專利名稱：具有部分嵌入金屬線且部分由有機(jī)粘合劑保留的磨料顆粒的切割線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于切割硬脆材料的金屬線，其具有附在其外表面的磨料顆粒。 該顆粒通過將它們部分嵌入金屬中且部分嵌入聚合粘結(jié)劑層中固定在該線上。固定的磨料切割線特別適合切割昂貴材料，具有令人滿意的低切口損失和有限表面損害或表面下?lián)p害。
背景技術(shù)：
線切割已經(jīng)逐漸取代用于切割硬而脆的昂貴材料的內(nèi)徑旋轉(zhuǎn)切割葉片。這樣材料的實(shí)例為石英(用于例如石英晶體振蕩器或玻璃光罩)、硅(用于例如集成電路片或太陽能電池)、鍺(例如用于砷化鎵太陽能電池的基板)、砷化鎵(用于高頻電路)、硅的碳化物或藍(lán)寶石(例如用于藍(lán)色led或藍(lán)色led基板)、稀土永磁合金(例如用于錄音磁頭)以及類似物。這種發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一是希望減少這個(gè)過程中的切口損失。“切口損失”是由于研磨(昂貴)材料的材料損失。因此，減少的切口損失導(dǎo)致材料更好的利用和相當(dāng)可觀的資金節(jié)省。上世紀(jì)末，已經(jīng)開發(fā)多線切割(參見如GBl 397 676)，其能夠從材料的單塊上切割出薄片(稱為晶片)。這樣的多線切割中，單個(gè)金屬線-其使術(shù)語“多線”切割混亂-被引導(dǎo)穿過穿線框，其在切割線網(wǎng)期間保持線相互平行。然而，它不是線本身切割，而是添加到該工藝中的磨料。磨料可以以粘稠載體(通常為聚乙二醇)的形式添加到該線中，在粘稠載體中將磨料(通常為硅的碳化物)保持為懸浮液。該混合物稱為“漿料”。該線承擔(dān)反過來將磨料拖進(jìn)切割機(jī)的載體。磨料研磨塊料同時(shí)它在該線和材料之間粘住并滾動(dòng)。已知這被稱為“松散磨料切割”，其為一種“第三體磨損”。材料和線都得到磨損，這使得必須連續(xù)更換線。由于磨料顆粒失去它們的銳度，漿料也減少了。此外，漿料與材料切屑和線的碎片一起載荷， 漿料必須定期更新，這帶來了與它有關(guān)的環(huán)境問題。然而，這一工藝對材料是溫和的，因此在半導(dǎo)體行業(yè)中非常受歡迎，其中亞表層破壞是一個(gè)重要問題。在消除這些消耗品的嘗試中，已經(jīng)提出將磨料以“固定的磨料切割線”固定在線上。以這種方式，線和磨料之間的相對位移為零，因此該線不會磨損。將線和磨料之間的相對位移加倍(相對于松散磨料切割)導(dǎo)致更有效的切割。以不同方式實(shí)現(xiàn)磨料的固定熟悉金屬基固定磨料工具例如切割刀片制造的技術(shù)人員采取第一種途徑，其中通過電鍍或從包含金剛石顆粒的鎳浴中化學(xué)淀積將磨料顆粒-通常為金剛石-嵌入鎳涂層。 EP 0 982 094中描述了一個(gè)實(shí)施例，其中用具有金剛石的鎳涂覆金屬線，給出了不銹鋼線的實(shí)施方案。然而，鎳浴的使用引起由于金屬鎳的健康問題以及特別鎳鹽是已知的致癌物質(zhì)(參考 EC Directive 67/548/EEC 第 30 號修正案)。熟悉磨料工具的硬釬焊的冶金學(xué)家采取第二個(gè)途徑，WO 99/46077是其一個(gè)實(shí)例， 他們在包含用來涂覆線的硬釬焊的磨料上采用他們的技術(shù)。然而，硬釬焊導(dǎo)致線的相當(dāng)大熱載荷，其導(dǎo)致線的抗拉強(qiáng)度損失(除非使用很特別的金屬線作為基材)?；瘜W(xué)技術(shù)人員采用第三種途徑，他們尋求在用于磨料的有機(jī)粘結(jié)劑上采用他們的知識以制造固定的磨料切割線。這有許多實(shí)例，US6，070，570、EP 1 025 942和WO 2005/011914是其中三個(gè)實(shí)例。雖然這導(dǎo)致具有成本效益和在_通常為金屬_線上固定磨料的有效方式，但是該固定不是很牢固且導(dǎo)致切割速度比上述途徑中得到的切割速度慢。 在US 6，070，570中認(rèn)為表面處理，例如用黃銅或銅涂層涂覆線或用底漆涂覆，有優(yōu)勢。JP 10 328932中建議了一種替代的表面處理，其中用包含樹脂的磨料涂覆之前通過噴砂使琴鋼絲的表面變粗糙。磨料顆粒-樹脂包圍-可以適合粗糙表面的凹槽或可以不適合。確定磨料和線之間沒有直接接觸。使用金屬線基材的一個(gè)可以關(guān)注的例外是WO 2003/041899，其中使用人造有機(jī)纖維(Dynema ，Nomex ，Kevlar )作為強(qiáng)度元素。尋求將磨料顆粒摻入金屬線的表層中另外的研發(fā)路線是EP 0 243 825和EP 0 081 697 EP 0 243 825描述一種由鋼線材和包圍鋼線材之間有縫隙的管生產(chǎn)固定的磨料切割線的方法。用金屬粉末和磨料顆粒的混合物填充該縫隙。通過將它蝕刻掉已經(jīng)移除外面的管之后，密封末端并熱處理和冷卻該鋼線材的步驟以得到固定的磨料切割線。該方法的缺點(diǎn)是不能生產(chǎn)可觀長度(100米以上)的固定的磨料切割線，得到的線的拉伸強(qiáng)度相對較低(表明低于1800N/mm2)且得到的線太粗(1mm)。EP 0 081 697描述用金剛石顆粒將包覆線的方法和裝置。其背離了在通過一個(gè)或兩個(gè)輥的反復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)圍繞它的軸卷該線的硬化輥輪之間鑲嵌金剛石顆粒之前用銅層或鎳層涂覆的線。此后，通過電解施加涂層的方式在適當(dāng)?shù)奈恢霉潭ㄔ摻饎偸?。除了鎳和鎳鹽(同上)的健康問題，鎳涂層的使用使得將鍍層部分引入連續(xù)的工藝線中成為必需。它在該工藝線的總長度上增加了相當(dāng)?shù)拈L度且輔助設(shè)備(泵、管、容器)和安全防范措施使得它成為昂貴的操作。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題。更具體的目的是>消除了金屬外涂層，因?yàn)榻饘俚耐馔繉訒黾赢a(chǎn)品成本。>在鎳涂層的特定情況下，由于它可能引起健康問題，消除含鎳涂層是其目的。>通過更好地保持磨料顆粒來增加切割線的使用壽命。>通過降低金屬線的腐蝕來增加切割線的使用壽命。>獲得被切割材料表面或子表面損壞降低并且切割速度足夠高的平滑切割工藝。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種具有上面附著了磨料顆粒的金屬線的固定的磨料切割線。所述顆粒以兩種方式被固定它們部分嵌入金屬線中，部分通過有機(jī)粘結(jié)劑層保持在線上。本發(fā)明的一個(gè)方面是使用兩種完全不同的固定模式一種固定在金屬中，另一種與有機(jī)層粘合?！安糠智度虢饘倬€中”是指磨料顆粒的至少部分表面與金屬線直接接觸。 磨料顆粒部分嵌入在金屬層中可以以許多方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)部分嵌入顆粒的第一種方式是在金屬芯上電解生長金屬層，同時(shí)在該電解生長層中摻入磨料顆粒。一旦顆粒充分固定到金屬線上，可以施加有機(jī)粘結(jié)劑層。金屬層可以從其中漂浮磨料顆粒的含金屬電解液中沉淀出來。一旦固定了磨料顆粒，金屬層可以在進(jìn)一步浴中增厚，或者可以清洗并涂覆有機(jī)粘結(jié)劑層制備金屬線。部分嵌入顆粒的第二種方式是將顆粒鑲嵌或埋入金屬線。一旦顆粒被埋入，它們進(jìn)一步通過有機(jī)粘結(jié)劑層與金屬線結(jié)合。例如可以在兩個(gè)在外圓周上具有半圓形凹槽的硬輪子之間進(jìn)行鑲嵌。凹槽的半徑略大于待埋入的線的半徑。兩個(gè)凹槽卡住線，而磨料顆粒被裝入凹槽和線之間的縫隙中。如果金屬線包含芯和圍繞所述芯的金屬外皮，可以容易地實(shí)現(xiàn)顆粒的鑲嵌或埋入。芯的功能主要是給線提供強(qiáng)度。因此芯的材料必須至少在線的縱向上具有高拉伸強(qiáng)度。 外皮的功能是接受和容納磨料顆粒。因此外皮必須比芯軟。外皮是否比芯軟在標(biāo)準(zhǔn)維克斯 (Vickers)硬度測試中可以容易地測定。優(yōu)選芯由普通碳鋼組成，雖然不排除其它種類的鋼例如不銹鋼。相對于其它高拉伸強(qiáng)度線例如鎢、鈦或其它高強(qiáng)度合金，更優(yōu)選鋼，因?yàn)樗梢匀菀椎刂瞥衫旒墑e超過 2000N/mm2或3000N/mm2或4000N/mm2，目前的限制約為4400N/mm2。這可以通過圓形模具對線長時(shí)間冷成型來實(shí)現(xiàn)。所得金相結(jié)構(gòu)是精細(xì)的長拉伸(far-drawn)珠光體結(jié)構(gòu)?；蛘咧楣怏w鋼結(jié)構(gòu)可以被熱處理轉(zhuǎn)變成馬氏體結(jié)構(gòu)，最好不含貝氏體。雖然會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，但這種轉(zhuǎn)變給線帶來了額外的韌性。用作固定的磨料切割線的芯的普通碳鋼的典型成分如下-至少0.70wt%的碳，上限取決于形成線的其它合金元素(見下文)-0. 30-0. 70wt%的錳。類似于碳，錳增加線的應(yīng)變硬化，在制造鋼的過程中作為脫氧劑。-0. 15-0. 30wt%的硅。在制造過程中，硅用來使鋼去氧。類似于碳，其有助于提高鋼的應(yīng)變硬化。-類似于鋁、硫(低于0.03%)、磷(低于0.30%)的元素的存在量應(yīng)當(dāng)保持最小值。-鋼的余料是鐵和其它元素鉻(0.005-0. 30 % wt)、釩(0.005-0.30 % wt)、鎳(0. 05-0. 30 % wt)、鉬
(0. 05-0. 25% Wt)和硼痕量的存在可能改進(jìn)線的可成形性。這種合金化使得碳含量在 0. 90-1. 20% wt，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度可以更高，例如在拉伸線中高達(dá)4000MPa。硬拉伸線的維克斯顯微硬度大于650N/mm2。優(yōu)選不銹鋼包含最小值12%的Cr和主要量的鎳。更優(yōu)選不銹鋼成分是奧氏體不銹鋼，因?yàn)檫@些可以容易地被拉伸成細(xì)的直徑。該更優(yōu)選的成分在本領(lǐng)域中作為AISI 302(特別是“Heading Quality”，HQ)、AISI 301、AISI 304 和 AISI 314 已知?！癆ISI” 是 “美國鋼鐵學(xué)會”的縮寫。金屬外皮可以是比芯軟的任何金屬。在沒有窮舉的情況下，可能的金屬是鐵、銅、 錫、鋅、鋁、鎳。合金例如鋼、黃銅、青銅、鋅-鋁、銅-鎳、銅-鈹也是可能的外皮金屬。外皮可以施加在最終的芯直徑上。或者在將線拉伸到其最終直徑前將外皮施加到中間直徑的線上。在進(jìn)一步拉伸它們之前，加外皮的中間直徑線可以進(jìn)行熱處理。外皮可以是比芯的碳含量低的鐵或鋼，因?yàn)殇摰挠捕扰c碳含量成正比。更軟的外皮例如可能是高碳線控制脫碳的結(jié)果，或者可以通過電鍍鐵施加在芯線上，或者可以通過
6在線上外包鐵或低碳箔的方式施加在線上。由于芯由鋼制成，外皮由鋼或鐵制成，碳在芯與外皮之間的擴(kuò)散是容易的。因此在線中由高碳到低碳的平穩(wěn)過渡是可能的。另外，在這種情況下使用有機(jī)粘結(jié)劑層具有另外的優(yōu)點(diǎn)在儲存和使用線的過程中抑制腐蝕。對于這種用低碳鋼外皮覆蓋的高碳鋼芯的情況，此處明確的參考文獻(xiàn)是共同未決的EP09152849. 7，其中第18、25_36段中描述的結(jié)構(gòu)特征以及第49-59段中描述的制造該線的方法對于本發(fā)明來說是特別相關(guān)和重要的。另外，外皮金屬可以選擇不與芯金屬形成合金。外皮是否不與芯形成合金必須依個(gè)別情況來評估。但是一些金屬電偶是已知不與例如鋼芯形成合金的。在這種鋼芯上銅或黃銅不會形成合金。當(dāng)外皮金屬不與芯金屬形成合金、外皮金屬比芯金屬軟以及外皮金屬足夠厚時(shí)，外皮與芯受到拉伸后將在外皮金屬和芯金屬之間形成粗糙的界面。該粗糙的界面是特別有利的，因?yàn)槠渫ㄟ^機(jī)械互鎖改進(jìn)了芯與外皮之間的粘合性?？梢酝ㄟ^包裹箔將外皮施加在中間直徑線上，其是優(yōu)選的方法。另一種優(yōu)選的方法是使其通過熔融金屬浴來涂布中間直徑線。這種方法特別適用于用鋅(熱浸鍍鋅)，或鋅合金，例如鋅鋁合金，像貝卡爾特的Bezinal 鍍層線，或銅或銅合金或錫來涂布線。最優(yōu)選的將外皮涂布在中間線直徑上的方法是從含有外皮金屬離子的浴中電解涂布。當(dāng)然也明確包括芯與外皮之間不存在粗糙界面的情況。當(dāng)在加外皮之前通過適當(dāng)?shù)厍逑春皖A(yù)處理芯進(jìn)行應(yīng)有的維護(hù)時(shí)，大多數(shù)情況下會得到芯與外皮之間足夠的粘合性。 為了得到芯與外皮之間平滑的界面，優(yōu)選將外皮通過從含金屬離子的浴中電解沉積的方式施加到最終的金屬線直徑上。磨料顆粒被保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，部分嵌入金屬線，部分嵌入有機(jī)粘結(jié)劑層。有機(jī)粘結(jié)劑層可以是熱固性(也稱為熱硬化)有機(jī)聚合物化合物。或者粘結(jié)劑層可以是熱塑性聚合物化合物。由于熱固性聚合物，一旦固化，當(dāng)在使用過程中溫度變得更高時(shí)不會軟化，在本申請中更優(yōu)選它們。市售的許多熱固性有機(jī)聚合物是液體形式或粉末形式，如樹脂。它們可以通過本領(lǐng)域中已知的方式施加到金屬線(磨料顆粒嵌在其上)上，例如使線通過溢浸池，或通過涂布幕簾，或通過流化床，或者通過靜電粉末或流體沉積的方式。施加到金屬線上后，熱固性聚合物必須被固化。固化主要通過高于其固化溫度加熱樹脂來進(jìn)行。高于固化溫度產(chǎn)生交聯(lián)聚合物，固化后保留了韌性層。在固化過程中施加在線的總熱量應(yīng)當(dāng)保持足夠低，這樣不會影響線的機(jī)械性能。這可以通過限制溫度和/或限制在加熱區(qū)域的停留時(shí)間來完成。特定樹脂，例如環(huán)氧樹脂，需要催化劑來保持固化反應(yīng)進(jìn)行。某些樹脂，例如封端單組份聚氨酯，可以以催化劑混合在化合物中的形式購得。然后在選定的時(shí)期加熱活化催化劑。或者固化可以由能量束輻射引發(fā)，例如紅外線、紫外線或電子束，但是在這種情況下， 必須使用對能量束有反應(yīng)性的合適的引發(fā)劑，例如苯乙酮。本申請中最優(yōu)選的熱固性聚合物是酚醛樹脂。優(yōu)選的聚合物是酚醛樹脂、蜜胺酚醛樹脂或丙烯酸類樹脂或氨基樹脂，例如蜜胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、甘脲甲醛，或環(huán)氧樹脂，或胺固化環(huán)氧樹脂。不太優(yōu)選但仍然可用的是聚酯樹脂或環(huán)氧聚酯或乙烯基酯或醇酸基樹脂。列出的并非窮舉，可以確定其它合適的聚合物。或者粘結(jié)劑層可以是具有足夠高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(比方說高于40°C，但優(yōu)選高于 IOO0C )的有機(jī)熱塑性材料。優(yōu)選的熱塑性聚合物是丙烯酸、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂。不太優(yōu)選但仍然可用的是乙烯基酯、醇酸樹脂、硅基樹脂、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物。除了提到的用于熱固性材料的方法，可以通過擠出施加熱塑性粘結(jié)劑層。有機(jī)粘結(jié)劑層必須足夠硬，以在切割過程中承受摩擦。因此優(yōu)選粘結(jié)劑層的聚合物含有填料，其增加涂層的強(qiáng)度或有助于在使用過程中提高熱量流向金屬線。為此目的典型的填料可以是鋁的氧化物、硅的碳化物、硅石、鉻的氧化物、氮化硼、 云母、滑石、碳酸鈣、高嶺土、粘土、氧化鈦、硫酸鋇、氧化鋅、氫氧化鎂、鈦酸鉀、硫酸鎂、金剛石晶粒、金屬粉末或其混合物。特別優(yōu)選填料是納米尺寸顆粒的形式。通常這些顆粒的尺寸小于200nm，優(yōu)選 5-lOOnm。特別優(yōu)選的成分是鋁的氧化物和氧化鈦，因?yàn)楫?dāng)以低于10質(zhì)量％或者甚至低于5 質(zhì)量％甚至低于3質(zhì)量％的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)混入樹脂時(shí)，這些顆粒對有機(jī)樹脂的耐磨性具有有利的影響。填料不嵌入金屬線中。也可以添加其它成分，例如促進(jìn)劑或穩(wěn)定劑。為了提高有機(jī)粘結(jié)劑層對金屬線的粘合性，可以使用底涂劑?？梢詥为?dú)使用或結(jié)合使用的兩類底涂劑是無機(jī)底涂劑和有機(jī)底涂劑。第一類底涂劑是無機(jī)底涂劑。無機(jī)底涂劑的實(shí)例是硅酸鹽，即硅的任意無機(jī)氧化物SiOx、磷酸鹽或鉻酸鹽。最優(yōu)選的是磷酸鹽，例如磷酸錳、磷酸鐵或磷酸鋅，后者是最優(yōu)選的。第二類底涂劑是有機(jī)底涂劑。本申請最優(yōu)選的是基于有機(jī)基的硅烷、有機(jī)基的鋯酸酯和有機(jī)基的鈦酸酯的底涂劑。有機(jī)基的硅烷具有以下結(jié)構(gòu)式Y(jié)-R，-SiX3其中SiX3包含第一官能團(tuán)；R’包含間隔基團(tuán)；Y包含第二官能團(tuán)。第一官能團(tuán)SU3能夠與線的外層金屬結(jié)合。X表示硅官能團(tuán)，每個(gè)硅官能團(tuán)獨(dú)立地選自由-0H、-R、-OR、-OC ( = 0) R和鹵素例如-Cl、-Br、-F組成的組，其中-R是烷基，優(yōu)選C1-C4烷基，最優(yōu)選-CH3和-C2H5。第二官能團(tuán)Y指向粘結(jié)劑層的聚合物材料，能夠與聚合物材料的至少一個(gè)官能團(tuán)結(jié)合或相互影響。能夠與聚合物材料的至少一個(gè)官能團(tuán)結(jié)合或相互影響的任何官能團(tuán)可以被認(rèn)為是第二官能團(tuán)Y。實(shí)例是包含至少一種以下基團(tuán)的官能團(tuán)-NH2、-NHR’、-NR’ 2、不飽和端基的碳-碳雙鍵或三鍵基團(tuán)，丙烯酸基、甲基丙烯酸基及其甲酯或乙酯、-CN-, -SH、異氰酸酯基、硫氰酸基和環(huán)氧基。鋯酸酯和鈦酸酯的結(jié)構(gòu)是類似的，但是鋯酸酯基或鈦酸酯基取代硅烷基存在。如果使用無機(jī)底涂劑和有機(jī)底涂劑，無機(jī)底涂劑總是在金屬線上，有機(jī)底涂劑在無機(jī)底涂劑上。無機(jī)底涂劑或有機(jī)底涂劑可以通過使線通過例如裝有磷酸鋅水混合物或醇-水基硅烷混合物的浸漬槽接著干燥來施加到金屬線上。磨料顆?？梢允浅材チ希缃饎偸?天然的或人工的，由于其低成本和良好的晶粒脆性，稍微更優(yōu)選后者)、立方氮化硼或其混合物。對于要求比較少的應(yīng)用，可以使用“正?！钡哪チ项w粒，例如碳化鎢(WC)、硅的碳化物(SiC)、鋁的氧化物(Al2O3)或氮化硅 (Si3N4)雖然它們更軟，但它們比金剛石便宜很多。當(dāng)使用后一種磨料顆粒時(shí)，在顆粒通過埋入(而不是通過電解方法沉積它們)嵌入外皮中的情況下，應(yīng)當(dāng)考慮金屬線的外皮的硬度。對于這類磨料顆粒，外皮材料例如錫、鋁和鋅是更合適的，因?yàn)樗鼈儽壤珂囈浀枚唷?在埋入時(shí)太硬的外皮將破碎太多的顆粒。在所有磨料顆粒中，最優(yōu)選人工金剛石，因?yàn)樗亲钣驳?。在“正?！蹦チ项w粒中，最優(yōu)選硅的碳化物。磨料顆粒的尺寸必須在某種程度上用線的直徑來度量。確定顆粒本身的尺寸和形狀是其自身權(quán)利的技術(shù)領(lǐng)域。由于顆粒不是并且不應(yīng)當(dāng)是球形，為此本申請的參數(shù)將作為顆粒的“尺寸”，而不是它們的“直徑”(以為直徑暗示了球形)。顆粒的尺寸是通過本領(lǐng)域已知的任意測量方法確定的測量值(用微米表示)，總是在連接顆粒表面離得最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)的線的長度和連接顆粒表面彼此最近的兩點(diǎn)的線的長度之間。為固定的磨料切割線設(shè)計(jì)的顆粒尺寸落入了 “微粉”的范疇。微粉的尺寸不再由通常用于微粉的標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)技術(shù)確定。相反它們必須由其它技術(shù)確定，利潤激光衍射法、顯微鏡直接計(jì)數(shù)法、電阻法或測光沉淀法。標(biāo)準(zhǔn)ANSI B74. 20-2004更詳細(xì)地描述了這些方法。 為了這種應(yīng)用目的，當(dāng)涉及顆粒尺寸的參數(shù)，是指由激光衍射法(或者其也被稱為“小角激光散射法”)確定的顆粒尺寸。這種方法的計(jì)算結(jié)果是中值顆粒尺寸d5(l(即顆粒的一半小于該尺寸，顆粒的一半大于該尺寸)的積分或微分顆粒尺寸分布，或者一般是“dP”，其中顆粒的“P”百分含量小于該“dP”，剩余部分(100-P)百分含量大于該“dP”。通常超硬磨料由參比標(biāo)準(zhǔn)而不是篩網(wǎng)數(shù)來確定尺寸范圍。例如在20-30微米級別的粒度分布有90%的顆粒在20微米(即d5)和30微米(即d95)之間，超過40微米的低于千分之一，而中值顆粒尺寸d5(1必須在25. 0士2. 5微米之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了將顆粒很好地容納在金屬線上，中值顆粒尺寸應(yīng)當(dāng)小于鋼絲線周長的1/6，更優(yōu)選應(yīng)當(dāng)小于金屬線周長的1/12。在另一個(gè)極端，顆粒不能太小，因?yàn)殡S后材料去除率(即每時(shí)間單位磨損掉的材料的量)會變得過低。顆粒的目標(biāo)涂層比率，即用磨料顆粒覆蓋的區(qū)域除以金屬線總圓周面積，取決于想要切割的材料、想達(dá)到的切割速度或想得到的表面光潔度。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了使材料具有最好的切割性能，設(shè)計(jì)的顆粒面積對總面積的比率應(yīng)當(dāng)在1_50%，或者2-20%，或者甚至2-10%。類似于金屬線，磨料顆粒可以涂有無機(jī)底涂劑或有機(jī)底涂劑或者兩者。合適的無機(jī)底涂劑是反應(yīng)性金屬，例如鈦、鋯、鎢、鉻或鐵。它們往往形成碳化物(在金剛石和硅的碳化物的情況)，其賦予顆粒側(cè)良好的粘合性?；蛘哳w粒可以涂有銅和鎳。雖然不與顆粒反應(yīng)， 但它們賦予良好的熱傳導(dǎo)性并為有機(jī)配對物提供穩(wěn)固的基礎(chǔ)，有機(jī)配對物可以是有機(jī)粘結(jié)劑層或有機(jī)底涂劑。在無機(jī)底涂劑上面或裸露的顆粒本身上可以施加有機(jī)底涂劑。這些是和前面討論的相同的有機(jī)基的鈦酸酯、有機(jī)基的鋯酸酯和有機(jī)基的硅烷。顆粒上的底涂劑確保了磨料顆粒與有機(jī)粘結(jié)劑層的改進(jìn)的粘合性。
嵌入的深度允許對固定的磨料切割線的有創(chuàng)造力的改變。在第一種優(yōu)選的改變中，將磨料顆粒深深地嵌入金屬線或金屬外皮(如果存在)中?！吧钌钋度搿笔侵钙骄阅チ项w粒中值顆粒尺寸的三分之二以上嵌入金屬線中。這可以通過構(gòu)成線的橫截面并在構(gòu)成金相橫截面方面改進(jìn)它們來調(diào)節(jié)。因?yàn)樵谇懈詈蛼伖膺^程中磨料顆粒是從它們的空心處移出的(因?yàn)樗鼈兲搽y以拋光)，會發(fā)現(xiàn)空心處的印記為U形。當(dāng)現(xiàn)在從兩頭取出的U形的深度大于從這一頭到那一頭的距離的2/3， 認(rèn)為顆粒已經(jīng)被嵌入了其尺寸的2/3以上。嵌入的深度必須在至少20個(gè)空心處評估。對測得的嵌入深度算術(shù)平均得到平均值。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，有機(jī)粘結(jié)劑層的厚度小于中值顆粒尺寸的1/3。在實(shí)際操作中，這優(yōu)選小于ΙΟμπι。為了具有足夠的結(jié)合力，必須存在至少1 μ m的有機(jī)粘結(jié)劑層。所需有機(jī)粘結(jié)劑層是比較薄的小于約1/3的中值顆粒尺寸。 優(yōu)選其厚于Iym以提供足夠的結(jié)合力。顆粒主要由下層軟外皮金屬保留。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，磨料顆粒僅僅很淺地嵌入金屬線中。磨料顆粒的更大部分嵌入在有機(jī)粘結(jié)劑層中有機(jī)粘結(jié)劑層的厚度至少是顆粒中值顆粒尺寸的三分之一。 顆粒僅僅少量嵌入金屬線中埋入線中的至多是中值顆粒尺寸的一半，優(yōu)選至多是中值顆粒尺寸的三分之一。這種實(shí)施方案的好處在于金屬線的埋入至少為磨料顆粒提供了一個(gè)接入點(diǎn)，而絕大部分顆粒保留在更有彈性的粘結(jié)劑層中。據(jù)信通過這種結(jié)構(gòu)，可以得到“畫筆 (brush)，，效應(yīng)，導(dǎo)致比前面的實(shí)施方案更易控的切割。當(dāng)通過埋入顆粒的方式制備固定的磨料切割線時(shí)，顆?？梢栽跊]有任何有機(jī)粘合劑的情況下施加到金屬線上，接著涂布和完全固化?；蛘呖梢栽谑┘佑袡C(jī)粘合劑后再施加顆粒。在后一種情況，優(yōu)選首先用有機(jī)粘結(jié)劑層涂布金屬線，接著輕微固化，接著埋入并完全固化涂層來完成，以免在埋入過程中使埋入操縱輪變臟。附圖
簡要說明圖Ia顯示了最通用形式(第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案)的固定的磨料切割線的橫截面示意圖。圖Ib顯示了根據(jù)第二個(gè)實(shí)施方案的切割線的示意圖。圖Ic顯示了根據(jù)第三個(gè)實(shí)施方案的切割線的示意圖。圖Id顯示了根據(jù)第四個(gè)實(shí)施方案的切割線的示意圖。圖加和b顯示了根據(jù)第三個(gè)實(shí)施方案的切割線的金相橫截面。圖3顯示了線的對比切割性能。
具體實(shí)施例方式圖Ia以其最通用的形式(第一個(gè)實(shí)施方案)顯示了本發(fā)明。固定的磨料切割線 100包含金屬線12和有機(jī)粘結(jié)劑層30。磨料顆粒20通過有機(jī)層30固定到金屬線12上。 該線的特征在于磨料顆粒也是部分嵌入在金屬線中的。圖Ib顯示了第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中金屬線包含芯14和外皮16，其中磨料顆粒部分嵌入外皮16中并通過有機(jī)粘結(jié)劑層30結(jié)合到線上。該顆粒中值顆粒尺寸至多三分之一嵌入外皮層中，剩余部分結(jié)合在有機(jī)粘結(jié)劑層上。圖Ic顯示了第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中外皮16與芯14之間的界面顯示了特定的粗糙度。此處顆粒中值顆粒尺寸的至少三分之二在外皮中。
圖Id顯示了第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中從芯14到外皮16的轉(zhuǎn)換是逐漸的，沒有顯示出明確的界面。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案，碳含量0.8247wt%、錳含量0. 53wt%、硅含量 0. 20wt%并且Al、P和S含量低于0.01wt%的高碳線材(通稱直徑5. 5mm)根據(jù)本領(lǐng)域已知方法化學(xué)除銹。該線被干燥拉伸至3. 25mm，韌化處理，再次干燥拉伸至1. 13mm。將169 微米厚或每千克鍍層線約440克的銅涂層被電鍍到該中間直徑上，其隨后被拉伸至最終總直徑210 μ m。那時(shí)銅涂層的厚度約為16 μ m。該線的斷裂載荷是96N。鋼絲芯的拉伸強(qiáng)度 (忽略銅外皮的強(qiáng)度影響)是3771N/mm2。將中值顆粒尺寸“d50，，為25. 3 μ m(d10 = 15. 1 μ m, d90 = 40. 6 μ m)的金剛石顆粒用兩對具有匹配的半徑為109μπι的半圓周凹槽的輥輪埋入銅外皮中。這兩對輥輪的軸彼此垂直。因此，顆粒深深地埋入外皮中，平均三分之二的顆粒在外皮中。對樣品作進(jìn)一步測試(“空白樣品”)。 隨后該線用來自SigmaKalon的基于雙酚A (BPA)和固化劑的環(huán)氧樹脂粉末 ΕΡ49. 7-49. 9靜電涂布。隨后該線在貫穿的烘箱中在180°C下固化約120-540秒?？梢酝ㄟ^改變線速度來改變有機(jī)粘結(jié)劑層的量越慢的線速度收集越多的環(huán)氧樹脂粉末，因此粘結(jié)劑層更厚，越快的線速度導(dǎo)致越薄的粘結(jié)劑層。制備了兩種樣品“薄樣品”(具有薄粘結(jié)劑層)和“厚樣品”(具有厚粘結(jié)劑層)。圖加顯示了薄樣品的橫截面200，圖2b顯示了厚樣品的橫截面210。芯214和外皮216都是可以辨認(rèn)的。注意到金剛石在保留它們的凹槽 222的外面。有機(jī)粘結(jié)劑層是黑色的，在薄樣品的情況下是薄層230，在厚樣品的情況下是可清楚辨認(rèn)的層232。三根線在單線交互實(shí)驗(yàn)室切割機(jī)型“金剛石線技術(shù)CT800”上進(jìn)行比較。寬125mm、 高46. 6mm的半方形單晶硅的一半用每個(gè)樣品切割掉(最后切掉圓角)。機(jī)器在設(shè)置在3° 的“恒定鋸弓模式”下運(yùn)行，線拉伸保持在約8N，在7秒鐘內(nèi)環(huán)繞30m線(通過來回)，平均速度QX30/7)約為8.6m/s。含有添加劑的水用作冷卻劑。所得結(jié)果再現(xiàn)在圖3中，其顯示了切割速度(即切割正面前進(jìn)通過樣品的速度) 隨時(shí)間的變化。當(dāng)樣品被切割穿過時(shí)是樣品的末端。用菱形( )標(biāo)記的曲線是空白樣品得到的結(jié)果。開始其顯示高切割速度，由于磨料顆粒的損失快速下降。用方塊(■)標(biāo)記的曲線是用具有薄有機(jī)粘結(jié)劑層的“薄樣品”得到的切割速度。 雖然曲線仍然稍微低于空白樣品，切割速度更恒定在約0. 8-1. Omm/min。在切割過程中，明顯金剛石更容易保留并保持功能。當(dāng)其達(dá)到100mm2/min以上時(shí)，切割速度是可以接受的。用圓點(diǎn)(·)標(biāo)記的曲線也顯示了切割速度的改進(jìn)性能，但總體切割性能太低。明顯是粘結(jié)劑層阻礙了磨料顆粒與工作部位的接觸。只有當(dāng)粘結(jié)劑層磨損掉時(shí)，切割速度才會提尚。在第二個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)第一個(gè)實(shí)施方案中提供的相同加工途徑制備了 225 μ m 加有銅外皮的芯線(芯175 μ m,涂層25 μ m)。如同在第一個(gè)實(shí)施方案中一樣，金剛石再次深深地埋入銅涂層中。所埋入的金剛石線在潮濕的化學(xué)途徑中被涂布(“濕樣品1”)。為此目的，大量固體Supraplast 083093 (從德國^ld-West Chemie得到的酚醛樹脂)被溶解在等量的丁醇中。該溶液濕態(tài)施加到線上，隨后干燥(用于溶劑蒸發(fā))，在180°C下固化(用于交聯(lián))120秒。獲得約9μπι厚的均勻的、很好地位于中心的涂層。所得線在前面提到的相同條件下測試(CT800，3°恒定鋸弓，7秒環(huán)繞時(shí)間，30m線)，但是在IlN下拉伸?，F(xiàn)在切割下125X 125mm2的完整的塊。在切割效力沒有任何大量損失的情況下重復(fù)切割三次第一次切割的切割速度(在125mm的寬度上)是1. 45mm/min，其在第二次和第三次切割時(shí)改進(jìn)到1.50mm/min。切割速度也比第一個(gè)實(shí)施方案中更恒定。在第三個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)第一個(gè)實(shí)施方案中提供的相同加工途徑制備了 300 μ m 加有銅外皮(外皮厚25 μ m)的芯線。如同在第一個(gè)實(shí)施方案中一樣，金剛石再次深深地埋入銅涂層中。樣品用另一種材料濕法涂布=Bakelite PF 0361 (可從Hexion得到的酚醛樹脂)溶解在丁醇中，導(dǎo)致重量基準(zhǔn)50/50的干殘余物/溶劑。濕法涂布該線后，其被干燥并在烘箱中180°C下固化60秒。所得涂層的平均厚度約為8 μ m。這是“濕樣品2”。與鎳鍍層切割線(涂有過量(overstrike)鎳的“空白樣品”“鎳樣品”)的對比切割測試在1英寸4mm)藍(lán)寶石錠上以下列機(jī)器設(shè)定進(jìn)行-機(jī)器DWTCT800 (與前面的測試中相同)-恒定鋸弓模式，鋸弓設(shè)為Γ；-8Ν恒定線拉伸；-以8.6m/s的平均速度來回環(huán)繞30m線；-冷卻劑含有添加劑的水為了評估線的耐久性，用線樣品進(jìn)行重復(fù)測試。如下表I中所示，“濕樣品2”表現(xiàn)得與“鎳樣品”同樣好。表中顯示了用同一根線連續(xù)切割，切割穿過1”寶石藍(lán)錠所需的時(shí)間(分鐘)。結(jié)果支持了本發(fā)明鎳鍍層可以用樹脂涂層取代而不損失切割性能的想法。表 I
權(quán)利要求
1.一種固定的磨料切割線，包含金屬線和磨料顆粒，所述磨料顆粒用有機(jī)粘結(jié)劑層固定在所述金屬線上，其特征在于所述磨料顆粒也部分嵌入所述金屬線中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定的磨料切割線，其中所述金屬線進(jìn)一步包含芯以及圍繞所述芯的金屬外皮，所述外皮的硬度比所述芯低。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固定的磨料切割線，其中所述芯是普通碳鋼線，所述金屬外皮是選自包含鋼、鐵、銅、錫、鋅、鋁、鎳、黃銅、青銅、鋅-鋁、銅-鎳、鈹-銅或其任何其它合金的組中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定的磨料切割線，其中所述金屬芯和所述金屬外皮由普通碳鋼制成，其中所述芯的碳含量比所述外皮的碳含量高。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固定的磨料切割線，其中所述金屬線的碳含量沿向外的徑向逐漸下降。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定的磨料切割線，其中芯與外皮的金屬的界面不形成合金并具有粗糙的界面，這樣所述芯與外皮機(jī)械互鎖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述有機(jī)粘結(jié)劑層是熱固性聚合物，選自包含酚醛樹脂、酚甲醛樹脂、蜜胺酚甲醛樹脂或丙烯酸類樹脂，或氨基樹脂， 例如蜜胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、甘脲甲醛，或環(huán)氧樹脂，或胺固化環(huán)氧樹脂，或聚酯樹脂，或環(huán)氧聚酯、乙烯基酯、醇酸基樹脂的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述有機(jī)粘結(jié)劑層是熱塑性塑料，選自包含丙烯酸類、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯、醇酸樹脂、硅基樹脂、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述有機(jī)粘結(jié)劑層進(jìn)一步包含填料，選自包含鋁的氧化物、硅的碳化物、硅石、鉻的氧化物、氮化硼、云母、滑石、碳酸鈣、高嶺土、粘土、氧化鈦、硫酸鋇、氧化鋅、氫氧化鎂、鈦酸鉀、硫酸鎂、金剛石晶粒、金屬粉末或其混合物的組。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述金屬線進(jìn)一步包含無機(jī)底涂劑涂層，選自包含硅酸鹽、磷酸鹽或鉻酸鹽的組。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或10任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述金屬線進(jìn)一步包含底涂劑涂層，選自包含有機(jī)基的硅烷、有機(jī)基的鈦酸酯或有機(jī)基的鋯酸酯或其混合物的組，用于改善所述有機(jī)粘結(jié)劑層對所述金屬線的粘合性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述磨料顆粒選自包含金剛石、立方氮化硼、硅的碳化物、鋁的氧化物、氮化硅、碳化鎢或其混合物的組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固定的磨料切割線，其中所述磨料顆粒涂有涂層，選自包含鈦、硅、鋯、鎢、鉻、鐵、銅或鎳的組。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的固定的磨料切割線，其中所述磨料顆粒進(jìn)一步包含底涂劑涂層，選自包含有機(jī)基的硅烷、有機(jī)基的鈦酸酯或有機(jī)基的鋯酸酯或其混合物，用于改善所述有機(jī)粘結(jié)劑層和所述磨料顆粒的粘合性。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述顆粒具有中值顆粒尺寸，最多所述中值顆粒尺寸的約三分之一嵌入所述金屬線中，所述有機(jī)粘合劑比所述中值顆粒尺寸的三分之一厚。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)所述的固定的磨料切割線，其中所述顆粒具有中值顆粒尺寸，最少所述中值顆粒尺寸的約三分之二嵌入所述金屬線中。
全文摘要
描述了具有磨料顆粒(20)的切割線(100、110、120、130)，其中顆粒(20)部分嵌入所述金屬芯(14)中，部分嵌入所述有機(jī)粘結(jié)劑層(30)中。線(100、110、120、130)的優(yōu)點(diǎn)在于避免使用金屬粘結(jié)劑層(30)。金屬粘結(jié)劑層增加了固定的磨料切割線的成本，在許多情況下有健康和安全問題，其可以通過使用有機(jī)粘結(jié)劑層來避免。而且在金屬線中磨料顆粒的良好固定性被保留。不同的實(shí)施方案描述了嵌入金屬線中的不同程度。
文檔編號B24B27/06GK102413983SQ201080018719
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者J·沃尼克, M·朗熱, R·拉梅爾 申請人:貝卡爾特公司