CN102413983A - 具有部分嵌入金属线且部分由有机粘合剂保留的磨料颗粒的切割线 - Google Patents

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CN102413983A
CN102413983A CN2010800187198A CN201080018719A CN102413983A CN 102413983 A CN102413983 A CN 102413983A CN 2010800187198 A CN2010800187198 A CN 2010800187198A CN 201080018719 A CN201080018719 A CN 201080018719A CN 102413983 A CN102413983 A CN 102413983A
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Abstract

描述了具有磨料颗粒(20)的切割线(100、110、120、130)，其中颗粒(20)部分嵌入所述金属芯(14)中，部分嵌入所述有机粘结剂层(30)中。线(100、110、120、130)的优点在于避免使用金属粘结剂层(30)。金属粘结剂层增加了固定的磨料切割线的成本，在许多情况下有健康和安全问题，其可以通过使用有机粘结剂层来避免。而且在金属线中磨料颗粒的良好固定性被保留。不同的实施方案描述了嵌入金属线中的不同程度。

Description

具有部分嵌入金属线且部分由有机粘合剂保留的磨料颗粒的切割线
技术领域
本发明涉及一种用于切割硬脆材料的金属线，其具有附在其外表面的磨料颗粒。该颗粒通过将它们部分嵌入金属中且部分嵌入聚合粘结剂层中固定在该线上。固定的磨料切割线特别适合切割昂贵材料，具有令人满意的低切口损失和有限表面损害或表面下损害。
背景技术
线切割已经逐渐取代用于切割硬而脆的昂贵材料的内径旋转切割叶片。这样材料的实例为石英(用于例如石英晶体振荡器或玻璃光罩)、硅(用于例如集成电路片或太阳能电池)、锗(例如用于砷化镓太阳能电池的基板)、砷化镓(用于高频电路)、硅的碳化物或蓝宝石(例如用于蓝色led或蓝色led基板)、稀土永磁合金(例如用于录音磁头)以及类似物。这种发展的驱动力之一是希望减少这个过程中的切口损失。“切口损失”是由于研磨(昂贵)材料的材料损失。因此，减少的切口损失导致材料更好的利用和相当可观的资金节省。
上世纪末，已经开发多线切割(参见如GB1 397 676)，其能够从材料的单块上切割出薄片(称为晶片)。这样的多线切割中，单个金属线-其使术语“多线”切割混乱-被引导穿过穿线框，其在切割线网期间保持线相互平行。然而，它不是线本身切割，而是添加到该工艺中的磨料。
磨料可以以粘稠载体(通常为聚乙二醇)的形式添加到该线中，在粘稠载体中将磨料(通常为硅的碳化物)保持为悬浮液。该混合物称为“浆料”。该线承担反过来将磨料拖进切割机的载体。磨料研磨块料同时它在该线和材料之间粘住并滚动。已知这被称为“松散磨料切割”，其为一种“第三体磨损”。材料和线都得到磨损，这使得必须连续更换线。由于磨料颗粒失去它们的锐度，浆料也减少了。此外，浆料与材料切屑和线的碎片一起载荷，浆料必须定期更新，这带来了与它有关的环境问题。然而，这一工艺对材料是温和的，因此在半导体行业中非常受欢迎，其中亚表层破坏是一个重要问题。
在消除这些消耗品的尝试中，已经提出将磨料以“固定的磨料切割线”固定在线上。以这种方式，线和磨料之间的相对位移为零，因此该线不会磨损。将线和磨料之间的相对位移加倍(相对于松散磨料切割)导致更有效的切割。以不同方式实现磨料的固定：
熟悉金属基固定磨料工具例如切割刀片制造的技术人员采取第一种途径，其中通过电镀或从包含金刚石颗粒的镍浴中化学淀积将磨料颗粒-通常为金刚石-嵌入镍涂层。EP 0 982 094中描述了一个实施例，其中用具有金刚石的镍涂覆金属线，给出了不锈钢线的实施方案。然而，镍浴的使用引起由于金属镍的健康问题以及特别镍盐是已知的致癌物质(参考EC Directive 67/548/EEC第30号修正案)。
熟悉磨料工具的硬钎焊的冶金学家采取第二个途径，WO 99/46077是其一个实例，他们在包含用来涂覆线的硬钎焊的磨料上采用他们的技术。然而，硬钎焊导致线的相当大热载荷，其导致线的抗拉强度损失(除非使用很特别的金属线作为基材)。
化学技术人员采用第三种途径，他们寻求在用于磨料的有机粘结剂上采用他们的知识以制造固定的磨料切割线。这有许多实例，US6,070,570、EP 1 025 942和WO 2005/011914是其中三个实例。虽然这导致具有成本效益和在-通常为金属-线上固定磨料的有效方式，但是该固定不是很牢固且导致切割速度比上述途径中得到的切割速度慢。在US 6,070,570中认为表面处理，例如用黄铜或铜涂层涂覆线或用底漆涂覆，有优势。
JP 10 328932中建议了一种替代的表面处理，其中用包含树脂的磨料涂覆之前通过喷砂使琴钢丝的表面变粗糙。磨料颗粒-树脂包围-可以适合粗糙表面的凹槽或可以不适合。确定磨料和线之间没有直接接触。
使用金属线基材的一个可以关注的例外是WO 2003/041899，其中使用人造有机纤维(Dynema
Figure BDA0000103019420000031
NomexKevlar
Figure BDA0000103019420000033
)作为强度元素。
寻求将磨料颗粒掺入金属线的表层中另外的研发路线是EP 0 243825和EP 0 081 697：
EP 0 243 825描述一种由钢线材和包围钢线材之间有缝隙的管生产固定的磨料切割线的方法。用金属粉末和磨料颗粒的混合物填充该缝隙。通过将它蚀刻掉已经移除外面的管之后，密封末端并热处理和冷却该钢线材的步骤以得到固定的磨料切割线。该方法的缺点是不能生产可观长度(100米以上)的固定的磨料切割线，得到的线的拉伸强度相对较低(表明低于1800N/mm2)且得到的线太粗(1mm)。
EP 0 081 697描述用金刚石颗粒将包覆线的方法和装置。其背离了在通过一个或两个辊的反复轴向运动围绕它的轴卷该线的硬化辊轮之间镶嵌金刚石颗粒之前用铜层或镍层涂覆的线。此后，通过电解施加涂层的方式在适当的位置固定该金刚石。除了镍和镍盐(同上)的健康问题，镍涂层的使用使得将镀层部分引入连续的工艺线中成为必需。它在该工艺线的总长度上增加了相当的长度且辅助设备(泵、管、容器)和安全防范措施使得它成为昂贵的操作。
发明内容
因此，本发明的主要目的是克服现有技术中的问题。更具体的目的是：
Figure BDA0000103019420000034
消除了金属外涂层，因为金属的外涂层会增加产品成本。
在镍涂层的特定情况下，由于它可能引起健康问题，消除含镍涂层是其目的。
Figure BDA0000103019420000036
通过更好地保持磨料颗粒来增加切割线的使用寿命。
Figure BDA0000103019420000037
通过降低金属线的腐蚀来增加切割线的使用寿命。
获得被切割材料表面或子表面损坏降低并且切割速度足够高的平滑切割工艺。
根据本发明的第一方面，提供了一种具有上面附着了磨料颗粒的金属线的固定的磨料切割线。所述颗粒以两种方式被固定：它们部分嵌入金属线中，部分通过有机粘结剂层保持在线上。本发明的一个方面是使用两种完全不同的固定模式：一种固定在金属中，另一种与有机层粘合。“部分嵌入金属线中”是指磨料颗粒的至少部分表面与金属线直接接触。磨料颗粒部分嵌入在金属层中可以以许多方式实现。
实现部分嵌入颗粒的第一种方式是在金属芯上电解生长金属层，同时在该电解生长层中掺入磨料颗粒。一旦颗粒充分固定到金属线上，可以施加有机粘结剂层。金属层可以从其中漂浮磨料颗粒的含金属电解液中沉淀出来。一旦固定了磨料颗粒，金属层可以在进一步浴中增厚，或者可以清洗并涂覆有机粘结剂层制备金属线。
部分嵌入颗粒的第二种方式是将颗粒镶嵌或埋入金属线。一旦颗粒被埋入，它们进一步通过有机粘结剂层与金属线结合。例如可以在两个在外圆周上具有半圆形凹槽的硬轮子之间进行镶嵌。凹槽的半径略大于待埋入的线的半径。两个凹槽卡住线，而磨料颗粒被装入凹槽和线之间的缝隙中。
如果金属线包含芯和围绕所述芯的金属外皮，可以容易地实现颗粒的镶嵌或埋入。芯的功能主要是给线提供强度。因此芯的材料必须至少在线的纵向上具有高拉伸强度。外皮的功能是接受和容纳磨料颗粒。因此外皮必须比芯软。外皮是否比芯软在标准维克斯(Vickers)硬度测试中可以容易地测定。
优选芯由普通碳钢组成，虽然不排除其它种类的钢例如不锈钢。相对于其它高拉伸强度线例如钨、钛或其它高强度合金，更优选钢，因为它可以容易地制成拉伸级别超过2000N/mm2或3000N/mm2或4000N/mm2，目前的限制约为4400N/mm2。这可以通过圆形模具对线长时间冷成型来实现。所得金相结构是精细的长拉伸(far-drawn)珠光体结构。或者珠光体钢结构可以被热处理转变成马氏体结构，最好不含贝氏体。虽然会导致强度下降，但这种转变给线带来了额外的韧性。
用作固定的磨料切割线的芯的普通碳钢的典型成分如下：
-至少0.70wt％的碳，上限取决于形成线的其它合金元素(见下文)
-0.30-0.70wt％的锰。类似于碳，锰增加线的应变硬化，在制造钢的过程中作为脱氧剂。
-0.15-0.30wt％的硅。在制造过程中，硅用来使钢去氧。类似于碳，其有助于提高钢的应变硬化。
-类似于铝、硫(低于0.03％)、磷(低于0.30％)的元素的存在量应当保持最小值。
-钢的余料是铁和其它元素
铬(0.005-0.30％wt)、钒(0.005-0.30％wt)、镍(0.05-0.30％wt)、钼(0.05-0.25％wt)和硼痕量的存在可能改进线的可成形性。这种合金化使得碳含量在0.90-1.20％wt，导致拉伸强度可以更高，例如在拉伸线中高达4000MPa。硬拉伸线的维克斯显微硬度大于650N/mm2。
优选不锈钢包含最小值12％的Cr和主要量的镍。更优选不锈钢成分是奥氏体不锈钢，因为这些可以容易地被拉伸成细的直径。该更优选的成分在本领域中作为AISI 302(特别是“Heading Quality”，HQ)、AISI 301、AISI 304和AISI 314已知。“AISI”是“美国钢铁学会”的缩写。
金属外皮可以是比芯软的任何金属。在没有穷举的情况下，可能的金属是铁、铜、锡、锌、铝、镍。合金例如钢、黄铜、青铜、锌-铝、铜-镍、铜-铍也是可能的外皮金属。
外皮可以施加在最终的芯直径上。或者在将线拉伸到其最终直径前将外皮施加到中间直径的线上。在进一步拉伸它们之前，加外皮的中间直径线可以进行热处理。
外皮可以是比芯的碳含量低的铁或钢，因为钢的硬度与碳含量成正比。更软的外皮例如可能是高碳线控制脱碳的结果，或者可以通过电镀铁施加在芯线上，或者可以通过在线上外包铁或低碳箔的方式施加在线上。由于芯由钢制成，外皮由钢或铁制成，碳在芯与外皮之间的扩散是容易的。因此在线中由高碳到低碳的平稳过渡是可能的。另外，在这种情况下使用有机粘结剂层具有另外的优点：在储存和使用线的过程中抑制腐蚀。
对于这种用低碳钢外皮覆盖的高碳钢芯的情况，此处明确的参考文献是共同未决的EP09152849.7，其中第18、25-36段中描述的结构特征以及第49-59段中描述的制造该线的方法对于本发明来说是特别相关和重要的。
另外，外皮金属可以选择不与芯金属形成合金。外皮是否不与芯形成合金必须依个别情况来评估。但是一些金属电偶是已知不与例如钢芯形成合金的。在这种钢芯上铜或黄铜不会形成合金。当外皮金属不与芯金属形成合金、外皮金属比芯金属软以及外皮金属足够厚时，外皮与芯受到拉伸后将在外皮金属和芯金属之间形成粗糙的界面。该粗糙的界面是特别有利的，因为其通过机械互锁改进了芯与外皮之间的粘合性。
可以通过包裹箔将外皮施加在中间直径线上，其是优选的方法。另一种优选的方法是使其通过熔融金属浴来涂布中间直径线。这种方法特别适用于用锌(热浸镀锌)，或锌合金，例如锌铝合金，像贝卡尔特的Bezinal
Figure BDA0000103019420000061
镀层线，或铜或铜合金或锡来涂布线。
最优选的将外皮涂布在中间线直径上的方法是从含有外皮金属离子的浴中电解涂布。
当然也明确包括芯与外皮之间不存在粗糙界面的情况。当在加外皮之前通过适当地清洗和预处理芯进行应有的维护时，大多数情况下会得到芯与外皮之间足够的粘合性。为了得到芯与外皮之间平滑的界面，优选将外皮通过从含金属离子的浴中电解沉积的方式施加到最终的金属线直径上。
磨料颗粒被保持在适当的位置，部分嵌入金属线，部分嵌入有机粘结剂层。有机粘结剂层可以是热固性(也称为热硬化)有机聚合物化合物。或者粘结剂层可以是热塑性聚合物化合物。由于热固性聚合物，一旦固化，当在使用过程中温度变得更高时不会软化，在本申请中更优选它们。
市售的许多热固性有机聚合物是液体形式或粉末形式，如树脂。它们可以通过本领域中已知的方式施加到金属线(磨料颗粒嵌在其上)上，例如使线通过溢浸池，或通过涂布幕帘，或通过流化床，或者通过静电粉末或流体沉积的方式。
施加到金属线上后，热固性聚合物必须被固化。固化主要通过高于其固化温度加热树脂来进行。高于固化温度产生交联聚合物，固化后保留了韧性层。在固化过程中施加在线的总热量应当保持足够低，这样不会影响线的机械性能。这可以通过限制温度和/或限制在加热区域的停留时间来完成。
特定树脂，例如环氧树脂，需要催化剂来保持固化反应进行。某些树脂，例如封端单组份聚氨酯，可以以催化剂混合在化合物中的形式购得。然后在选定的时期加热活化催化剂。或者固化可以由能量束辐射引发，例如红外线、紫外线或电子束，但是在这种情况下，必须使用对能量束有反应性的合适的引发剂，例如苯乙酮。
本申请中最优选的热固性聚合物是酚醛树脂。
优选的聚合物是酚醛树脂、蜜胺酚醛树脂或丙烯酸类树脂或氨基树脂，例如蜜胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、甘脲甲醛，或环氧树脂，或胺固化环氧树脂。
不太优选但仍然可用的是聚酯树脂或环氧聚酯或乙烯基酯或醇酸基树脂。列出的并非穷举，可以确定其它合适的聚合物。
或者粘结剂层可以是具有足够高玻璃化转变温度(比方说高于40℃，但优选高于100℃)的有机热塑性材料。
优选的热塑性聚合物是：丙烯酸、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂。不太优选但仍然可用的是乙烯基酯、醇酸树脂、硅基树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物。除了提到的用于热固性材料的方法，可以通过挤出施加热塑性粘结剂层。
有机粘结剂层必须足够硬，以在切割过程中承受摩擦。因此优选粘结剂层的聚合物含有填料，其增加涂层的强度或有助于在使用过程中提高热量流向金属线。
为此目的典型的填料可以是铝的氧化物、硅的碳化物、硅石、铬的氧化物、氮化硼、云母、滑石、碳酸钙、高岭土、粘土、氧化钛、硫酸钡、氧化锌、氢氧化镁、钛酸钾、硫酸镁、金刚石晶粒、金属粉末或其混合物。
特别优选填料是纳米尺寸颗粒的形式。通常这些颗粒的尺寸小于200nm，优选5-100nm。特别优选的成分是铝的氧化物和氧化钛，因为当以低于10质量％或者甚至低于5质量％甚至低于3质量％的平均质量分数混入树脂时，这些颗粒对有机树脂的耐磨性具有有利的影响。填料不嵌入金属线中。也可以添加其它成分，例如促进剂或稳定剂。
为了提高有机粘结剂层对金属线的粘合性，可以使用底涂剂。可以单独使用或结合使用的两类底涂剂是无机底涂剂和有机底涂剂。
第一类底涂剂是无机底涂剂。无机底涂剂的实例是硅酸盐，即硅的任意无机氧化物SiOx、磷酸盐或铬酸盐。最优选的是磷酸盐，例如磷酸锰、磷酸铁或磷酸锌，后者是最优选的。
第二类底涂剂是有机底涂剂。本申请最优选的是基于有机基的硅烷、有机基的锆酸酯和有机基的钛酸酯的底涂剂。有机基的硅烷具有以下结构式：
Y-R’-SiX3
其中：
SiX3包含第一官能团；
R’包含间隔基团；
Y包含第二官能团。
第一官能团SiX3能够与线的外层金属结合。
X表示硅官能团，每个硅官能团独立地选自由-OH、-R、-OR、-OC(＝O)R和卤素例如-Cl、-Br、-F组成的组，其中-R是烷基，优选C1-C4烷基，最优选-CH3和-C2H5。
第二官能团Y指向粘结剂层的聚合物材料，能够与聚合物材料的至少一个官能团结合或相互影响。能够与聚合物材料的至少一个官能团结合或相互影响的任何官能团可以被认为是第二官能团Y。实例是包含至少一种以下基团的官能团：-NH2、-NHR’、-NR’2、不饱和端基的碳-碳双键或三键基团，丙烯酸基、甲基丙烯酸基及其甲酯或乙酯、-CN-、-SH、异氰酸酯基、硫氰酸基和环氧基。
锆酸酯和钛酸酯的结构是类似的，但是锆酸酯基或钛酸酯基取代硅烷基存在。
如果使用无机底涂剂和有机底涂剂，无机底涂剂总是在金属线上，有机底涂剂在无机底涂剂上。无机底涂剂或有机底涂剂可以通过使线通过例如装有磷酸锌水混合物或醇-水基硅烷混合物的浸渍槽接着干燥来施加到金属线上。
磨料颗粒可以是超硬磨料，例如金刚石(天然的或人工的，由于其低成本和良好的晶粒脆性，稍微更优选后者)、立方氮化硼或其混合物。对于要求比较少的应用，可以使用“正常”的磨料颗粒，例如碳化钨(WC)、硅的碳化物(SiC)、铝的氧化物(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)：虽然它们更软，但它们比金刚石便宜很多。当使用后一种磨料颗粒时，在颗粒通过埋入(而不是通过电解方法沉积它们)嵌入外皮中的情况下，应当考虑金属线的外皮的硬度。对于这类磨料颗粒，外皮材料例如锡、铝和锌是更合适的，因为它们比例如镍要软得多。在埋入时太硬的外皮将破碎太多的颗粒。在所有磨料颗粒中，最优选人工金刚石，因为它是最硬的。在“正常”磨料颗粒中，最优选硅的碳化物。
磨料颗粒的尺寸必须在某种程度上用线的直径来度量。确定颗粒本身的尺寸和形状是其自身权利的技术领域。由于颗粒不是并且不应当是球形，为此本申请的参数将作为颗粒的“尺寸”，而不是它们的“直径”(以为直径暗示了球形)。颗粒的尺寸是通过本领域已知的任意测量方法确定的测量值(用微米表示)，总是在连接颗粒表面离得最远的两点的线的长度和连接颗粒表面彼此最近的两点的线的长度之间。
为固定的磨料切割线设计的颗粒尺寸落入了“微粉”的范畴。微粉的尺寸不再由通常用于微粉的标准筛网技术确定。相反它们必须由其它技术确定，利润激光衍射法、显微镜直接计数法、电阻法或测光沉淀法。标准ANSI B74.20-2004更详细地描述了这些方法。为了这种应用目的，当涉及颗粒尺寸的参数，是指由激光衍射法(或者其也被称为“小角激光散射法”)确定的颗粒尺寸。这种方法的计算结果是中值颗粒尺寸d50(即颗粒的一半小于该尺寸，颗粒的一半大于该尺寸)的积分或微分颗粒尺寸分布，或者一般是“dP”，其中颗粒的“P”百分含量小于该“dP”，剩余部分(100-P)百分含量大于该“dP”。
通常超硬磨料由参比标准而不是筛网数来确定尺寸范围。例如在20-30微米级别的粒度分布有90％的颗粒在20微米(即d5)和30微米(即d95)之间，超过40微米的低于千分之一，而中值颗粒尺寸d50必须在25.0±2.5微米之间。
根据经验，为了将颗粒很好地容纳在金属线上，中值颗粒尺寸应当小于钢丝线周长的1/6，更优选应当小于金属线周长的1/12。在另一个极端，颗粒不能太小，因为随后材料去除率(即每时间单位磨损掉的材料的量)会变得过低。
颗粒的目标涂层比率，即用磨料颗粒覆盖的区域除以金属线总圆周面积，取决于想要切割的材料、想达到的切割速度或想得到的表面光洁度。发明人已经发现为了使材料具有最好的切割性能，设计的颗粒面积对总面积的比率应当在1-50％，或者2-20％，或者甚至2-10％。
类似于金属线，磨料颗粒可以涂有无机底涂剂或有机底涂剂或者两者。合适的无机底涂剂是反应性金属，例如钛、锆、钨、铬或铁。它们往往形成碳化物(在金刚石和硅的碳化物的情况)，其赋予颗粒侧良好的粘合性。或者颗粒可以涂有铜和镍。虽然不与颗粒反应，但它们赋予良好的热传导性并为有机配对物提供稳固的基础，有机配对物可以是有机粘结剂层或有机底涂剂。
在无机底涂剂上面或裸露的颗粒本身上可以施加有机底涂剂。这些是和前面讨论的相同的有机基的钛酸酯、有机基的锆酸酯和有机基的硅烷。颗粒上的底涂剂确保了磨料颗粒与有机粘结剂层的改进的粘合性。
嵌入的深度允许对固定的磨料切割线的有创造力的改变。在第一种优选的改变中，将磨料颗粒深深地嵌入金属线或金属外皮(如果存在)中。“深深嵌入”是指平均而言磨料颗粒中值颗粒尺寸的三分之二以上嵌入金属线中。
这可以通过构成线的横截面并在构成金相横截面方面改进它们来调节。因为在切割和抛光过程中磨料颗粒是从它们的空心处移出的(因为它们太硬难以抛光)，会发现空心处的印记为U形。当现在从两头取出的U形的深度大于从这一头到那一头的距离的2/3，认为颗粒已经被嵌入了其尺寸的2/3以上。嵌入的深度必须在至少20个空心处评估。对测得的嵌入深度算术平均得到平均值。在该优选实施方案中，有机粘结剂层的厚度小于中值颗粒尺寸的1/3。在实际操作中，这优选小于10μm。为了具有足够的结合力，必须存在至少1μm的有机粘结剂层。所需有机粘结剂层是比较薄的：小于约1/3的中值颗粒尺寸。优选其厚于1μm以提供足够的结合力。颗粒主要由下层软外皮金属保留。
在另一个优选实施方案中，磨料颗粒仅仅很浅地嵌入金属线中。磨料颗粒的更大部分嵌入在有机粘结剂层中：有机粘结剂层的厚度至少是颗粒中值颗粒尺寸的三分之一。颗粒仅仅少量嵌入金属线中：埋入线中的至多是中值颗粒尺寸的一半，优选至多是中值颗粒尺寸的三分之一。这种实施方案的好处在于金属线的埋入至少为磨料颗粒提供了一个接入点，而绝大部分颗粒保留在更有弹性的粘结剂层中。据信通过这种结构，可以得到“画笔(brush)”效应，导致比前面的实施方案更易控的切割。
当通过埋入颗粒的方式制备固定的磨料切割线时，颗粒可以在没有任何有机粘合剂的情况下施加到金属线上，接着涂布和完全固化。或者可以在施加有机粘合剂后再施加颗粒。在后一种情况，优选首先用有机粘结剂层涂布金属线，接着轻微固化，接着埋入并完全固化涂层来完成，以免在埋入过程中使埋入操纵轮变脏。
附图简要说明
图1a显示了最通用形式(第一个优选的实施方案)的固定的磨料切割线的横截面示意图。
图1b显示了根据第二个实施方案的切割线的示意图。
图1c显示了根据第三个实施方案的切割线的示意图。
图1d显示了根据第四个实施方案的切割线的示意图。
图2a和b显示了根据第三个实施方案的切割线的金相横截面。
图3显示了线的对比切割性能。
具体实施方式
图1a以其最通用的形式(第一个实施方案)显示了本发明。固定的磨料切割线100包含金属线12和有机粘结剂层30。磨料颗粒20通过有机层30固定到金属线12上。该线的特征在于磨料颗粒也是部分嵌入在金属线中的。
图1b显示了第二个优选实施方案，其中金属线包含芯14和外皮16，其中磨料颗粒部分嵌入外皮16中并通过有机粘结剂层30结合到线上。该颗粒中值颗粒尺寸至多三分之一嵌入外皮层中，剩余部分结合在有机粘结剂层上。
图1c显示了第三个优选实施方案，其中外皮16与芯14之间的界面显示了特定的粗糙度。此处颗粒中值颗粒尺寸的至少三分之二在外皮中。
图1d显示了第四个优选实施方案，其中从芯14到外皮16的转换是逐渐的，没有显示出明确的界面。
根据本发明的第一个实施方案，碳含量0.8247wt％、锰含量0.53wt％、硅含量0.20wt％并且Al、P和S含量低于0.01wt％的高碳线材(通称直径5.5mm)根据本领域已知方法化学除锈。该线被干燥拉伸至3.25mm，韧化处理，再次干燥拉伸至1.13mm。将169微米厚或每千克镀层线约440克的铜涂层被电镀到该中间直径上，其随后被拉伸至最终总直径210μm。那时铜涂层的厚度约为16μm。该线的断裂载荷是96N。钢丝芯的拉伸强度(忽略铜外皮的强度影响)是3771N/mm2。
将中值颗粒尺寸“d50”为25.3μm(d10＝15.1μm，d90＝40.6μm)的金刚石颗粒用两对具有匹配的半径为109μm的半圆周凹槽的辊轮埋入铜外皮中。这两对辊轮的轴彼此垂直。因此，颗粒深深地埋入外皮中，平均三分之二的颗粒在外皮中。对样品作进一步测试(“空白样品”)。
随后该线用来自SigmaKalon的基于双酚A(BPA)和固化剂的环氧树脂粉末EP49.7-49.9静电涂布。随后该线在贯穿的烘箱中在180℃下固化约120-540秒。可以通过改变线速度来改变有机粘结剂层的量：越慢的线速度收集越多的环氧树脂粉末，因此粘结剂层更厚，越快的线速度导致越薄的粘结剂层。制备了两种样品：“薄样品”(具有薄粘结剂层)和“厚样品”(具有厚粘结剂层)。图2a显示了薄样品的横截面200，图2b显示了厚样品的横截面210。芯214和外皮216都是可以辨认的。注意到金刚石在保留它们的凹槽222的外面。有机粘结剂层是黑色的，在薄样品的情况下是薄层230，在厚样品的情况下是可清楚辨认的层232。
三根线在单线交互实验室切割机型“金刚石线技术CT800”上进行比较。宽125mm、高46.6mm的半方形单晶硅的一半用每个样品切割掉(最后切掉圆角)。机器在设置在3°的“恒定锯弓模式”下运行，线拉伸保持在约8N，在7秒钟内环绕30m线(通过来回)，平均速度(2×30/7)约为8.6m/s。含有添加剂的水用作冷却剂。
所得结果再现在图3中，其显示了切割速度(即切割正面前进通过样品的速度)随时间的变化。当样品被切割穿过时是样品的末端。用菱形(◆)标记的曲线是空白样品得到的结果。开始其显示高切割速度，由于磨料颗粒的损失快速下降。
用方块(■)标记的曲线是用具有薄有机粘结剂层的“薄样品”得到的切割速度。虽然曲线仍然稍微低于空白样品，切割速度更恒定在约0.8-1.0mm/min。在切割过程中，明显金刚石更容易保留并保持功能。当其达到100mm2/min以上时，切割速度是可以接受的。
用圆点(●)标记的曲线也显示了切割速度的改进性能，但总体切割性能太低。明显是粘结剂层阻碍了磨料颗粒与工作部位的接触。只有当粘结剂层磨损掉时，切割速度才会提高。
在第二个实施方案中，根据第一个实施方案中提供的相同加工途径制备了225μm加有铜外皮的芯线(芯175μm，涂层25μm)。如同在第一个实施方案中一样，金刚石再次深深地埋入铜涂层中。所埋入的金刚石线在潮湿的化学途径中被涂布(“湿样品1”)。为此目的，大量固体Supraplast 083093(从德国Süd-West Chemie得到的酚醛树脂)被溶解在等量的丁醇中。该溶液湿态施加到线上，随后干燥(用于溶剂蒸发)，在180℃下固化(用于交联)120秒。获得约9μm厚的均匀的、很好地位于中心的涂层。所得线在前面提到的相同条件下测试(CT800，3°恒定锯弓，7秒环绕时间，30m线)，但是在11N下拉伸。现在切割下125×125mm2的完整的块。在切割效力没有任何大量损失的情况下重复切割三次：第一次切割的切割速度(在125mm的宽度上)是1.45mm/min，其在第二次和第三次切割时改进到1.50mm/min。切割速度也比第一个实施方案中更恒定。
在第三个实施方案中，根据第一个实施方案中提供的相同加工途径制备了300μm加有铜外皮(外皮厚25μm)的芯线。如同在第一个实施方案中一样，金刚石再次深深地埋入铜涂层中。样品用另一种材料湿法涂布：Bakelite PF 0361(可从Hexion得到的酚醛树脂)溶解在丁醇中，导致重量基准50/50的干残余物/溶剂。湿法涂布该线后，其被干燥并在烘箱中180℃下固化60秒。所得涂层的平均厚度约为8μm。这是“湿样品2”。
与镍镀层切割线(涂有过量(overstrike)镍的“空白样品”：“镍样品”)的对比切割测试在1英寸(25.4mm)蓝宝石锭上以下列机器设定进行：
-机器DWT CT800(与前面的测试中相同)
-恒定锯弓模式，锯弓设为1°；
-8N恒定线拉伸；
-以8.6m/s的平均速度来回环绕30m线；
-冷却剂：含有添加剂的水
为了评估线的耐久性，用线样品进行重复测试。
如下表I中所示，“湿样品2”表现得与“镍样品”同样好。表中显示了用同一根线连续切割，切割穿过1”宝石蓝锭所需的时间(分钟)。结果支持了本发明镍镀层可以用树脂涂层取代而不损失切割性能的想法。
表I
  切割数   镍样品   湿样品2
  1   8   10
  2   10   16
  3   12   10
  4   14
  5   20   21
  6   21   21

Claims (16)

1.一种固定的磨料切割线，包含金属线和磨料颗粒，所述磨料颗粒用有机粘结剂层固定在所述金属线上，其特征在于所述磨料颗粒也部分嵌入所述金属线中。
2.根据权利要求1所述的固定的磨料切割线，其中所述金属线进一步包含芯以及围绕所述芯的金属外皮，所述外皮的硬度比所述芯低。
3.根据权利要求2所述的固定的磨料切割线，其中所述芯是普通碳钢线，所述金属外皮是选自包含钢、铁、铜、锡、锌、铝、镍、黄铜、青铜、锌-铝、铜-镍、铍-铜或其任何其它合金的组中的一种。
4.根据权利要求3所述的固定的磨料切割线，其中所述金属芯和所述金属外皮由普通碳钢制成，其中所述芯的碳含量比所述外皮的碳含量高。
5.根据权利要求4所述的固定的磨料切割线，其中所述金属线的碳含量沿向外的径向逐渐下降。
6.根据权利要求3所述的固定的磨料切割线，其中芯与外皮的金属的界面不形成合金并具有粗糙的界面，这样所述芯与外皮机械互锁。
7.根据权利要求1-6任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述有机粘结剂层是热固性聚合物，选自包含酚醛树脂、酚甲醛树脂、蜜胺酚甲醛树脂或丙烯酸类树脂，或氨基树脂，例如蜜胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、甘脲甲醛，或环氧树脂，或胺固化环氧树脂，或聚酯树脂，或环氧聚酯、乙烯基酯、醇酸基树脂的组。
8.根据权利要求1-6任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述有机粘结剂层是热塑性塑料，选自包含丙烯酸类、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂、乙烯基酯、醇酸树脂、硅基树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物的组。
9.根据权利要求7或8任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述有机粘结剂层进一步包含填料，选自包含铝的氧化物、硅的碳化物、硅石、铬的氧化物、氮化硼、云母、滑石、碳酸钙、高岭土、粘土、氧化钛、硫酸钡、氧化锌、氢氧化镁、钛酸钾、硫酸镁、金刚石晶粒、金属粉末或其混合物的组。
10.根据权利要求7-9任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述金属线进一步包含无机底涂剂涂层，选自包含硅酸盐、磷酸盐或铬酸盐的组。
11.根据权利要求7或10任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述金属线进一步包含底涂剂涂层，选自包含有机基的硅烷、有机基的钛酸酯或有机基的锆酸酯或其混合物的组，用于改善所述有机粘结剂层对所述金属线的粘合性。
12.根据权利要求1-11任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述磨料颗粒选自包含金刚石、立方氮化硼、硅的碳化物、铝的氧化物、氮化硅、碳化钨或其混合物的组。
13.根据权利要求12所述的固定的磨料切割线，其中所述磨料颗粒涂有涂层，选自包含钛、硅、锆、钨、铬、铁、铜或镍的组。
14.根据权利要求13所述的固定的磨料切割线，其中所述磨料颗粒进一步包含底涂剂涂层，选自包含有机基的硅烷、有机基的钛酸酯或有机基的锆酸酯或其混合物，用于改善所述有机粘结剂层和所述磨料颗粒的粘合性。
15.根据权利要求1-14任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述颗粒具有中值颗粒尺寸，最多所述中值颗粒尺寸的约三分之一嵌入所述金属线中，所述有机粘合剂比所述中值颗粒尺寸的三分之一厚。
16.根据权利要求1-14任一项所述的固定的磨料切割线，其中所述颗粒具有中值颗粒尺寸，最少所述中值颗粒尺寸的约三分之二嵌入所述金属线中。
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