优化提供了重要依据。
张辽远等[37]以直径5mm的45钢为基体制备电镀金刚石线，通过单因素实验研究不同因素对沉积速率、金刚石微粉含量和埋入深度、结合力的影响，得到较佳的工艺为：镍盐质量浓度为200g/L，pH4.5~5.0，电流密度2~3A/dm2，温度40~50°C，搅拌时间2~3min。在该条件下所得电镀金刚石线经400°C保温1h再水冷后不掉皮，锤击时金刚石微粒不脱落，能够在超声波和交变载荷条件下稳定工作。
高伟等[45]采用直径0.3mm琴钢丝为基体，以38μm粒径的金刚石为磨料，通过瓦特型镀液和埋砂法制备电镀金刚石线锯。结果表明，预镀电流密度过低会导致镀层结晶粗糙且易弯曲龟裂，过高则会引发镀层剥离；上砂电流密度过低会使镀层结晶粗糙并产生较多裂纹，过高则会导致镀层烧焦；上砂时间过长会导致金刚石密度过大，出刃高度不均及锯丝直径增大，同时因镍含量较低而削弱把持力；加厚镀时间过短会使颗粒埋入过浅易脱落，过长则使颗粒深埋，切割能力下降。较佳的工艺条件为：镀液温度35℃、pH4.5，预镀1.5A/dm2×10min，上砂镀2.0A/dm2×20min，加厚镀1.5A/dm2×1.2h，电镀后200℃热处理2h。该条件下所得线锯镀层结合力良好，金刚石颗粒分布均匀且埋入深度适中。
综上所述，通过调整硫酸盐体系镀液成分和工艺参数及对金刚石表面进行金属化处理，可显著改善颗粒分布均匀性和镀层结合强度。然而，目前对于镀液成分、工艺参数与镀层性能之间关系的研究仍有待深入。
1.3氨基磺酸盐镀液
氨基磺酸盐镀液具有主盐溶解度高、镀层内应力低和结合力好等优点[46]。李双红等[46-48]以60μm高碳钢丝为基体，8~10μm的镀镍金刚石为磨粒，采用氨基磺酸镍镀液体系制备电镀金刚石线，优化了预镀、上砂及加厚的工艺参数。在较优工艺条件下制备的电镀金刚石线表面光滑且粗糙度低，可用于切割多晶硅片时。
马泽贤等[49]采用氨基磺酸镍镀液在60μm超细丝上进行金刚石复合电镀，通过正交试验研究了上砂工艺参数对金刚石线锯性能的影响。结果表明，添加剂体积分数是影响脆断次数、上砂量及堆积直径的关键因素，上砂量及堆积直径与线锯脆性呈正相关，它们都显著影响金刚石线锯的使用寿命。当添加剂体积分数为0.03~0.04mL/L、金刚石质量浓度为6g/L时，在电流密度4A/dm2、搅拌速率60r/min、温度55℃及磁感应强度16mT条件下，所得线锯上砂量足、堆积直径小、脆性低。
李靖华[50]以直径为280μm的钢丝作为基体，围绕电镀金刚石线锯预镀、上砂装置及工艺开展实验研究。结果表明，氨基磺酸镍浓度为450g/L、电流密度为3~9A/dm2时可预镀得到平整致密的镀层；采用阴极旋转式装置上砂的较佳工艺参数为：化学镀镍金刚石微粉装载量17g/L，电流密度4A/dm2，温度45℃，时间15s；采用扫砂管式装置上砂的较佳工艺参数为：化学镀镍金刚石微粉装载量15g/L，电流密度3A/dm，温度45℃，时间15s；此外，采用电镀镍金刚石微粉作为磨粒时上砂更快，但团聚加重。
黄修康[51]基于氨基磺酸镍镀液体系复合电镀工艺，采用直径0.27mm镀铜高碳钢丝为基体，W30-40金刚石微粒为磨料制备了电镀金刚石线。当阴极电流密度为25A/dm2时，镀层兼具低应力与高结合力特性，金刚石埋入率及单位面积颗粒数达到最优平衡，满足光伏晶硅方锭切割需求。
代晓南等[52]通过对金刚石微粉化学镀镍与钢丝基体磁化优化上砂工艺，所用镀液配方为：氨基磺酸镍300~500g/L，六水合硫酸钴15~30g/L、氯化镍20~30g/L，硼酸30~40g/L，糖精适量。结果表明：基体磁感应强度、金刚石质量浓度及上砂时间显著影响线锯的制备效率及耐用度。较佳的上砂工艺参数为：
电流密度5A/dm2，磁感应强度0.6mT，金刚石浓度15g/L，上砂时间30s，温度45℃。该工艺使上砂时间大幅减少，线锯制备效率提升81%，同时保持优异的耐用性。磁化基体工艺在电流密度5A/dm2，磁感应强度0.6mT，金刚石质量浓度15g/L，温度45℃，上砂时间30s。该工艺使上砂时间较传统工艺缩短95%，线锯制备效率提升81%，同时保持优异的耐用性。
氨基磺酸镍体系镀液因其镀液成分简单、主盐溶解度大、沉积速率高、镀层内应力低等优势，在电镀金刚石线领域展现出良好的应用前景。然而，为进一步提高镀层性能和电镀金刚石线的综合性能，仍需持续深入研究镀液中各成分的协同作用机制，如何平衡高沉积速率与镀层性能、降低原料成本等问题也亟待解决，未来可着力开发新型复合添加剂体系。
2、镍合金基电镀金刚石线镀液
除了镍基电镀金刚石线外，以镍合金为基质的电镀金刚石线也备受关注。Huang等[29]通过电镀技术在碳钢基体上制备Cr–C–Ni–金刚石复合磨棒，主要包括3步：预镀Ni底层、复合电镀Ni–金刚石、三价铬电镀Cr–C强化层。经500℃退火处理30min后，Cr–C层硬度显著提高，磨削长度达1320mm，证实退火强化的Cr–C层可作为金刚石工具的理想强化相。他们还采用Ni–B合金作为强化层制备得到电镀镀Ni–B–金刚石工具，结果表明金刚石覆盖率为80%、Ni底层厚度为90μm时可实现最佳的磨削性能，但Ni–B合金与基体界面易开裂[53]。
李铮[54]采用钨丝为基线，采用氨基磺酸盐镀液体系电镀得到Ni–Co基金刚石线。结果表明，镀液中氨基磺酸钴的质量浓度不得高于30g/L，过量将引发内应力而导致龟裂。
王振豪[55]在氨基磺酸镍镀液中添加30g/LCoSO4，以110μm镀铜钢丝为基体，通过悬浮法制备电镀金刚石线。在较佳工艺条件(CoSO4质量浓度30g/L，金刚石质量浓度6g/L，电流密度3A/dm2，时间150s)下上砂时，所得线锯表面镀层致密，磨粒分布均匀，线径适中，与未加CoSO4时相比，上砂效率提升18%，镀层显微硬度和耐蚀性比纯镍层分别提高25%和30%。
代晓南[56]采用直径为0.25mm的琴钢丝为基线，电镀得到以Ni–Co为基质的金刚石线。研究了硫酸钴、糖精和1,4−丁炔二醇对电镀金刚石线显微硬度和抗拉强度的影响，发现硫酸钴在提升硬度的同时还能抑制裂纹扩展，糖精能够细化晶粒和较小拉应力，1,4−丁炔二醇可细化晶粒并增强镀层耐磨性。较优的镀液组成为：氨基磺酸镍450g/L，氯化镍15g/L，硫酸钴10g/L，硼酸35g/L，1,4−丁炔二醇0.1g/L，糖精1g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L。
目前关于镍合金基电镀金刚石线的研究相对较少且深度不足，未来需要加强该领域的探索，通过优化合金成分和改进制备工艺，充分挖掘镍合金基镀液在提升金刚石线性能方面的潜力。
3、其他领域镀层技术的应用与借鉴
当前研究聚焦于电镀金刚石线专用镀液，但其他工业领域的镀层技术也可为电镀金刚石线镀液开发和线锯的性能提升提供重要借鉴。
黄志伟等[57]以Ni–Co为基质、表面金属化金刚石为第二相，采用脉冲电沉积技术制备Ni–Co–金刚石复合工具，主要步骤为预镀、植砂、卸砂和加厚镀。通过对金刚石表面金属化处理可使胎体与颗粒界面以化学键结合，与未金属化金刚石工具相比，金属化金刚石工具对花岗岩材料的去除体积提高了57.7%。孙仲鸣等[58]通过硫酸盐镀液电镀制备了意义Ni–Fe合金为胎体材料的电镀金刚石钻头，通过调整镀液成分和工艺参数制备了兼具高硬度与优异耐磨性的镀层。室内实钻试验表明，该钻头在8−9级正长花岗岩中的平均机械钻速达1.87m/h，平均使用寿命为45.9m，展现出优异的钻进性能。
添加剂在改善镀液分散性与镀层性能中发挥重要的作用。郭文晓等[59]在氨基磺酸镍镀液中添加三元复合添加剂──全氟环氧烷基类非离子表面活性剂、双十二烷基二甲基氯化铵、乙二胺四乙酸，使Ni–金刚石复合镀层的金刚石分布均匀性与结合强度显著提升，孔隙率降低。赵尧敏等[60]在氨基磺酸镍镀液中添加二苯磺酰亚胺(BBI)、烯丙基磺酸钠(SAS)、丙炔磺酸钠(PS)、羟烷基磺酸钠(SSO3)和1−(3−磺丙基)吡啶内盐(PPS-OH)作为组合添加剂，将镀液分散能力从21.43%提升至58.29%，深镀能力从40.0%升至53.5%。
Liu等[61]采用双脉冲电源制备Ni-纳米金刚石复合镀层，其显微硬度比直流电镀层高11.5%，表面粗糙度低22%。Zhang等[62]采用氨基磺酸体系，通过阴极旋转电镀装置制备了Ni–W–金刚石超薄刀片。切削测试表明，与传统Ni–金刚石刀片相比，该刀片的崩边尺寸减小30.6%，径向磨损降低31.6%，加工精度提升47.9%。
跨领域镀层技术可为电镀金刚石线镀液的开发提供重要借鉴。从镀液体系选择、添加剂筛选到工艺优化等多个方面，不同领域的研究成果都带来了新的思路。例如，金刚石表面金属化处理可提升结合力，筛选高效添加剂能够改善颗粒分散性和均匀性等。这种技术融合不仅有助于打破单一领域的研究局限，促进电镀金刚石线镀液技术的创新发展，未来应加强跨领域的合作与研究，加速技术融合与突破。
4、结语
综合来看，电镀金刚石线用镀液的研究涵盖了多种体系，在提高镀层与金刚石颗粒结合力、改善金刚石颗粒分布均匀性、优化镀层性能等方面取得了一定进展。然而，目前仍存在诸多问题，如部分镀液体系的镀层应力问题、不同镀液成分和工艺参数的协同优化还不够完善等。未来的研究需要在深入理解镀液成分、工艺参数与镀层性能内在关系的基础上，加强多学科融合，开发新型镀液体系或优化现有体系，以推动电镀金刚石线镀液技术不断进步，满足日益增长的工业应用需求。
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（注：原文标题：镍及镍合金基电镀金刚石线用镀液的研究进展）
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