CN105142837A - 磨料锯切线、其产生方法和其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含钢芯以及包含粘合剂和磨料颗粒的涂层的磨料线,所述粘合剂由至少一个铁合金层形成,所述至少一个铁合金层包含相对于粘合剂的重量的按重量百分比计:在0%和3%之间的氧,有利地在0%和2%之间;以及在0.3%和9%之间的选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。

Description

磨料锯切线、其产生方法和其用途
发明领域
本发明涉及包含钢芯以及通过基于铁的粘合剂在该芯上保持的磨料颗粒的磨料线。
本发明的用途的领域特别地与例如硅、蓝宝石、或碳化硅的材料的锯切相关。
背景
通常,诸如硅片的硬质材料的切割可以通过在其周边具有磨料颗粒(例如,由金刚石制成)的钢线来进行。
为解决可能的线断裂,现有技术主张使用具有高碳含量的钢线。
通过树脂或金属粘合剂层,磨料颗粒被粘合至线。这样的粘合剂使颗粒保持在线的表面以给出其中的研磨性质。
通常,且与粘合剂相反地,颗粒由比所切割的材料更硬的材料制成。
事实上,在首次使用线时,粘合剂部分地被侵蚀以使磨料颗粒暴露。然后,通过使切割线在所切割的材料的表面上重复经过,即通过磨料颗粒的突出部分在材料上的摩擦,进行材料的锯切。
在磨料颗粒的突出部分已经被暴露之后,粘合剂不再与所切割的材料进行直接接触。然而,其可以根据以下两种机制损耗:
-通过机械变形:在材料的锯切时,磨料颗粒被交替地向前和向后并且沿着线的主方向推动。此移动是与正被切割的材料的摩擦的直接结果。因此,对于每一次移动,粘合剂变形一点。在切割结束时,粘合剂可能局部地变形太多而不能有效地使磨料颗粒保持在线的表面。
-通过磨损/侵蚀:此机制由位于粘合剂(其沿着线移动(displace))和所切割的材料之间的所切割的材料的碎片的存在造成。由于锯切运动,材料的碎片随着作为结果的、粘合剂厚度的渐进性降低而侵蚀粘合剂。在切割结束时,粘合剂不再足够厚以有效地使磨料颗粒保持在线的表面。磨料颗粒脱离,这逐渐降低线的研磨力以及由此的其切割材料的能力。
通常,机械变形是比粘合剂的磨损更强的现象。
为延迟或甚至抑制线的研磨性质的恶化,基于金属合金的粘合剂已经被开发。其似乎具有比树脂更好的硬度性质。
因此,为限制线的损耗,基于镍和磷合金的粘合剂可以被使用。粘合剂被化学地沉降在线表面以覆盖磨料粒子。另外,其硬度大于纯镍的硬度。
为限制粘合层的破裂,文献EP2428317主张限制电解镍沉积物中的硫、氧、和氢含量。
其他解决方案包括使用由钴/镍合金制成的粘合剂。目前,此类型的镍/钴的电沉积涉及诸如是致癌物的硫酸镍的化合物。另外,金属镍可以引起过敏症。
金属粘合剂通常可以与被带入切割区域的水接触而被腐蚀。因为此过程的现象不利地影响磨料线的寿命,所以粘合金属的腐蚀作用期望由本领域技术人员来避免。
因此,线和粘合剂应该满足某些要求。
优选地,粘合剂应该在线使用期间不破裂。线被拉伸时,粘合剂的表面在线的最大应力极限应该不破裂。
因此,存在开发这样的粘合剂的替代物、尤其是确保使磨料粒子保持在磨料线的芯上、而且控制粘合剂的损耗和降解的需求。本发明目的是解决此技术问题。
发明概述
本申请人已经开发了具有通过基于铁的粘合剂在线的表面保持的磨料颗粒的线。
根据本发明的线包含基于铁的粘合剂,其能够特别地避免在线的制造或使用时的归因于包含高镍含量的粘合剂的可能的癌症和过敏症问题。
更特定地,本发明的目的涉及包含钢芯以及包含粘合剂和磨料颗粒的外部复合涂层的磨料线,所述粘合剂由至少一个铁合金层形成,所述至少一个铁合金层包含相对于粘合剂的质量的按质量计:
-从0%至3%的氧,有利地从0%至2%;以及
-从0.3%至9%的选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。
如已经表明的,粘合剂使磨料颗粒能够保持在钢芯的周边。因此,磨料颗粒基本上不具有所述芯上的自由度。有利地,颗粒不具有钢芯上的自由度,特别是在根据本发明的磨料线的使用中。
事实上,铁合金粘合剂提供了使颗粒在芯上比现有技术树脂粘合剂更好的保持。其具有坚硬以及抗磨损的性质,这能够更有效地使颗粒保持在原地,即使是在切割操作期间线的使用时。
磨料颗粒可以与钢芯直接接触,但其还可以有利地通过薄的粘合剂层与芯分离。这在图1中所示的方法被实施时尤其是真实的。
粘合剂至少部分地覆盖磨料颗粒。
根据特定的实施方案,外部复合涂层包含至少一种另外的根据本发明的铁合金粘合剂。因此,粘合剂将呈现为单层或多层的形式,有利地两层。
粘合剂可以由彼此不同的铁合金制成。
“层”意指具有均一组成的线的护层。因此,两层可以通过它们的化学成分之间的差异,或通过仅它们中之一的磨料的存在,彼此被区分。
与钢芯接触的第一粘合剂层可以具有大于另外的层的硬度以使磨料颗粒保持在线上。
然而,另外的粘合剂层(外层)有利地对腐蚀以及破裂是高度抵抗的。有利地,其不是易碎的并且具有比下层更好的延展性质。
因此,根据特定的实施方案,磨料线包含钢芯和包含粘合剂和磨料颗粒的外部复合涂层。在此特定的情况下,粘合剂由两个根据本发明的铁合金粘合剂层形成。覆盖毗邻钢芯的第一粘合剂层的第二粘合剂层由具有更好抗磨损性和/或抗腐蚀性的铁合金制成。
通常,铁合金粘合剂的硬度可以通过引入碳和/或磷被改进。
硼能够限制包含在合金中的氧的量。事实上,本申请人已经发现在基于铁的合金中按质量计多于3%的氧的存在使其变脆。硼和/或磷的添加能够限制能够在其电沉积时被引入基于铁的合金中的氧。
硼的添加能够改进抗腐蚀性质。
因此,根据特定的实施方案,铁合金可以包含按质量计从0.5%至1.5%的碳,优选地1%。
根据特定的实施方案,铁合金包含按质量计从0.3%至1%的碳,优选地0.5%。
根据另一特定的实施方案,铁合金包含按质量计从1%至9%的磷,优选地4%。
粘合剂,不管其是单层或多层,可以特别地通过铁合金的连续电沉积获得。
根据特定的实施方案,铁合金可以包含按质量计至少97%的铁,以及按质量计小于1%的镍和/或按质量计小于1%的钴。事实上,在电沉积的铁中镍或钴的添加可以造成它们的浓度的稳定化的技术问题。
如已经提及的,根据本发明的铁合金包含从0.3%至9%的选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。当其包含多种这些元素时,总碳、硼、和磷含量有利地在从0.3%至9%的范围内。
形成粘合层的每一个的合金有利地具有以维克斯表示(Hv)的、在300Hv至900Hv的范围内,有利地600Hv的硬度。
粘合金属层的硬度根据本领域技术人员的知识中的技术、通过显微硬度试验仪来测量。通常使用维克斯压头(Vickersindenter),其具有与层厚度相容的负载。这样的负载通常在从1克力至100克力的范围内。如果由维克斯压头留下的标记物相对于层厚度太大(甚至在小负载下),那么可以使用努普压头(较窄),并且努普硬度值可以通过转化表被转化成维克斯硬度。
能够切割材料的磨料颗粒可以特别地由选自包括以下的组的材料制成:碳化硅SiC;二氧化硅SiO2;碳化钨WC;氮化硅Si3N4;氮化硼BN;二氧化铬CrO2;氧化铝Al2O3;金刚石;以及预金属化的金刚石(例如,用镍、钴、铜、铁、或钛)。
根据特定的实施方案,磨料线可以包含若干不同类型的磨料颗粒。
根据所切割的材料选择合适的粘合剂/磨料颗粒组合将在本领域技术人员的能力内。
根据特定的实施方案,磨料颗粒由覆盖有不同于粘合剂的膜的粒子形成。膜至少部分地覆盖每一粒子,有利地整体地覆盖。
颗粒的总直径,即粒子和可能地膜的直径,有利地在从1微米至500微米的范围内。优选地,其小于钢芯的直径的三分之一。因此,根据特定的实施方案,对于具有0.12mm直径的芯,颗粒直径可以在从12至22微米的范围内。
直径意指当其不是球形时,其具有的最大直径(或最大尺寸)。
有利地,覆盖粒子的膜由金属材料,可能地铁磁性金属材料,制成。另外,形成膜的材料有利地是导电的。
其可以特别地是选自包括以下的组的材料的膜:铁、钴、镍、铜、和钛。
膜至少部分地覆盖磨料颗粒,有利地整体地覆盖。然而,在使用根据本发明的磨料线期间,与所切割的材料接触的粒子部分不包含膜,后者从一经首次切割操作就被侵蚀,以与粘合剂相同的方式。
膜相对于包覆的粒子的总质量的质量有利地在从10%至60%的范围内,特别是在金刚石粒子的情况下。
在膜制造方法中,在使用磨料粒子/颗粒之前,膜可以特别地沉积在粒子上。对于使膜沉积在粒子的每一个上可以实施的技术尤其包括阴极溅射、以及电解、化学气相沉积(CVD)、和无电镀镍。
通常,可以观察到从5%至50%的磨料线的表面区域被磨料颗粒占据(当线是新的时,可能地覆盖有粘合剂层)。
通常,根据本发明的磨料线的钢芯是具有圆形横截面的线。其是具有有利地在从70微米至1毫米的范围内的直径的钢线。
根据所切割的材料修改芯直径将在本领域技术人员的能力内。因此,具有从200微米至1毫米的范围内的直径的芯特别地适于切割钢锭中的硅砖。然而,具有在从70微米至200毫米的范围内的直径的芯特别地适于切割砖中的硅片。
磨料线的芯通常呈现为具有抵抗有利地大于2,000MPa至3,000MPa,但通常小于5,000MPa的牵引力的线的形式。
另一方面,芯可以具有有利地大于1%,更有利地还大于2%的断裂伸长率,即在其断裂之前芯的长度的增加。然而,其仍旧优选地小于10%或5%。
有利地,线芯由导电材料制成,即在20℃具有小于10-5ohm.m的电阻率的材料,并且特别地钢。
钢芯可以特别地由选自包括以下的组的材料制成:碳钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、以及镀黄铜的钢。碳钢优选地包含按质量计从0.6%至0.8%的此元素。
本发明还涉及制造以上描述的磨料线的方法。该方法尤其包括以下的步骤:
-通过进入包含至少铁II离子、磨料颗粒、以及选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质浴(B1),在钢线上电沉积包含粘合剂和磨料颗粒的复合涂层,所述磨料颗粒可能地包覆有金属膜;
-任选地,通过进入包含至少铁II离子、以及选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质浴(B2),电沉积铁合金粘合剂的另外的层。
所涉及的磨料颗粒可以是有磁性的。
尽管FeIII离子可以存在于浴中,但是优选的是限制其浓度,特别地通过限制浴与例如大气氧的氧化元素的接触。为此目的,将避免的是,注射压缩空气以搅拌浴。
有利地,在电沉积之前,方法可以包括以下步骤的至少一个:
-使钢芯在碱性介质中脱脂;
-使钢芯在酸性介质中酸洗。
当此方法包括铁合金的第二电沉积时,浴(B2)可以具有不同于浴(B1)的组成。此浴有利地不包含磨料颗粒。
浴B1有利地产生高硬度的粘合剂层,同时浴B2有利地产生易延展的粘合剂的层,即具有低脆性,并且具有良好的抗腐蚀性。
如已经表明的,粘合剂可以包含至少两层。覆盖第二层的可能的层可以通过重复进入第二浴(B2),或者通过进入包含FeII离子的至少另一种电解质浴而获得。
典型地,浴(B1)和(B2),以及可能地其他浴,彼此独立地包含从20g/L至100g/L的FeII离子。
另一方面,浴(B1)包含磨料颗粒,有利地从1g/L至100g/L的磨料颗粒。
如已经提及的,形成粘合剂的铁合金包含选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。
因此,碳可以特别地通过在能够形成粘合剂的电解质浴中添加至少一种碳源被引入。此碳源可以选自包括柠檬酸、L-抗坏血酸、琥珀酸、具有直链的二羧酸、以及其混合物的组。例如,可以在浴中使用1.2g/l的柠檬酸和3g/l的抗坏血酸。
硼可以通过在能够形成粘合剂的电解质浴中添加至少一种硼源特别地被引入。此硼源可以选自包括硼酸、二甲氨基甲硼烷、以及其混合物的组。例如,可以在浴中使用40g/l的硼酸和1.8g/l的二甲氨基甲硼烷。
磷可以通过在能够形成粘合剂的电解质浴中添加至少一种磷源特别地被引入。此磷源可以选自包括次磷酸钠、次磷酸、以及其混合物的组。例如,可以使用从1g/l至20g/l的次磷酸钠。
钴和镍可以通过在电解质浴中添加CoII和/或NiII离子被引入。然而,稳定化镍和/或钴在电沉积的粘合剂中的浓度可能是困难的。
对于关于方法步骤以及使用的装置的另外的细节,应该特别地参考以编号FR1253017提交的专利申请。
本发明还涉及以上描述的磨料线用于锯切能够特别地选自包括硅、蓝宝石、和碳化硅的组的材料的用途。磨料线可以被用于硅片制造的情况。
根据所切割的材料修改磨料线将在本领域技术人员的能力内。更特别地,磨料颗粒被选择为比所切割的材料更硬。
本发明和获得的优势将从作为本发明的说明提供的以下非限制性附图以及实施例更好的呈现。
附图说明
图1图示了能够获得根据本发明的特定的实施方案的磨料线的装置。
图2图示了根据本发明的特定的实施方案的磨料线的横截面图。
图3图示了根据本发明的特定的实施方案的磨料线的磨料颗粒的横截面图。
详细说明
图1中图示的装置(2)能够实施在钢线(4)上的电沉积的方法以制备根据本发明的特定的实施方案的磨料线(3)。
该方法尤其包括以下的步骤:
-使以线圈(24)的形式储存的钢线(芯)(4)沿着箭头F的方向解开;
-任选地,使钢芯(4)在碱性介质中脱脂;
-任选地,使钢芯(4)在酸性介质中酸洗;
-任选地,使钢芯(4)穿过应用具有有利地大于800A/m的强度的磁场的磁化装置(26)。因此,芯(4)被永久磁化:
-在钢芯上电沉积包含粘合剂和磨料颗粒的复合涂层,所述电沉积是通过进入包含至少铁II离子、和磨料颗粒(6)、以及选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质(38)的浴(B1)(36);
-任选地,通过进入包含至少铁II离子、以及选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质(52)的浴(B2),电沉积第二粘合层;
-获得磨料线(3);
-任选地,通过电机(70)使磨料线(6)有利地以线圈(68)的形式储存。
使用的装置(2)包括产生电解电流ie的源(28)。源(28)的正极端子被连接至位于被包含在容器(34)中的电解质(38)的浴(B1)(36)中的电极(40)。电极(40)有利地由纯铁组成。源(28)的负极端子经由电导体(32)和(46)被连接至布置在容器(34)的两侧上的两个导电的滑轮(30)和(48)。这两个导电的滑轮(30)和(48)能够提供与钢芯(4)机械接触的两个点(A)和(B),因此钢芯(4)被连接至源(28)的阴性端子。
装置(2)任选地包括用于一旦钢芯(4)被沉浸在浴(B1)(36)中将磁化磨料颗粒(6)和钢芯(4)的装置(44)。其位于浴(B1)(36)之上。
使用的磨料颗粒可以是有磁性的以允许外部复合涂层在钢芯上的快速电沉积。因此,其可以被在此过程期间被磁化的钢芯吸引。
如已经提及的,磨料颗粒的磁性性质可以特别地源于覆盖其的磁膜。
因此,钢芯可以通过在进入浴(B1)中时的电沉积用由粘合剂和磨料颗粒制成的涂层被覆盖。
根据本发明的特定的实施方案,然后可以通过进入第二浴(B2)(52),将第二粘合剂层沉积在钢芯上。
包含在容器(50)中的第二浴(B2)(52)包含电解质。其有利地不包含磨料颗粒。
第二粘合剂层的电沉积的步骤包括,特别地,将覆盖有第一粘合剂层和磨料颗粒的钢芯沉浸在具有连接至布置在其中的第二电流源(56)的正极端子的电极(54)的浴中。电极(54)有利地由纯铁制成。
第二电流源(56)的负极端子经由电导体(58)和(60)被连接至布置在含有第二浴(B2)(52)的容器(50)的两侧上的两个导电的滑轮(62)和(64)。
导电的滑轮(62)和(64)在接触点(C)和(D)提供钢芯(4)和第二电流源(56)的负极端子之间的连接。
在穿过第二电解质浴之后,获得磨料线(3)。其可以以线圈(68)的形式被储存。
如已经表明的,根据特定的实施方案的装置(2)和其具体实施方式在以编号FR1253017提交的专利申请中被进一步详细地描述。
如图2中所示的,根据本发明的磨料线(3)具有用部分地覆盖磨料颗粒(6)的第一粘合剂层(10)包覆的芯(4)。
根据此特定的实施方案,磨料线还包含覆盖磨料颗粒(6)的第二粘合剂层(12)。此第二粘合剂层有利地比第一层更抵抗破裂(即,较不易碎)并且更抵抗腐蚀。其可以比覆盖钢芯(4)的第一层(10)更柔软。
这两个层(10)和(12)以及磨料颗粒(6)形成磨料线(3)的外部复合涂层(8)。
根据特定的实施方案,磨料颗粒(6)包含用膜(18)覆盖的磨料粒子(16)(图3)。膜有利地由金属材料(可能地铁磁性金属材料)制成以使颗粒在钢芯(4)上的电沉积更容易。事实上,外部复合涂层的电沉积有利地在用金属膜(可能地铁磁性金属膜)覆盖的颗粒的存在下被实施。
发明的实施方案
多个磨料线(实施例1-6)已经以硬化状态从钢芯被制备。钢芯包含0.8%的碳,其具有0.12毫米直径。
操作程序
线已经通过在包含磨料颗粒的第一电解质浴(B1)中的电沉积被制备,以在钢芯上形成外部复合涂层。元素的每一种的组成被总结在表1中。
使用的磨料颗粒是用镍包覆的金刚石(从12μm至22μm)。镍质量形成56%的包覆的磨料颗粒的总质量。
实施例1:基于铁的粘合剂(Fe)
钢芯在浴(B1)中的处理条件如下:
-电流密度:5A/dm2
-温度:55℃
-正极:纯铁
如此获得的基于铁的涂层包含约5%的氧。其具有约400Hv的硬度。
实施例2:基于铁和碳的粘合剂(Fe+C)
钢芯在浴(B1)中的处理条件与实施例1中的处理条件是相同的,除了电流密度以及柠檬酸和L抗坏血酸的存在。
事实上,粘合剂中的碳含量随电流密度提高。低于0.5A/dm2,碳含量小于0.5%,该百分比可以呈现为不足以对沉积物(粘合剂)的硬度产生影响。
然而,当电流密度大于2A/dm2时,碳含量稳定在1.5%附近。
然而,实践中,电流密度有利地小于2A/dm2。事实上,超过2A/dm2,粘合剂具有按质量计大于3%的氧含量,此量使沉积物(粘合剂)变脆。
基于铁的涂层在1A/dm2包含约1%的碳,以及约2%的氧。
沉积物的硬度从500Hv(0.5%的碳)提高至800Hv(1.5%的碳)。
实施例3:基于铁和硼的粘合剂(Fe+B)
钢芯在浴(B1)中的处理条件与实施例1中的处理条件是相同的,除此之外是在硼酸和二甲基氨基硼烷的存在下。
如此获得的涂层由铁和硼合金(从0.3%至0.7%)制成。其还包含微量氧(<2%)。
其硬度是约300Hv。
从0.3%至0.7%的硼添加似乎降低铁沉积物中的氧含量,并且因此降低电沉积的金属的脆性。
实施例4:基于铁、硼和碳的粘合剂(Fe+C+B)
钢芯在浴(B1)中的处理条件与实施例1中的处理条件是相同的,除此之外是在柠檬酸、L抗坏血酸、硼酸和二甲基氨基硼烷的存在下。
如此获得的涂层由铁、碳(1%)、和硼(从0.3%至0.7%)的合金以及微量氧(<2%)制成。
其硬度是约600Hv。
在5A/dm2,沉积物不是易碎的。
实施例5:基于铁和磷的粘合剂(Fe+P)
钢芯在浴(B1)中的处理条件与实施例1中的处理条件是相同的,除此之外是在次磷酸钠和可能地硫酸铝的存在下。
对于1%的磷,硬度是约300Hv。
对于9%的磷,硬度是约900Hv。
在磷含量在从1%至6%的范围内时,脆性是较低的。
获得的沉积物包含从1%至9%的磷。
其包含小于3%的氧。
其腐蚀是更难的。
在电沉积的铁中,从1%至9%的磷的添加似乎降低其氧含量(并且因此其脆性)和其腐蚀敏感性。
实施例6:基于铁、碳和磷的粘合剂(Fe+C+P)
钢芯在浴(B1)中的处理条件与实施例1中的处理条件是相同的,除此之外是在柠檬酸、L抗坏血酸、次磷酸钠和硫酸铝的存在下。
表1:实施例1-6中使用的电解质的组成。量以g/L表示。
(i)qs:不足以获得电解质的pH的量
表2:根据实施例1-6的粘合剂的性质。
添加的元素的百分比表示为相对于磨料线的钢芯上的粘合剂的质量。

Claims (10)

1.一种磨料线,所述磨料线包含钢芯以及包含粘合剂和磨料颗粒的涂层,所述粘合剂由至少一个铁合金层形成,所述至少一个铁合金层包含相对于所述粘合剂的质量的按质量计:
-从0%至3%的氧,有利地从0%至2%;以及
-从0.3%至9%的选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。
2.如权利要求1所述的磨料线,其特征在于,所述粘合剂包含两层铁合金,所述两层铁合金包含按质量计并且从一层至另一层独立地,从0%至3%的氧,以及从0.3%至9%的选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素。
3.如权利要求1和2中任一项所述的磨料线,其特征在于,所述铁合金包含按质量计从0.5%至1.5%的碳。
4.如权利要求1和2中任一项所述的磨料线,其特征在于,所述铁合金包含按质量计从0.3%至1%的硼。
5.如权利要求1和2中任一项所述的磨料线,其特征在于,所述铁合金包含按质量计从1%至9%的磷。
6.如权利要求1所述的磨料线,其特征在于,所述铁合金可以包含按质量计至少97%的铁、以及按质量计小于1%的镍,和/或按质量计小于1%的钴。
7.如权利要求1至6中任一项所述的磨料线,其特征在于,所述磨料颗粒由至少部分地覆盖有由金属材料,可能地铁磁金属材料,制成的膜的粒子形成。
8.一种制造前述权利要求中任一项所述的磨料线的方法,所述方法根据以下的步骤:
-通过进入包含至少铁II离子、磨料颗粒、以及选自包碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质浴(B1),在钢线上电沉积包含粘合剂和磨料颗粒的复合涂层,所述磨料颗粒可能地包覆有金属膜;
-任选地,通过进入包含至少铁II离子、以及选自包括碳、硼、和磷的组的至少一种元素的至少一种来源的电解质浴(B2),电沉积铁合金粘合剂的另外的层。
9.如权利要求8所述的磨料线制造方法,其特征在于,所述浴(B1)和所述浴(B2)彼此独立地包含从20g/L至100g/L的铁II离子。
10.权利要求1至7中任一项所述的磨料线用于锯切选自包括硅、蓝宝石、和碳化硅的组的材料的用途。
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