CN102470463B - 包括表面改性的磨料颗粒的精密线材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线材，其包括表面和由结合剂基体结合到所述表面上的金刚石颗粒，其中每个金刚石颗粒具有约0.60至约0.80的表面粗糙度和约0.25至约0.50的球度。

Description

包括表面改性的磨料颗粒的精密线材
相关申请的交叉引用
本申请主张2008年9月16日提交的美国临时申请61/097,422和2009年6月17日提交的美国临时申请61/187,789的权益，这些申请通过参考以其完整的形式并入本文中。
附图说明
图1(a)是常规金刚石包覆的线材的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图1(b)是常规金刚石包覆的线材在使用之后的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2(a)是用于常规金刚石包覆的线材中的常规金刚石颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2(b)显示了常规金刚石包覆的线材中的常规金刚石颗粒。
图3(a)是表面改性的金刚石颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图3(b)显示了在包覆线材应用中的表面改性的金刚石颗粒。
图4(a)是常规金刚石颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图4(b)是表面改性的金刚石颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5(a)是根据实施例1制备的含常规金刚石颗粒的线材的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5(b)是根据实施例1制备的含表面改性的金刚石颗粒的线材的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5(c)是根据实施例1制备的含常规金刚石颗粒的线材在使用之后的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5(d)是根据实施例1制备的含表面改性的金刚石颗粒的线材在使用之后的扫描电子显微镜(SEM)图像。
发明内容
定义
在本发明的说明书和权利要求书中，根据下述定义使用如下术语。
如本文中使用的，术语“磨料”，是指用于将更软材料磨掉的任何材料。
如本文中使用的，术语“线材”是指材料的圆柱形的、细长的线。所述材料可以是金属、复合材料或金属和/或复合材料的组合。复合材料可以包括KEVLAR材料、碳材料及其组合。线材可以是单绞线或者包括多绞线。
如本文中使用的，术语“暴露度”是指：
相对暴露度＝100(tc0-tb0)/tc0
切割点与结合剂表面之间的距离＝tc0-tb0
其中tc0为所述磨料颗粒从所述线材表面到与工件接触的颗粒最外尖端的初始高度，和tb0为结合层的初始平均厚度。
如本文中使用的，术语“化学结合”是指已经化学吸附了金属或有机分子基团的表面。
如本文中使用的，术语“结合剂”或“结合剂基体”是指用于将所述磨料颗粒附连于所述线材的材料。所述附连可以是机械的、化学的或者两者的组合。
如本文中使用的，术语“包覆层”是指部分或全部包封所述磨料颗粒的材料。所述包覆层可以是金属的、聚合物的、玻璃质的或这些的组合的层或混合物。
如本文中使用的，术语“常规金刚石”是指不进行美国临时申请61/097,422和/或美国临时申请61/187,789中所教导的加工的任何金刚石。
如本文中所使用的，术语“表面粗糙度”是指如在CLEMEX图像分析仪，Clemex Vision使用者指南中所述的对物体的边缘或边界的凹坑(pit)和刺突(spike)的范围或程度进行定量的二维图像的量度。通过凸边周长除以周长之比来确定表面粗糙度。
应注意，随着凹坑和刺突程度的增大，所述表面粗糙度因数下降。
如本文中所使用的，术语“球度”是指二维图像或物体的封闭面积(4πA)除以周长的平方(p2)的估值。
如本文中使用的，术语“表面积”是指颗粒的外表面。当在多个颗粒即粉末条件下使用时，使用术语比表面积并将其报导为每克粉末的表面积。
重要的是应注意，尽管上述定义的术语是指使用显微镜测量技术对二维颗粒轮廓进行测量，但是应理解，可将该特征扩展到三维形式。本领域技术人员认识到颗粒尺寸和形状的自动图像分析是测量颗粒特征的可靠的、可再现方法。尽管使用了CLEMEX图像分析仪，但也可利用可再现数据的类似设备。
需要一种金刚石颗粒，其抵抗从在金刚石包覆的线材上的结合剂基体中的脱离(pull out)。此外，需要一种金刚石颗粒，其比常规金刚石颗粒在所述结合剂基体中将保留更长的时间。另外，需要在加快的速度下更有效的对材料如硅锭进行切割。对比图1(a)显示了含有从电镀的结合剂基体6中突出的常规金刚石颗粒4的线材2。对比图1(b)显示了已经用于切割硅之后的线材2。可注意到，在用过的线材中常规金刚石颗粒的缺失，以及其中常规金刚石脱离的麻点8。
当观察常规金刚石包覆的线材时，非常明显的是，所述常规金刚石颗粒被机械地保留了。在如对比图1(a)和1(b)中所示的电镀结合剂基体的情况中，电镀的镍结合剂基体没有化学结合到所述常规金刚石颗粒的表面上，并且类似地，树脂也不会与金刚石中的碳发生化学结合。
参考对比图2(a)，将常规金刚石颗粒的表面显示为10。如图2(a)中所示，因为由于用于制造微米级金刚石颗粒中的碾磨和微粉化工艺而沿晶面断裂，所以颗粒相对平滑。对比图2(b)显示了具有表面16的线材14，其包括由结合剂基体20结合到所述表面上的常规金刚石颗粒18。如图2(b)中所示的，由于常规金刚石颗粒18的表面22相对平滑，所以需要足够显著厚度的结合剂基体，至少颗粒直径一半的厚度，以足以将常规金刚石颗粒18锚固在结合剂基体20中。在此情况中，所述常规金刚石颗粒的暴露度为至少约50％或更低。
在图3(a)中，将表面改性的金刚石颗粒显示为12。图3(a)中表面改性的金刚石颗粒12具有通道、入口和凹坑，它们允许所述结合剂基体渗透并填充所述通道、入口和凹坑，从而将所述表面改性的金刚石颗粒更强地机械锚固在所述结合剂基体中。
可将表面改性的金刚石颗粒12用于具有固定在其上的磨料的固定磨料线材中，以用于这种刚性材料如硅、石英、陶瓷等的切割、切片、内部研磨、划线和锭切割中。
由所述表面改性的金刚石颗粒提供的暴露度越大，则将提供比含有常规金刚石颗粒的线材更好的易切削性，并且导致在切割点处产生的热下降。还可预期，在所述磨料切割点与结合剂表面之间的区域增大，将为切片和切屑的去除提供更大的通道，且比含有常规金刚石颗粒的线材的侵蚀更少。
使用具有比常规金刚石颗粒的材料去除速率更高的表面改性的金刚石颗粒的总体效果在于，可在所述线材上使用更低浓度的金刚石颗粒。这与使用更少的结合剂材料以粘附所述金刚石颗粒的能力相结合，将明显降低了生产所述线材的成本。
还可预期，为了获得与预计使用常规金刚石颗粒相同量的切割/材料去除，通过使用表面改性的金刚石颗粒，可需要更少的颗粒。
图3(b)显示了具有表面26和由结合剂基体30结合到表面26上的表面改性金刚石颗粒28的线材24。每个表面改性的金刚石颗粒具有约0.60至约0.80的表面粗糙度和约0.25至约0.50的球度。如图3(b)中所示的，与图3(a)相比，需要更少的结合剂基体材料。下面对优点做进一步说明。
由于将所述线材用于切割应用中并产生切屑，所以结合剂层典型地将在比金刚石颗粒磨掉的更快速率下腐蚀掉。在上述图3(a)的情况中，随着所述结合剂材料的磨掉，所述常规金刚石颗粒的暴露度可能会增大至一定程度，然而，在某些点处，所述颗粒将简单地从所述结合剂材料脱离，因为用于锚固所述颗粒的结合剂材料的量不足。
合适的线材材料包括金属、金属的合金、聚合物(合成的或天然的)、碳、纺织品、有机或无机纤维、丝以及它们的组合。在一个实施方案中，可使用钢丝例如钢琴丝。其它的替代物包括金属线材，如钨丝或钼丝。在一个实施方案中，所述线材包括镀金属的包覆层或结合剂基体，即镀镍结合剂基体。可用作结合剂基体的其它替代材料包括金属材料、聚合物树脂、混合系统(玻璃质和聚合物)、电解的镍包覆层、非电镀的镍包覆层、黄铜结合剂系统和可还包括热固性树脂和/或UV可固化树脂的树脂结合剂系统。另外，可使用上述结合剂基体材料的组合。
除了所述结合剂基体之外，在一个实施方案中，所述线材可包括另外的包覆层，例如金属或树脂。这种金属和树脂及其组合可从如上述的那些中选择。
所述线材可具有约1cm至约1000km或约200km至约600km的长度。在一个实施方案中，所述线材处于连续环的状态。所述线材的粗度可以为约10μm至500μm，或约50μm至约200μm。
用于本发明一个实施方案中的超级磨料为在美国临时申请61/097,422和美国临时申请61/187,789中教导的表面改性的金刚石颗粒，这两篇申请通过参考以其完整的形式并入本文中。
用在所述线材中/上的磨料可以为包覆的磨料。这种包覆层包括但不限于，金属包覆层、金属合金包覆层及其组合。这种包覆层的实例包括铬、钛、铜、钼、镍和钨。
本发明的一些实施方案包括但不限于如下：
线材，其包括至少部分并入到线材中的表面改性的金刚石颗粒。
线材，其包括至少部分并入到线材中的表面改性的金刚石颗粒和常规金刚石颗粒。
线材，其包括具有并入到所述线材上的表面中的表面改性金刚石颗粒的表面。所述表面改性的金刚石颗粒由结合剂基体结合于所述线材表面的表面。
线材，其包括具有至少部分并入到所述线材上的表面中的表面改性金刚石颗粒和常规金刚石颗粒的表面。所述表面改性的金刚石颗粒由结合剂基体至少部分地结合于所述线材的表面。
可使用任何方法将所述磨料颗粒粘附于所述线材或将所述金刚石至少部分地推入到线材中。所述固定磨料线材可通过诸如电镀、将金刚石物理推入到所述线材中、激光加工、铜焊、使用树脂粘附所述颗粒和将所述金刚石浸入到所述线材中的方法制造。
在一个实施方案中，可使用电化学沉积将所述磨料直接沉积到所述线材基材上。电化学沉积通常要求将带电线材放入金属化合物的带相反电荷的液体溶液中的磨料颗粒床中。当金属沉淀在所述线材上时，其将磨料颗粒捕获在薄金属层中并由此将所述磨料结合于所述线材。例如，Schmid等人的美国专利5,438,973公开了金刚石磨料颗粒，其被固定在电镀到滴料横截面不锈钢线材核心的切割表面的镍中。
在一个实施方案中，所述磨料颗粒也可通过铜焊的金属结合剂粘附到线材上，其中细粒在预先选择的表面分布条件下布置在线材表面上，如U.S.6,102,024中所教导的。
在一个实施方案中，可通过树脂结合剂将所述磨料颗粒粘附到线材上。在U.S.6,463,921中教导了合适的树脂结合剂的实例。
除了改进的结合强度和磨料暴露度之外，使用表面改性的金刚石颗粒还在每个颗粒上提供了比常规金刚石颗粒基本上更多的切割点。如图4(a)中所示，使用改性工艺生产的金刚石颗粒比如图4(b)中所示的常规碾磨的金刚石颗粒展示了多2至3倍的切割点数。这些另外的切割点为每个表面改性的金刚石颗粒提供了比常规单晶金刚石颗粒高得多的材料去除能力。此外还已经表明的是，在所述改性工艺之后，所述表面改性的金刚石颗粒的总体脆性或韧性仅下降了5至10％的因数。因此，所述金刚石颗粒在工具内的有效寿命将不会下降。
如图3(b)中所示，比图3(a)中所示的比较例需要更少的结合剂基体材料。在图3(b)中，结合剂基体材料填入所述表面改性的金刚石颗粒的凹坑和缺口中，以将所述颗粒锚固在所述结合剂基体材料中，结果，需要更少的结合剂基体材料。使用更少的结合剂基体材料，在所述金刚石颗粒的暴露尖端与所述结合剂基体表面之间提供了更大的距离。该距离将使得颗粒暴露度更大，并且还为穿过所述工件与所述线材之间的切屑和冷却剂提供了更大的空间。
由于所述表面改性的金刚石颗粒的极端粗糙度提供了比常规单晶金刚石颗粒实质上更多的锚固位点，所以明显地，为了将所述表面改性的金刚石颗粒牢固地结合到所述线材上所需要的结合剂基体的量更少。
可使用固定磨料线材切割任何材料。普通的基材材料尤其包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、碲、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、锗、硫化锌、灰锡、硒、硼、碘化银和锑化铟。
一个实施方案包括切割基材的方法，所述方法包括如下步骤：提供线锯，所述线锯包括含表面改性金刚石颗粒的切割线材；将冷却剂或润滑剂施加到所述切割线材上；将所述基材的表面与所述切割线材接触；以及控制所述切割线材与所述表面的相对位置以与切割作用一致。
在一个实施方案中，可使用包括所述表面改性的金刚石颗粒的线材和冷却剂或润滑剂流体。所述冷却剂或润滑剂流体可以是水性或非水性的。合适的流体包括水和烷撑二醇。用于本发明上下文中的烷撑二醇包括乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)和聚丙二醇(PPG)。
在一个实施方案中，所述结合剂基体可还包括选自磨料和超级磨料的添加剂，所述磨料即具有大于7的莫氏硬度或大于约100的绝对硬度的材料，和所述超级磨料具有努氏硬度标度超过约3000kg/mm2的硬度。为了转换的目的，在标准手册中可获得努氏硬度和莫氏硬度的比较。
所述粘结剂基体的其它添加剂可包括聚合物纤维、无机纤维、润滑剂、固化剂、填料、多孔剂、金属，并且还可使用它们的组合。
在一个实施方案中，所述线材可含有功能化的金刚石颗粒，例如在U.S.6,372,002中教导的那些，该文献通过参考以其完整的形式并入本文中。所述功能化的金刚石颗粒可存在于具有表面改性的金刚石颗粒的线材的表面上。任选地，可按6,372,002教导的那样对所述表面改性的金刚石颗粒实施功能化加工。
具体实施方式
实施例
实施例1
使用如下程序利用标称20～30微米平均尺寸的金刚石颗粒对钢线材进行包覆。
浴的制备：
1.向2升的玻璃烧杯中添加如下物质：
a.由MacDermind Co.Denver，CO.出售的60ml Niklad AR767(硫酸镍溶液)。
b.800ml去离子水
2.将所述烧杯放在加热板上并将所述溶液加热至70℃。
3.当溶液达到70℃时，添加150ml的Niklad B(次磷酸钠)溶液。
4.当将所述浴加热至期望温度85～90℃时，将其保持在该温度下以制备用于包覆的线材。
线材的清洁：
1.将几片0.150mm直径的高碳钢(C1085钢)线材切割成约3英尺的长度。
2.对该线材组称重并记录重量以确定所述复合包覆层(镍+金刚石)的重量％。
3.将所述线材放入含有250ml HCl和250ml去离子水的1升烧杯中。
4.将所述线材在酸/去离子水溶液中浸泡约5分钟(以使重量损失最小)直至酸溶液变黄。
将“清洁的”线材从所述烧杯中快速移出，并用去离子水漂洗和放入热镍浴溶液中。
包覆工艺：
1.当放入到所述镍溶液的烧杯中时，所述线材卷在所述烧杯底部上展开。
2.向所述浴中添加20g GMM 20～30常规合成工业金刚石粉末并记录包覆起始时间。
3.每隔5分钟，利用玻璃棒手动搅拌所述溶液以使得所述金刚石悬浮起来进入到浴中并远离所述线材。在短暂的搅拌之后，使所述金刚石沉降回到所述线材上。
4.每隔15分钟，添加6ml的Niklad 767AR和6ml Niklad 767HpH(次磷酸钠溶液)以补充所述浴。
5.将所述包覆工艺持续总共3小时。
6.在三小时之后，将所述线材从所述浴中取出并将所述加热板关闭。
7.将包覆的线材用去离子水漂洗、干燥并称重，和记录重量以确定复合包覆层(镍+金刚石)的重量％。
然后，以与上述相同的程序，使用20～30μm的表面改性金刚石对几种长度的线材进行包覆。
对每种线材的部分拍摄扫描电子显微镜图像。图5(a)显示了利用常规20～30微米的金刚石颗粒制备的包覆线材和图5(b)显示了利用表面改性的20～30微米的金刚石颗粒制备的包覆线材。如从图5(a)中可以看出的，所述常规金刚石颗粒呈现了从完全嵌入所述镍基体内到恰好与所述镍表面接触的范围。所述常规金刚石颗粒显示出均匀分布在所述线材的整个表面上。平均地，呈现了相对大数目的从所述线材表面突出的常规金刚石颗粒，其中至少50％的所述常规金刚石颗粒从所述镍包覆层中暴露。
图5(b)也显示了所述表面改性的金刚石颗粒在所述线材表面上的良好覆盖和所述表面改性的金刚石颗粒从所述线材表面的良好突出。所述表面改性的金刚石颗粒明显与图5(a)的常规金刚石颗粒不同。图5(b)清晰地显示，所述镍渗入所述表面改性的金刚石颗粒的孔空间、凹坑和空隙内。从图5(b)还可以看出，与所述常规金刚石颗粒相比，存在与每个表面改性的金刚石颗粒相关的增加的切割点。
实施例2
使用如下a)和b)的线材进行简单的锯开试验：a)含有常规20～30μm金刚石颗粒的线材；和b)含有表面改性的20～30μm金刚石颗粒的线材。将每种线材固定入手锯中并用于切割多晶硅块。
所述试验包括如下步骤：
1.)对于每种金刚石(a)和b))获得约16英寸的线材的一个绞线。
2.)将线材a)的一端环绕在手锯一端的松开的螺栓上并拧紧。
3.)将线材a)的另一端环绕在另一个松开的螺栓上、拉紧并拧紧该螺栓。
4.)通过转动所述锯顶上的调节螺丝将所述线材进一步拉紧。将线材a)调节至使得当将所述锯靠在硅块上时观察到约1～2mm偏斜的张力下。
5.)在将线材a)固定入所述锯中之后，将所述线材靠在固定在老虎钳中的1/2英寸×2英寸×3英寸的多晶硅块上。通过牵拉靠在所述块的拐角上的线材而在所述拐角上形成缺口。当形成所述缺口时，在该区域上放置几滴水以充当冷却剂。
6.)通过使用约8英寸的行程使所述锯前进和后退，从而使切割进入到所述多晶硅块中。仅将所述锯的重量用作向下的力。
7.)在时常添加水的条件下持续切割，直至完成100个行程。
8.)在试验完成之后，用水漂洗线材a)并截取所述锯的中段中的小部分用于SEM分析。
9.)对于线材b)，使用上述步骤重复该试验。
如从图5(c)和5(d)中试验过的线材的扫描电子照片能够看出的，清晰地观察到了两种线材的接触侧，其中所述线材靠在所述多晶硅块上磨损。图5(c)显示，几乎没有金刚石残留在使用常规碾磨的20～30μm金刚石颗粒的线材上。还清楚的看到，在所述线材该侧上的许多颗粒已经从所述金属结合剂中脱离。图5(d)显示，仍有金刚石颗粒保留在所述锯靠在所述多晶硅上的加工侧上。此外，尽管所述表面改性的金刚石颗粒中的一些已经从所述结合剂基体中脱离，但是与所述规则的金刚石线材相比，多得多的金刚石颗粒仍嵌在所述基体内。
等价物
尽管关于特定的示例性实施方案对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以与上述详述说明一致的方式对所公开的发明完成许多替代、改变和变化。此外，对本领域技术人员还显而易见的是，可将多种公开的实施例实施方案的特定方面与任何其它公开的实施方案或它们的替代物的方面组合使用，从而制造另外的、但本文中未明确说明的实施方案，该技术方案并入到所主张的本发明中但更密切适用于预期用途或性能要求。因此，希望落在本发明主旨内的所有这种替代、改变和变化都包括在附属权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种线材，其包含： 
表面；和 
由结合剂基体结合到所述表面上的表面改性金刚石颗粒， 
其中每个表面改性金刚石颗粒具有0.60至0.80的表面粗糙度和0.25至0.50的球度， 
所述金刚石颗粒具有凹坑和刺突， 
其中， 
球度是指二维图像或物体的封闭面积4πA除以周长的平方p2的估值 
2.权利要求1所述的线材，其中所述线材包含选自如下的材料：金属，合成的聚合物，天然的聚合物，碳，以及金属的合金，纺织品，有机或无机纤维，丝以及它们的组合。 
3.权利要求2所述的线材，其中所述金属选自铁、钢、不锈钢、镍和/或它们的合金和组合。 
4.权利要求1所述的线材，其中所述结合剂基体选自金属材料、聚合物树脂、混合系统以及它们的组合。 
5.权利要求1所述的线材，其中所述线材的长度为1cm至1000 m。 
6.权利要求5所述的线材，其中所述线材的长度为200cm至600km。 
7.权利要求1所述的线材，其中所述线材为连续的环。 
8.权利要求1所述的线材，其中所述线材具有10μm至500μm的直径或粗度。 
9.权利要求8所述的线材，其中所述线材具有50μm至200μm的直径或粗度。 
10.权利要求1所述的线材，其还包含包覆层。 
11.权利要求1所述的线材，其中所述表面改性金刚石颗粒还包含包覆层。 
12.权利要求11所述的线材，其中所述包覆层为金属或树脂。 
13.权利要求1所述的线材，其中所述金刚石颗粒的平均暴露度为至少20％。 
14.权利要求13所述的线材，其中所述表面改性金刚石颗粒的平均暴露度为30％至60％。 
15.权利要求1所述的线材，其中所述表面改性金刚石颗粒包含表面功能化的金刚石颗粒。 
16.权利要求1所述的线材，其还包含在所述结合剂基体中的添加剂，所述添加剂选自磨料超级磨料、表面功能化的金刚石颗粒、聚合物纤维、无机纤维、润滑剂、固化剂、填料、多孔剂、金属和金属 的合金以及它们的组合。 
17.一种线材，其包含： 
并入到所述线材中的表面改性金刚石颗粒； 
其中每个表面改性金刚石颗粒具有0.60至0.80的表面粗糙度和0.25至0.50的球度， 
所述金刚石颗粒具有凹坑和刺突， 
其中， 
球度是指二维图像或物体的封闭面积4πA除以周长的平方p2的估值 
18.一种线材，其包含： 
并入到所述线材中的表面改性金刚石颗粒；和 
由结合剂基体结合到所述表面上的表面改性金刚石颗粒， 
其中每个表面改性金刚石颗粒具有0.60至0.80的表面粗糙度和0.25至0.50的球度， 
所述金刚石颗粒具有凹坑和刺突， 
其中， 
球度是指二维图像或物体的封闭面积4πA除以周长的平方p2的估值 
。
19.一种制造包含超级磨料颗粒的线材的方法，所述方法包括如下步骤： 
提供线材； 
清洁所述线材； 
用表面改性超级磨料颗粒包覆所述线材，所述表面改性超级磨料颗粒具有0.60至0.80的表面粗糙度和0.25至0.50的球度， 
所述磨料颗粒具有凹坑和刺突， 
其中， 
球度是指二维图像或物体的封闭面积4πA除以周长的平方p2的估值 
20.一种用于切割的设备，其包含： 
用于切割物体的第一装置，其中表面改性的第一装置具有0.60至0.80的表面粗糙度和0.25至0.50的球度； 
用于保持所述第一装置的第二装置；以及 
用于支持所述第二和第一装置的第三装置， 
其中， 
球度是指二维图像或物体的封闭面积4πA除以周长的平方p2的估值 
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