DE10062069B4

DE10062069B4 - Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung

Info

Publication number: DE10062069B4
Application number: DE2000162069
Authority: DE
Inventors: Hazime Ishida
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: US6408840B2; CN1304821A; CN1157277C; US20010018913A1; DE10062069A1; MY126994A

Abstract

Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung, das die Stufen umfasst: Schneiden eines zu bearbeitenden Gegenstandes unter Verwendung eines Schneidedrahtes (32), während zwischen dem genannten Schneidedraht (32) und dem genannten Gegenstand eine dispergierte Schleifmittelkörner (Schleifkörner) enthaltende Aufschlämmung (52) zugeführt wird, wobei der genannte Draht (32) mit einem Antriebselement angetrieben wird, wobei mindestens eine Drahtkontaktfläche des genannten Antriebselements aus einem organischen Polymermaterial besteht, und das Schneiden durchgeführt wird, während eine Spannung in dem Bereich zwischen 14,7 N und 39,2 N an den genannten Draht (32) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Aufschlämmung (52) in einem Bereich von 92 bis 175 mPa·s liegt und dass die Temperatur der genannten Aufschlämmung (52) zwischen 25°C und 30°C geregelt wird, um die Viskosität der Aufschlämmung (52) zu kontrollieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung, zur Herstellung von Seltenerdmetall-Legierungsscheiben und zur Herstellung von Seltenerdmetallmagneten mit einer Drahtsäge.
Es wurde bereits ein Verfahren zum Schneiden einer Siliciumbramme mit einer Drahtsäge entwickelt, um die Bramme zu einer großen Anzahl von Wafern (Scheiben) zu zerschneiden. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentpublikation JP H 068234 A beschrieben. Bei diesem Verfahren kann eine große Anzahl von Wafern (Scheiben), die jeweils eine konstante Dicke haben, gleichzeitig von einer Bramme abgeschnitten werden durch Schneiden der Bramme mit einem laufenden Mehrfachdraht unter gleichzeitiger Zufuhr einer gewissen Menge einer Aufschlämmung, die Schleifmittelkörner enthält (Drahtsäge-Verfahren vom freien Schleifmittelkorn-Typ).
Alternativ wird nach einem bekannten Verfahren eine Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung beispielsweise unter Verwendung einer rotierenden Schneideklinge in Scheiben zerschnitten. Ein solches Verfahren, bei dem eine Schneideklinge verwendet wird, führt jedoch zu einer unerwünscht großen Schnittbreite, weil die Schneide einer Schneideklinge dicker ist als ein Draht. Wegen dieser unerwünscht großen Schnittbreite stellt ein solches Verfahren eine ineffektive Ausnutzung wertvoller Ressourcen dar.
Eine Seltenerdmetall-Legierung ist geeignet für die Verwendung als Magnetmaterial. Ein solcher Magnet hat eine große Vielzahl von Anwendungen gefunden und wird heute in großem Umfang für verschiedene Typen von elektronischen Geräten verwendet. Unter den heutigen Umständen ist es sehr erwünscht, die Herstellungskosten des Seltenerdmetallmagneten drastisch zu verringern. Die Kosten könnten beträchtlich vermindert werden, wenn eine große Anzahl von Wafern (Scheiben) gleichzeitig aus einer Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung so hergestellt werden könnte, dass die Schnittbreite herabgesetzt werden kann durch Verwendung einer Drahtsäge und dass jeder Wafer (jede Scheibe) eine konstante Dicke hat.
Schwingspulenmotoren, die wichtige Anwendungen von Seltenerdmetallmagneten sind, werden heute in immer geringeren Größen hergestellt. Daher muss die Dicke eines Seltenerdmetallmagneten, der für diese Anwendung eingesetzt wird, beträchtlich verringert werden, verglichen mit denjenigen, wie sie früher erforderlich waren. Es wäre daher vorteilhaft, wenn ein für einen Schwingspulenmotor verwendeter Seltenerdmetallmagnet mit einer Drahtsäge mit einer geringen Schnittbreite hergestellt werden könnte.
Bisher hat jedoch niemand über das erfolgreiche Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung unter Anwendung eines praktikablen Drahtsäge-Verfahrens berichtet. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben versuchsweise eine Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung mit einer Drahtsäge vom freien Schleifkorn-Typ zerschnitten. Dabei haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass, da eine Rohrleitung mit einer darin zirkulierenden Aufschlämmung innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne durch feines Pulver und Schleifbruchstücke (d. h. Schleifstaub oder Schleifschlamm), die beim Sägen mit einem Draht auftreten, verstopft wird, dem Draht keine Aufschlämmung zugeführt werden konnte, was zu Folge hatte, dass der Draht gegebenenfalls zerbrach. Wenn die Aufschlämmung jeweils nach mehreren Stunden vollständig ersetzt wurde, um dieses Problem zu vermeiden, musste das Sägen mit dem Draht unterbrochen werden, während die Aufschlämmung ersetzt wurde. Eine solche Bearbeitung ist daher für die Massenproduktion nicht geeignet und es ist praktisch unmöglich, eine solche Bearbeitung in der Praxis durchzuführen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben außerdem festgestellt, dass, da die Aufschlämmung sich in der Schnittrille leicht absetzte, der Schnittwiderstand beträchtlich anstieg und als Folge davon der Draht noch mehr dazu neigte, zu zerspringen (zerbrechen). Der Schlamm kann leicht aus der Schnittrille ausgetragen werden, wenn die Viskosität der Aufschlämmung auf einen bestimmten Wert herabgesetzt wird. Nach den von den Erfindern durchgeführten Versuchen hatten jedoch Schleifkörner in der Aufschlämmung eine geringere Neigung, an dem Draht zu haften, wenn die Viskosität der Aufschlämmung geringer wurde, sodass es nicht möglich war, eine harte, schwer zu schneidende Seltenerdmetall-Legierung wirksam zu schneiden. Es wurde daher gefunden, dass die Viskosität der Aufschlämmung kontrolliert (gesteuert) werden muss.
Außerdem wurde gefunden, dass die Schnittgenauigkeit beträchtlich abnahm, weil während des Schneidevorgangs häufig verschiedene unerwünschte Betriebsfehler auftraten. So löste sich beispielsweise der Draht häufig von den Walzen (Rollen) ab, um die der Draht gewickelt war, weil der Schlamm auch dazu neigte, sich auf den Rillen der Rollen (Walzen) abzusetzen. Keines dieser Probleme wurde bisher jedoch beim Schneiden einer Silicium- oder Glasbramme unter Anwendung eines konventionellen Drahtsäge-Verfahrens beobachtet.
Im Allgemeinen umfasst eine Seltenerdmetall-Legierung eine starre tetragonale Phase und eine viskose, an Seltenerdmetallen reiche Phase. Das Schneiden einer solchen Seltenerdmetall-Legierung ist schwierig, verglichen mit dem Schneiden von Silicium. Deshalb muss an den Draht eine verhältnismäßig hohe Spannung angelegt werden, wenn eine Seltenerdmetall-Legierung mit einer Drahtsäge geschnitten werden soll. Wenn die Drahtspannung zu groß gemacht wird, werden jedoch die Walzen zum Antreiben des Drahtes belastet, was zu einem Abrieb an den Walzen führt. Insbesondere kann sich der Schlamm aus einer Seltenerdmetall-Legierung, welche die Neigung hat, zu aggregieren, auf den Rillen der Walzen ablagern. Dadurch wird der Abrieb der Walzen als Folge der Drahtspannung weiter erhöht.
Wenn die Drahtspannung gering gemacht wird, wird der Abrieb der Walzen vermieden. Die Planarität (Flachheit) einer Schnittfläche eines Werkstücks nimmt dadurch jedoch ab. Dies führt zu einer Abnahme der Schnittgenauigkeit, sodass das resultierende Werkstück für die praktische Verwendung ungeeignet ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Möglichkeit der Herstellung von Walzen aus einem Metallmaterial untersucht. Sie haben jedoch gefunden, dass Metallwalzen nicht verwendbar waren, weil der Draht auf den Metallwalzen rutschte.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1. Ein solches Verfahren ist aus der US 5,564,409 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung anzugeben, mit deren Hilfe der Abrieb (Verschleiß) der Walzen unterdrückt werden kann, um einen kontinuierlichen Langzeit-Betrieb zu gewährleisten und die Planarität der Schnittfläche zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmetallmagneten unter Anwendung des Verfahrens zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung anzugeben.
Zur Lösung der obigen Problematik schlägt die vorliegende Erfindung Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 11 und 12 vor.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung umfasst das Schneiden eines zu bearbeitenden Werkstücks (Gegenstand) unter gleichzeitiger Zuführung einer dispergierte Schleifmittelkörner (Schleifkörner) enthaltenden Aufschlämmung zwischen einem Draht und dem zu bearbeitenden Werkstück. Der Draht wird mit einem Antriebselement angetrieben, wobei mindestens eine Drahtkontaktfläche des Antriebselements aus einem organischen Polymermaterial besteht, das Kautschuk und ein Elastomer umfasst, und das Schneiden wird durchgeführt, während an den Draht eine Spannung in dem Bereich zwischen 14,7 und 39,2 N angelegt wird, wobei die Viskosität der Aufschlämmung in einem Bereich von 92 bis 175 mPa·s und die Temperatur der Aufschlämmung zwischen 25°C und 30°C geregelt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Stufen: Sammeln der Aufschlämmung, die den Schlamm enthält, der während des Schneidens des zu bearbeitenden Werkstückes entsteht, um den Schlamm aus der Aufschlämmung zu entfernen, und Durchführung einer Temperatur-Kontrolle bei der Aufschlämmung mit dem daraus entfernten Schlamm.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Seltenerdmetall-Legierung ein R-Fe-B-Seltenerdmetall-Sintermagnet (worin R für ein Seltenerdmetallelement einschließlich Y steht).
Vorzugsweise wird der Schlamm mit einem magnetischen Separator aus der Aufschlämmung entfernt. Der magnetische Separator erzeugt vorzugsweise ein Magnetfeld von 0,3 Tesla oder mehr in einem Bereich, in dem der Schlamm entfernt wird.
Vorzugsweise wird die Seltenerdmetall-Legierung geschnitten, während die Seltenerdmetall-Legierung in Bezug auf den Draht von oben nach unten bewegt (abgesenkt) wird.
Vorzugsweise wird die Seltenerdmetall-Legierung in eine Vielzahl von Blöcken aufgeteilt und diese werden aneinander befestigt und mindestens ein Teil der Zufuhr der Aufschlämmung erfolgt durch die Spalte (Zwischenräume) zwischen der Vielzahl von Blöcken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Einrichtung zur Zuführung der Aufschlämmung zu dem Draht in einer Position stromaufwärts in der Drahtlaufrichtung, bezogen auf das zu bearbeitende Werkstück, angeordnet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebselement eine Walze aus einem Urethan-Kautschuk vom Ester-Typ.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmetallscheiben(-platten) umfasst die Stufen: Herstellung einer Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung und Abschneiden einer Vielzahl von Seltenerdmetall-Legierungsplatten(-scheiben) von der Bramme nach irgendeinem der vorgenannten Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmetallmagneten umfasst die Stufen: Herstellung eines Seltenerdmetallmagneten durch Pressen eines Seltenerdmetall-Legierungspulvers und Sintern eines Presslings sowie Abschneiden einer Vielzahl von Magneten von dem Seltenerdmetallmagneten nach irgendeinem der oben genannten Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung.
Kurze Beschreibung der verschiedenen Darstellungen der Zeichnungen
1 stellt ein Fließdiagramm dar, welches das Verfahren zur Herstellung eines Nd-Fe-B-Permanentmagneten erläutert;
2A zeigt eine Frontansicht der Blöcke von Brammen, die an einer Arbeitsplatte befestigt sind; und
2B stellt eine Seitenansicht derselben dar.
3A stellt eine perspektivische Ansicht dar, die den Hauptabschnitt einer Drahtsäge-Vorrichtung erläutert; und
3B stellt eine Frontansicht derselben dar.
4A stellt eine axiale Querschnittsansicht einer Hauptwalze dar; und
4B stellt eine axiale Querschnittsansicht dar, die in einem größeren Maßstab einen Teil einer zylindrischen Muffe (Hülse) erläutert, die auf dem äußeren Umfang der Hauptwalze vorgesehen ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Aufschlämmungs-Zirkulationssystem der Drahtsäge-Vorrichtung erläutert.
6 stellt eine perspektivische Ansicht dar, die einen magnetischen Separator erläutert, der für die Drahtsäge-Vorrichtung vorgesehen ist.
7 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Durchbiegung eines Drahtes erläutert.
8 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Viskosität der Aufschlämmung und der Durchbiegung des Drahtes erläutert.
9 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Werkstück-Schnittgeschwindigkeit und der Planarität der Schnittfläche des Werkstücks erläutert.
10 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Tiefe der Rillen einer Hauptwalze und der Häufigkeit der Drahtbrüche erläutert.
11 zeigt ein Diagramm, das die Änderung des spezifischen Gewichts der Aufschlämmung mit dem Ablauf der Zeit während des Sägens für drei Stärken des Magnetfeldes in dem magnetischen Separator erläutert.
12 zeigt ein Diagramm, das erläutert, wie die Welligkeit (Planarität) des Werkstücks und der Walzenverschleiß von der Spannung des Drahtes abhängen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass dann, wenn eine Seltenerdmetall-Legierung mit einer Drahtsäge geschnitten wird, der Schlamm aus der Seltenerdmetall-Legierung, der während der Bearbeitung entsteht, sich in der Aufschlämmung schnell absetzt und innerhalb einer kurzen Zeitspanne aggregiert. Auf der Basis dieses Ergebnisses haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung dieses Phänomen als einen Hauptfaktor der Verhinderung der praktischen Anwendung des Schneidens einer Seltenerdmetall-Legierung mit einer Drahtsäge angesehen. Wenn der aggregierte Schlamm die Zirkulation der Aufschlämmung in einer Rohrleitung mit darin zirkulierender Aufschlämmung einer Drahtsäge-Vorrichtung unterbricht, wird die Rohrleitung, in der die Aufschlämmung zirkuliert, verstopft. Es ist daher unmöglich, einen kontinuierlichen Langzeit-Betrieb durchzuführen, wenn die Aufschlämmung nicht häufig ersetzt wird.
Der Schlamm fällt aus und aggregiert, wahrscheinlich weil das spezifische Gewicht eines Seltenerdmetallelements und von Eisen als Komponenten einer Seltenerdmetall-Legierung größer ist als dasjenige eines Dispergiermediums (beispielsweise eines Öls) der Aufschlämmung. Ein Dispergiermedium, das eine vergleichsweise hohe Viskosität aufweist, wird als Dispergiermedium für die Aufschlämmung ausgewählt, sodass die Schleifkörner, die ein höheres spezifisches Gewicht als das Dispergiermedium haben, in der Aufschlämmung gut dispergiert werden. Die spezifischen Gewichte von SiC, von Diamant und von Aluminiumoxid (Al₂O₃), die üblicherweise als Schleifkörner verwendet werden, liegen in einem ungefähren Bereich von etwa 3 bis etwa 4. Das spezifische Gewicht des Schlammes, der gebildet wird, wenn Silicium oder Quarzglas mit einer Drahtsäge geschnitten wird, beträgt ebenfalls etwa 3 bis etwa 4. Wenn daher eine Siliciumbramme oder Quarzglasbramme unter Anwendung eines Drahtsäge-Verfahrens geschnitten wird, werden der Schlamm ebenso wie die Schleifkörner in der Aufschlämmung gleichförmig dispergiert und er setzt sich kaum ab und aggregiert nicht. Es wurden daher keine ernsthaften Probleme wegen einer solchen Ausfällung oder Aggregation verursacht.
Das Problem der Aggregation des Schlammes könnte gelöst werden durch Erhöhung der Viskosität der Aufschlämmung, weil der Schlamm aus einer Seltenerdmetall-Legierung in diesem Falle in der Aufschlämmung einheitlicher dispergiert werden könnte. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch auf der Basis von Versuchsergebnissen gefunden, dass verschiedene Probleme, wie z. B. ein Brechen des Drahtes, immer noch auftreten, selbst wenn die Viskosität der Aufschlämmung erhöht wurde. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass der Schnittwiderstand einer Seltenerdmetall-Legierung weit höher ist als beispielsweise derjenige von Silicium. Im Hinblick auf diese Tatsachen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Viskosität der Aufschlämmung absichtlich auf einen niedrigeren Wert eingestellt als üblich, um dadurch den Austragswirkungsgrad des Schlammes zu erhöhen und den Schnittwiderstand der Seltenerdmetall-Legierung zu verringern. Es wurde ferner entschieden, den Schlamm von der Aufschlämmung abzutrennen und zu entfernen durch ein Magnetfeld unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Schlammes einer Seltenerdmetall-Legierung. Insbesondere ist der Schlamm zwar schwer zu dispergieren, er wird jedoch leicht von einem Magneten angezogen. Durch Anwendung dieser Maßnahmen kann eine Verstopfung innerhalb einer Zirkulations-Rohrleitung vermieden werden, die Aufschlämmung braucht nicht mehr so häufig ersetzt zu werden und die Schneidevorrichtung kann für eine wesentlich längere Zeitspanne kontinuierlich betrieben werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn der Legierungsschlamm von dem Magnetfeld angezogen wird, der Schlamm einen starken Widerstand erfährt durch die Viskosität des Öls in der Aufschlämmung. Erfindungsgemäß ist jedoch die verwendete Viskosität der Aufschlämmung verhältnismäßig niedrig und es wird ein starkes Magnetfeld angewendet, um den Schlamm anzuziehen. Der Schlamm kann daher wirksam und auf praktikable Weise abgetrennt werden.
Außerdem wird die an den Draht angelegte Spannung so eingestellt, dass sie innerhalb des Bereiches zwischen 14,7 und 39,2 N liegt. Durch diese Einstellung wird verhindert, dass die Walzen aufgrund der Drahtspannung abgenutzt werden, und darüber hinaus kann eine Seltenerdmetall-Legierung unter Beibehaltung einer hohen Planarität der Schnittflächen in dünne Scheiben geschnitten werden.
Erfindungsgemäß wird ferner die Temperatur der Aufschlämmung so kontrolliert (eingestellt), dass sie innerhalb eines vorgegebenen Bereiches (beispielsweise zwischen 25°C und 30°C) liegt, um zu verhindern, dass die Temperatur in Abhängigkeit von der während des Schneideverfahrens entstehenden Wärme variiert. Wenn die Temperatur der Aufschlämmung beim Schneiden ansteigt, ändert sich die Viskosität der Aufschlämmung gegenüber dem Wert bei Raumtemperatur, was zu einer Verschlechterung der Dispergier/Austrags-Eigenschaften des Schlammes führt. Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch Kontrolle (Steuerung) der Temperatur der Aufschlämmung, sodass eine hohe Bearbeitungs-Genauigkeit erzielt werden kann und über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden kann.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Zuerst wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Seltenerdmetall-Legierungs-Scheiben beschrieben. Bei dieser Ausführungsform kann eine ternäre Seltenerdmetalllegierungs-Verbindung Nd-Fe-B, die hauptsächlich aus Neodym (Nd), Eisen (Fe) und Bor (B) besteht, verwendet werden. Alternativ kann eine Seltenerdmetalllegierungs-Verbindung verwendet werden, in der Dy (Dysprosium) und Co (Kobalt) jeweils einen Teil von Nd und einen Teil von Fe in Nd-Fe-B ersetzen. Magnete vom Nd-Fe-B-Typ sind bekannt als sehr starke Seltenerdmetallmagnete mit einem maximalen Energie-Produkt, das 320 kJ/m³ übersteigt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Bramme aus Nd-Fe-B wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Fließdiagramm der 1 kurz beschrieben. Bezüglich näherer Einzelheiten über die Zusammensetzung einer Seltenerdmetall-Legierung als Magnetmaterial und eines Verfahrens zur Herstellung desselben vgl. beispielsweise die US-Patente Nr. 4 770 723 und 4 792 368 .
Zuerst werden in der in 1 dargestellten Stufe S1 die Ausgangsmaterialien in einem vorgegebenen Verhältnis der Mol-Fraktionen genau eingestellt. Dann werden in der Stufe S2 die Ausgangsmaterialien in einem Hochfrequenz-Schmelzofen im Vakuum oder in einer Argongas-Atmosphäre geschmolzen. Die geschmolzenen Ausgangsmaterialien werden in eine wassergekühlte Form gegossen, wodurch eine Ausgangsmaterial-Legierung in dem vorgegebenen Verhältnis hergestellt wird. Danach wird in der Stufe S3 die Ausgangsmaterial-Legierung pulverisiert zur Herstellung eines feinen Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 3 bis etwa 4 μm. Anschließend wird in der Stufe S4 das feine Pulver in eine Matrizen(Gesenk)-Anordnung eingeführt und in einem Magnetfeld gepresst. Während dieser Pressstufe wird das Pressen durchgeführt, nachdem das feine Pulver erforderlichenfalls mit einem Schmier- bzw. Gleitmittel gemischt worden ist. Dann wird in der Stufe S5 ein Pressling aus dem Legierungspulver bei etwa 1000°C bis etwa 1200°C gesintert. Danach wird in der Stufe S6 eine Alterungs-Wärmebehandlung bei etwa 600°C durchgeführt, um die Koerzitivkraft des Magneten zu erhöhen. Auf diese Weise kann eine Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung hergestellt werden. Die Größe der Bramme beträgt beispielsweise 30 mm × 50 mm × 60 mm.
In der Stufe S7 wird die Bramme aus der Seltenerdmetall-Legierung zerschnitten und bearbeitet, wodurch die Bramme zu einer Vielzahl von dünnen Scheiben zerschnitten wird (diese Scheiben werden manchmal als ”Substrate” und manchmal als ”Wafer” bezeichnet). Bevor die Stufen ab der Stufe S8 beschrieben werden, wird nachstehend im Detail ein Verfahren zum Schneiden der Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung nach dem erfindungsgemäßen Drahtsäge-Verfahren näher beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf die 2A und 2B. Zuerst wird eine Vielzahl von Brammen 20, die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, mit einem Klebstoff 22 aus beispielsweise einem Epoxyharz miteinander verbunden. Die Brammen 20 werden an einer Eisen-Arbeitsplatte 26 befestigt, nachdem diese Brammen aufeinandergestapelt worden sind, unter Bildung einer Vielzahl von Blöcken 24a bis 24c. Die Arbeitsplatte 26 und die Blöcke 24a bis 24c werden ebenfalls mit dem Klebstoff 22 miteinander verbunden. Insbesondere werden Trägerplatten 28 aus Kohlenstoff als Dummy zwischen die Arbeitsplatte 26 und jeden der Blöcke 24a bis 24c gelegt. Die Kohlenstoff-Trägerplatten 28 werden auch mit der Arbeitsplatte 26 und den Blöcken 24a bis 24c mit dem Klebstoff 22 verbunden. Die Kohlenstoff-Trägerplatten 28 werden mit einer Drahtsäge zerschnitten, nachdem die Blöcke 24a bis 24c zerschnitten worden sind und bis die Arbeitsplatte 26 das Absenken stoppt. Das heißt, die Trägerplatten 28 fungieren als Dummy zum Schützen der Arbeitsplatte 26.
Bei dieser Ausführungsform ist die Größe jedes der Blöcke 24a bis 24c so gestaltet, dass sie etwa 100 mm beträgt, gemessen in der durch den Pfeil A in 2A angegebenen Richtung (nachstehend wird diese Richtung als ”Drahtlaufrichtung” bezeichnet). Da die Größe jeder Bramme 20, gemessen in der Drahtlaufrichtung, bei dieser Ausführungsform etwa 50 mm beträgt, wird jeder der Blöcke 24a bis 24c hergestellt durch Aufeinanderstapeln eines Paares von Brammen 20, die in der Drahtlaufrichtung seitlich nebeneinander liegend angeordnet sind.
In der vorstehenden Beschreibung werden die Brammen 20, die an der Arbeitsplatte 26 befestigt sind, kollektiv als ”Werkstück” bezeichnet. Durch Aufteilen dieses Werkstückes in eine Vielzahl von Blöcken können die folgenden Effekte erzielt werden.
Wenn die Größe der Masse des Werkstücks in der Drahtlaufrichtung so groß ist, dass sie den maximalen Abstand übersteigt, den die Aufschlämmung erreichen kann, dann kann die Aufschlämmung nicht in ausreichendem Maße einigen der Regionen des zu schneidenden Werkstücks zugeführt werden. Als Folge davon tritt möglicherweise ein Brechen des Drahtes auf. Da jedoch das Werkstück bei dieser Ausführungsform in Blöcke 24a bis 24c einer geeigneten Größe unterteilt ist, kann die Aufschlämmung in die Zwischenräume zwischen den Blöcken 24a bis 24c eingeführt werden und deshalb kann das Problem einer unzureichenden Zuführung der Aufschlämmung gelöst werden. Dies erlaubt auch den Austrag des Schlammes, wenn der Draht die Zwischenräume zwischen den Blöcken passiert. Die Schnittausbeute ist daher verbessert.
Bei dieser Ausführungsform sind zwei Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 auf der Oberseite der Arbeitsplatte 26 angeordnet zur Einführung der Aufschlämmung in die Zwischenräume zwischen den Blöcken 24a bis 24c. Frische Aufschlämmung wird aus den schlitzförmigen Düsen 29a (allgemein auch als Öffnungen bezeichnet) der Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 nach unten gesprüht. Der auf dem Draht abgelagerte Schlamm kann durch die Aufschlämmung abgewaschen werden, die aus den schlitzförmigen Düsen 29a zwischen den Blöcken zugeführt wird. Die Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 erhalten aus einem Aufschlämmungs-Vorratstank (nachstehend beschrieben) frische Aufschlämmung, die keinen Schlamm enthält, oder Aufschlämmung, aus welcher der Schlamm entfernt worden ist. Die Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 weisen beispielsweise eine Doppelrohr-Struktur auf. Die Breite jedes der Schlitze 29a ist so gestaltet, dass sie sich in Längsrichtung ändert, um die Aufschlämmung gleichförmig zuzuführen. Der Aufbau einer Aufschlämmungs-Zuführungs-Vorrichtung, die als Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 verwendbar ist, ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentpublikation JP H07-195358 A beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist das Werkstück auf die vorstehend beschriebene Weise in eine Vielzahl von Blöcken unterteilt. Die Größe jedes der Blöcke 24a bis 24c, gemessen in der Draht-Laufrichtung, ist jedoch variabel mit der Viskosität der Aufschlämmung und der Draht-Laufgeschwindigkeit. Die Anzahl und Anordnung der Brammen 20, die einen Block aufbauen, sind ebenfalls variabel mit der Größe jeder Bramme 20. Das Werkstück sollte daher in geeigneter Weise in Blöcke mit einer unter Berücksichtigung dieser Faktoren optimalen Größe unterteilt sein. Bei dieser Ausführungsform sind die Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 auf der Oberseite der Arbeitsplatte 26 angeordnet. Alternativ können sie auf der Unterseite der Arbeitsplatte 26 angeordnet sein, um die Aufschlämmung den Zwischenräumen zwischen den Blöcken 24a bis 24c zuzuführen.
Nachstehend wird der Hauptabschnitt 30 der Drahtsäge-Vorrichtung, die bei dieser Ausführungsform vorzugsweise verwendet wird, unter Bezugnahme auf die 3A und 3B beschrieben. Diese Drahtsäge-Vorrichtung umfasst drei Hauptwalzen 34a bis 34c, um die ein einzelner Draht 32 in zahlreichen Windungen herumgewickelt ist. Unter diesen Walzen sind die beiden Hauptwalzen 34a und 34b in der Drahtsäge-Vorrichtung drehbar gelagert, sie sind jedoch nicht direkt mit irgendeiner Antriebseinrichtung, beispielsweise einem Motor, verbunden. Diese Walzen fungieren somit als gekoppelte Antriebswalzen. Dagegen steht die andere Hauptwalze 34c mit einer Antriebseinrichtung, beispielsweise einem Motor (nicht dargestellt) in Verbindung, empfängt die gewünschte Rotationskraft von der Antriebseinrichtung und kann mit einer festgelegten Geschwindigkeit rotieren. Die Hauptwalze 34c überträgt die Rotationskraft auf die beiden anderen Hauptwalzen 34a und 34b mittels des Drahtes 32 und fungiert daher als Antriebswalze.
Der Draht 32 wird entsprechend der Rotation der Hauptwalzen 34a bis 34c geführt und er tritt aus einer Spule (nicht dargestellt) aus und wird auf eine andere Spule (ebenfalls nicht dargestellt) aufgewickelt, während er sich entweder hin- und hergehend oder in einer Richtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (beispielsweise 600 bis 1000 m/min) bewegt.
Nachstehend wird die Konfiguration der Hauptwalzen 34a bis 34c unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. Auf der Oberfläche jeder der Hauptwalzen 34a bis 34c ist eine Muffe (Hülse) 62 vorgesehen. Eine Vielzahl von V-förmigen Rillen 64 ist in einem vorgegebenen Abstand auf dem äußeren Umfang der Muffe 62 (auf dem äußeren Umfang jeder der Hauptwalzen 34a bis 34c) angeordnet. Der Draht 32 wird so um die Hauptwalzen 34a bis 34c herumgewickelt, dass er in den Rillen 64 liegt. Der Umwicklungsabstand des Drahtes 32 wird definiert durch den Abstand der Rillen. Bei dieser Ausführungsform wird der Abstand auf etwa 2,0 mm eingestellt. Der Abstand wird bestimmt in Abhängigkeit von der Dicke der dünnen Scheiben (Platten) die durch Schneiden der Brammen erhalten werden sollen. Deshalb werden Walzen 34a bis 34c mit mehreren Rillen, die einen geeigneten Abstand (Ganghöhe) aufweisen, ausgewählt und zweckmäßig verwendet. Die Muffe 62 haftet an dem äußeren Umfang eines zylindrischen Halters 60 und kann zusammen mit dem Halter 60 rotieren. Die 3A und 3B zeigen einen Zustand, in dem ein einzelner Draht 32 entlang einer großen Anzahl von Rillen 64 der Hauptwalzen 34a bis 34c aufgewickelt ist.
Bei dieser Ausführungsform besteht der Oberflächenabschnitt jeder Walze (die Muffe 62) aus einem Urethan-Kautschuk vom Ester-Typ (einem harten Elastomer), einem organischen Polymermaterial. Bei einer anderen Vorrichtung zum Schneiden einer Siliciumbramme mit einer Drahtsäge besteht die Muffe aus einem Urethan-Kautschuk vom Ether-Typ, sodass die Rillen mit hoher Präzision hergestellt werden können. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch aufgrund von Versuchs-Ergebnissen gefunden, dass eine Muffe aus einem Urethan-Kautschuk vom Ether-Typ sehr leicht dazu neigt, im Hinblick auf die bei dieser Ausführungsform verwendete Aufschlämmung aufzuquellen und die Abriebsbeständigkeit der Walzen in nachteiliger Weise zu verringern. Daher ist eine solche Muffe nur bei einem etwa 10-stündigen kontinuierlichen Betrieb verwendbar und daher weit davon entfernt, praktisch einsetzbar zu sein. Die bei dieser Ausführungsform verwendete Aufschlämmung enthält vorzugsweise ein Tensid oder ein Dispergiermittel in einer verhältnismäßig niedrigen Konzentration. Daher scheint der Kautschuk mit einer solchen Aufschlämmung leichter aufzuquellen, obgleich der Urethan-Kautschuk vom Ether-Typ mit der zum Schneiden einer Siliciumbramme mit einer Drahtsäge verwendeten Aufschlämmung nicht aufquillt. Ein Urethan-Kautschuk vom Ester-Typ mit einer hohen Härte ist verhältnismäßig teuer. Dieser Kautschuk sollte jedoch verwendet werden, um bei Verwendung der Aufschlämmung dieser Ausführungsform einen kontinuierlichen Langzeitbetrieb zu ermöglichen. Wenn die Hauptwalzen unter Verwendung des Urethan-Kautschuks vom Ester-Typ hergestellt werden, kann die Vorrichtung für einen langen Zeitraum kontinuierlich betrieben werden, ohne dass im wesentlichen ein Problem in Bezug auf die Quellung auftritt. Durch die Verwendung dieses Materials wird auch eine Störung in Bezug auf das Herausspringen des Drahtes aus den Rillen vermieden, die bei Metallwalzen häufig auftritt.
Die auf den Hauptwalzen 34a bis 34c dieser Ausführungsform gebildeten V-förmigen Rillen 64 haben eine Tiefe von 0,3 mm oder mehr. Beim Schneiden einer Siliciumbramme mit einer anderen Vorrichtung wird die Tiefe der Rillen höchstens auf etwa 0,2 mm eingestellt. Wenn jedoch eine eine viskose Phase enthaltende Bramme, beispielsweise eine Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung, mit Hauptwalzen, die diese flachen Rillen aufweisen, bearbeitet wird, biegt sich der Draht in einem großen Umfang durch und er springt häufig aus den Rillen. Als Folge davon bricht der Draht, weil benachbarte Teile des Drahtes miteinander in Kontakt kommen. Wenn dagegen die Tiefe der Rillen auf 0,3 mm oder mehr festgelegt wird, kann dieses Problem eliminiert werden.
Wenn die Oberflächen der Walzen zu hart sind, besteht die Neigung, dass der Draht auf den Oberflächen der Walzen leicht rutscht. Dieses Rutschen kann manchmal den Grad des Abriebs der Walzen erhöhen. Durch Verwendung eines Urethan-Kautschuks vom Ester-Typ, der eine mittlere Härte hat, kann diese Störung des Abriebs der Walzen wirksam unterdrückt werden.
Der Draht wird aus einem harten gezogenen Stahldraht (beispielsweise Klavierdraht) hergestellt und seine Dicke wird so festgelegt, dass sie in dem Bereich von etwa 0,06 bis etwa 0,25 mm liegt. Der Draht kann aus einer Legierung, beispielsweise Ni-Cr und Fe-Ni, einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie W und Mo oder einem Bündel von Nylon-Fasern bestehen. Die Schleifkörner können aus einem nicht-magnetischen Material wie SiC, Diamant, Aluminiumoxid (Al₂O₃), B, C, CBN (kubischem Bornitrid) oder dgl. hergestellt sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 3A und 3B wird während des Schneideverfahrens das Werkstück gegen einen Abschnitt des laufenden Drahtes 32 gepresst, der zwischen den Hauptwalzen 34a und 34b gespannt ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Aufschlämmung an mindestens drei Punkten dem Draht 32 zugeführt werden, von denen zwei den schlitzförmigen Düsen 29a der Aufschlämmungs-Zuführungs-Rohrleitungen 29 entsprechen, die innerhalb und oberhalb der Arbeitsplatte 26 angeordnet sind, um die Aufschlämmung durch die Zwischenräume zwischen den Blöcken zuzuführen. Der andere Aufschlämmungs-Zuführungspunkt ist eine Düse 36a (allgemein auch als Öffnung bezeichnet), die auf der linken Seite des Werkstückes in der 3B angeordnet ist (stromaufwärts in der Draht-Laufrichtung A). Gegebenenfalls kann die Aufschlämmung nicht nur aus diesen Düsen 29a und 36a, sondern auch aus einer Düse 36b (ebenfalls allgemein als Öffnung bezeichnet) zugeführt werden, die stromabwärts in der Drahtlaufrichtung A angeordnet ist.
Bei dieser Ausführungsform sind Einrichtungen zur Zuführung der Aufschlämmung zu einem Draht (in dem erläuterten Beispiel die Düsen 29a, 36a und 36b) in Positionen stromaufwärts und stromabwärts in der Drahtlaufrichtung, bezogen auf die Blöcke 24a bis 24c, angeordnet. Daher werden die Walzen mit einem Teil der aus den Düsen aufgesprühten Aufschlämmung gewaschen und auch der an der Oberfläche des Drahtes haftende Schlamm kann mit der Aufschlämmung weggewaschen werden, bevor der Schlamm die Walzen erreicht. Auf diese Weise wird ein Abrieb der Walzen vermieden.
Bei dieser Ausführungsform wird die Zusammensetzung der Aufschlämmung so eingestellt, dass die Viskosität der Aufschlämmung bei 25°C in dem Bereich von 92 bis 175 mPa·s liegt. Ein für die Aufschlämmung verwendetes Dispergiermedium kann gereinigtes Mineralöl als eine Hauptkomponente, einen Ester (25 bis 35%), ein Antikorrosions-Additiv (1% oder weniger) und ein Extremdruck-Additiv (1% oder weniger) enthalten. Als Dispergiermedium für die Aufschlämmung kann auch ein anderes Material als ein Öl, z. B. eine wasserlösliche Glycol-Lösung, verwendet werden.
Da bei dieser vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine Aufschlämmung mit einer niedrigen Viskosität verwendet wird, kann der in einer in die Seltenerdmetall-Legierung eingeschnittenen Rille gebildete Schlamm schnell aus der eingeschnittenen Rille herausfließen (d. h. der Austrags-Wirkungsgrad ist hoch) und er kann aus dem Bereich, der geschnitten wird, ausgestoßen werden. Das heißt mit anderen Worten, sie weist ein gutes Reinigungsvermögen auf. Daher wird der Lauf des Drahtes durch den Schlamm in der eingeschnittenen Rille nicht sehr beeinträchtigt und die Probleme, die im Zusammenhang mit einem Drahtbruch auftreten als Folge der Erhöhung des Schneidwiderstandes, können gelöst werden. Außerdem kann durch Verwendung einer Aufschlämmung mit einer niedrigen Viskosität die durch den laufenden Draht zu den Hauptwalzen transportierte Schlammmenge herabgesetzt werden. Als Folge davon kann auch die Ablagerung des Schlammes in den Rillen der Hauptwalzen unterdrückt werden. Infolgedessen kann ein Brechen des Drahtes verhindert werden und der Draht kann nach Beendigung aus dem Werkstück leicht gelöst werden, nachdem das Schneiden beendet worden ist. Außerdem wird durch eine solche Aufschlämmung der Schneideabschnitt wirksam gekühlt und dadurch wird die Schleifwirkung der Schleifkörner an dem Werkstück weiter verbessert.
Nachstehend wird die 3B erläutert. Während des Werkstück-Schneidens wird die Arbeitsplatte 26 entlang des Pfeils D mittels einer Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (beispielsweise 0,3 bis 1,0 mm/min) nach unten bewegt (abgesenkt), sodass das an der Arbeitsplatte 26 befestigte Werkstück gegen den in horizontaler Richtung (entlang des Pfeils A) laufenden Draht 32 gepresst wird. Durch Zuführung einer ausreichenden Menge Aufschlämmung zwischen dem Werkstück und dem Draht 32 wird der Schlamm zwischen dem Werkstück und dem Draht 32 ausgetragen, sodass das Werkstück kontinuierlich geschnitten werden kann. Wenn die Arbeitsplatte 26 mit einer höheren Geschwindigkeit gesenkt wird, kann die Schnittgeschwindigkeit verbessert werden. Da jedoch der Schneidewiderstand in einem solchen Fall zunimmt, besteht die Gefahr, dass der Draht 32 Wellen bildet und dass die Planarität der Schnittfläche des Werkstücks möglicherweise abnimmt. Wenn die Planarität der Schnittfläche des Werkstücks abnimmt, nimmt die zur Durchführung des Schleifens während einer nachfolgenden Verfahrensstufe erforderliche Zeit zu oder es werden mangelhafte Produkte in höherem Prozentsatz gebildet. Es ist daher erforderlich, die Absenkgeschwindigkeit oder die Schnittgeschwindigkeit des Werkstückes auf einen geeigneten Bereich einzustellen.
Wenn das Werkstück nach unten bewegt wird, durchschneidet der Draht 32, der in einem vorgegebenen Abstand (Ganghöhe) aufgewickelt ist, das Werkstück in Form einer Mehrfachdraht-Säge, wodurch gleichzeitig eine große Anzahl von eingeschnittenen Rillen in dem Werkstück gebildet wird, und die Tiefe der Rillen mit fortschreitender Bearbeitung zunimmt. Wenn die eingeschnittenen Rillen jede Bramme vollständig durchquert haben, ist der Schneidevorgang bei der Bramme beendet. Als Folge davon wird eine große Anzahl von Wafern (Scheiben), die jeweils eine durch die Ganghöhe der Drahtlinien und die Dicke des Drahtes bestimmte Dicke haben, gleichzeitig von der Bramme abgeschnitten. Nachdem alle Brammen 20 zerschnitten worden sind, wird die Arbeitsplatte 26 durch die Antriebseinrichtung entlang des Pfeils D angehoben. Danach werden die jeweiligen Blöcke von der Arbeitsplatte 26 entfernt und dann werden die abgeschnittenen Wafer (Scheiben) aus jedem Block entnommen.
Bei dieser Ausführungsform wird die Spannung des Drahtes während des Schneidevorganges so eingestellt, dass sie innerhalb des Bereiches zwischen 14,7 und 39,2 N liegt. Wenn die Drahtspannung die Obergrenze dieses Bereiches übersteigt, verbessert sich die Planarität der Schnittfläche des Werkstückes, der Verschleiß der Walzen nimmt jedoch weiter zu. Wenn die Drahtspannung weniger als 14,7 N beträgt, nimmt die Planarität der Schnittfläche des Werkstückes ab. Der Grund dafür, warum die Drahtspannung vorzugsweise auf einen Wert innerhalb des oben angegebenen Bereiches eingestellt werden sollte, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 12 im Detail beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird das Schneiden durchgeführt, während das Werkstück von einer Position oberhalb des Drahtes 32 abgesenkt wird. Daher sind die Brammen 20, die bereits zerschnitten worden sind, noch mit dem Klebstoff 22 mit der Arbeitsplatte 26 verbunden und sie werden zusammen mit der Arbeitsplatte 26 abgesenkt. Das heißt mit anderen Worten, die Brammen 20, die bereits zerschnitten worden sind, sind unterhalb des Drahtes 32 angeordnet. Dementsprechend werden selbst dann, wenn die abgeschnittenen Teile des Werkstückes sich ablösen oder von dem Werkstück abfallen, diese Teile von einer Sammelgrube 37 aufgenommen (vgl. 5) und sie kommen niemals wieder mit dem Draht 32 in Kontakt. Auf diese Weise werden die bereits abgeschnittenen Legierungsscheiben in die nächste Verfahrensstufe überführt unter Aufrechterhaltung einer hohen Qualität.
Durch das Durchführen des Schneidens, während das Werkstück von einer Position oberhalb des Drahtes 32 wie vorstehend beschrieben abgesenkt wird, wird ein weiterer Vorteil erzielt. Das heißt, der beim Schneiden des Werkstücks gebildete Schlamm, der ein höheres spezifisches Gewicht hat als Silicium, kann aus den Schnittrillen durch die Schwerkraft leicht ausgetragen werden. Dadurch wird die Belastung vermindert, die auf den Draht einwirkt, wenn das Werkstück von dem Draht entfernt wird und dies trägt zu einer Unterdrückung des Verschleißes der Walzen bei.
Da das Werkstück von oben gegen den Draht 32 gepresst wird, wird der Draht 32 in eine Richtung verformt, die zu einer Verlängerung des Abschnitts des Drahtes 32 führt, der mit den Walzen 34a, 34b in Kontakt steht, um die der Draht 32 herumgewickelt ist. Da die Kontaktfläche zwischen den Walzen 34a, 34b und dem Draht 32 zunimmt, ist das Auftreten eines Rutschens des Drahtes 32 weniger wahrscheinlich und die Anpresskraft pro Einheitskontaktfläche des Drahtes 32 gegen die Walzen 34a, 34b nimmt ab. Die Abnahme der Anpresskraft des Drahtes 32 trägt dazu bei, dass ein Verschleiß (Abrieb) der Walzen verhindert wird.
Nachstehend werden einzelne Parameter, beispielsweise die Geschwindigkeit des Drahtes, die Viskosität der Aufschlämmung und die Werkstück-Schnittgeschwindigkeit unter Bezugnahme auf die 7 bis 12 beschrieben.
Die 7 erläutert die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Drahtes (d. h. der Geschwindigkeit, mit der der Draht aufgewickelt wird oder läuft) und der Durchbiegung des Drahtes (Durchmesser 0,18 mm ⌀). Der Versuch wurde durchgeführt, während die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück abgesenkt wurde, auf einen im wesentlichen konstanten Wert in dem Bereich von 15 bis 25 mm/h eingestellt wurde. Die Viskosität der in diesem Versuch verwendeten Aufschlämmung betrug 110 mPa·s bei 25°C. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnliche Ergebnisse wie die in 7 dargestellten erhalten wurden, wenn die Werkstück-Absenkgeschwindigkeit in dem Bereich von 15 bis 30 mm/h lag.
Wenn das Schneiden des Werkstücks mit einem Draht nicht ausreichend glatt abläuft, nimmt die Durchbiegung des Drahtes zu. Dies bedeutet, dass der Schneidewiderstand des Werkstücks groß ist und das Werkstück nicht mit einem zufriedenstellenden Wirkungsgrad geschnitten werden kann. Das bedeutet anders ausgedrückt, dass dann, wenn die Durchbiegung des Drahtes gering ist, das Werkstück mit einem guten Wirkungsgrad geschnitten werden kann. Wie in 7 dargestellt, kann die Durchbiegung auf 8 mm oder weniger unterdrückt werden, während die Drahtgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 420 bis 760 m/min liegt. Andererseits steigt die Durchbiegung schnell an, wenn die Drahtgeschwindigkeit außerhalb des Bereiches von 420 bis 760 m/min liegt. Wenn die Drahtgeschwindigkeit ansteigt, nimmt die Tiefe des Einschnitts (d. h. die Tiefe eines Teils aus der Seltenerdmetall-Legierung, die geschnitten wird und durch die Schleifkörner auf dem Draht geschliffen wird) bis zu einem gewissen Grade zu. Wenn jedoch die Schnittgeschwindigkeit zu stark erhöht wird, kann keine ausreichende Menge Aufschlämmung auf dem Draht verbleiben und die Tiefe des Einschnitts nimmt im Wesentlichen ab. Wenn die Drahtgeschwindigkeit in dem Bereich von 500 bis 670 m/min liegt, stellt sich die Durchbiegung auf einen Minimalwert ein. Daher wird die Drahtgeschwindigkeit vorzugsweise auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 420 bis 760 m/min, besonders bevorzugt innerhalb des Bereiches von 500 bis 670 m/min, eingestellt.
Die 8 erläutert die Beziehung zwischen der Viskosität der Aufschlämmung und der Durchbiegung des Drahtes. Wie in 8 dargestellt, beträgt die Durchbiegung 14 mm oder weniger und die Schnittausbeute ist zufriedenstellend, wenn die Viskosität der Aufschlämmung bei 25°C in dem Bereich von 92 bis 175 mPa·s liegt. Insbesondere dann, wenn die Viskosität der Aufschlämmung bei 25°C in dem Bereich von 110 bis 150 mPa·s liegt, beträgt die Durchbiegung 8 mm oder weniger und die Schnittausbeute erreicht einen noch vorteilhafteren Wert. Wenn die Viskosität der Aufschlämmung hoch ist, neigt der Schlamm aus der Seltenerdmetall-Legierung dazu, sich innerhalb der Schnittrillen des Werkstückes abzulagern. Dementsprechend steigt der Schnittwiderstand, während die Schnittausbeute abnimmt. Als Folge davon nimmt die Durchbiegung des Drahtes in nachteiliger Weise zu. Im Hinblick auf diese Faktoren wird die Viskosität der Aufschlämmung bei 25°C auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 92 bis 175 mPa·s, besonders bevorzugt innerhalb des Bereiches von 110 bis 150 mPa·s, eingestellt.
Die 9 erläutert die Beziehung zwischen der Werkstück-Schneidegeschwindigkeit und der Planarität der Schnittfläche des Werkstücks. Die Schneidegeschwindigkeit entspricht der Absenkgeschwindigkeit des Werkstücks oder der Arbeitsplatte. Wie in 9 dargestellt, wird die Planarität der Schnittfläche des Werkstücks schlechter, wenn die Werkstück-Schneidegeschwindigkeit zunimmt. Wenn die Planarität 0,030 mm übersteigt, nimmt der Bearbeitungs-Wirkungsgrad insgesamt ab im Hinblick auf die für eine nachfolgende Polierstufe erforderliche Zeit. Daher beträgt die Planarität vorzugsweise 0,030 mm oder weniger und die Werkstück-Schneidegeschwindigkeit wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Planarität der bearbeiteten Fläche 0,030 mm oder weniger beträgt. Daher wird bei dieser Ausführungsform die Werkstück-Schneidegeschwindigkeit vorzugsweise auf 29 mm/h oder weniger eingestellt.
Die 10 erläutert die Beziehung zwischen der Tiefe der Rillen einer Hauptwalze und der Häufigkeit der Drahtbrüche, bestimmt als Häufigkeit pro Monat (T/M). Wie in der 10 dargestellt, nimmt die Häufigkeit der Drahtbrüche ab, wenn die Tiefe der Rillen 0,3 mm oder mehr beträgt. Wenn die Tiefe der Rillen einer Hauptwalze 0,5 mm oder mehr beträgt, ist die Möglichkeit eines Drahtbruches beträchtlich niedriger. Wenn die Tiefe der Rillen 0,6 mm oder mehr beträgt, tritt kaum noch ein Drahtbruch auf. Daher muss die Tiefe der Rillen in der Praxis 0,3 mm oder mehr betragen und vorzugsweise beträgt sie 0,5 mm oder mehr, besonders bevorzugt 0,6 mm oder mehr. Obgleich in der 10 nicht dargestellt, treten pro Monat 15 Drahtbrüche oder mehr auf, wenn die Tiefe der Rillen weniger als 0,3 mm beträgt.
In der 11 wird anhand eines Diagramms die Änderung des spezifischen Gewichts der Aufschlämmung mit dem Ablauf der Zeit während des Sägens bei drei Magnetfeldstärken in dem magnetischen Separator erläutert. Es ist bekannt, dass das spezifische Gewicht der Aufschlämmung um so größer ist, je höher die Konzentration an Seltenerdmetall-Legierungsschlamm in der Aufschlämmung ist. Im Hinblick auf dieses Phänomen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung analysiert, wie die Konzentration des Schlammes mit der Betriebsdauer der Vorrichtung zunimmt. In der 11 sind die Daten in Bezug auf die folgenden drei Fälle dargestellt. Nämlich der Fall, bei dem der magnetische Separator nicht verwendet wird, mit ∎ dargestellt; der Fall, bei dem ein magnetischer Separator mit einem an die Oberfläche der Trommel angelegten Magnetfeld von 0,1 Tesla verwendet wird, dargestellt durch ♦; und der Fall, bei dem ein magnetischer Separator, bei dem ein Magnetfeld von 0,3 Tesla an die Oberfläche der Trommel angelegt wird, verwendet wird, dargestellt durch
. Die Viskosität der in diesem Versuch verwendeten Aufschlämmung beträgt 110 mPa·s bei 25°C. Wie aus der 11 ersichtlich, wird das spezifische Gewicht der Aufschlämmung bei einem im wesentlichen konstanten Wert von etwa 1,5 gehalten, wenn das an die Oberfläche der Trommel angelegte Magnetfeld 0,3 Tesla beträgt. Dies bedeutet, dass der Schlamm in ausreichendem Maße abgetrennt und gesammelt worden ist und deshalb ein kontinuierlicher Langzeit-Betrieb durchgeführt werden kann, ohne dass die Aufschlämmung vollständig ersetzt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Magnetfeld weniger als 0,1 Tesla beträgt, der Draht bricht, nachdem die Bearbeitung 4 h lang durchgeführt worden ist, was dem Effekt entspricht, der erhalten wird, wenn kein magnetischer Separator verwendet wird.
Die 12 erläutert in Form eines Diagramms, wie die Welligkeit (Planarität) einer Werkstück-Schnittfläche und der Walzen-Abrieb von der Drahtspannung abhängen. In der 12 repräsentiert die durchgezogene Linie, welche die Markierungen ”∎” verbindet, die Planarität einer Werkstück-Schnittfläche in Abhängigkeit von der Drahtspannung und die gestrichelte Linie, welche die Markierungen ”♦” verbindet, repräsentiert den Walzenabrieb in Abhängigkeit von der Drahtspannung. Die linke y-Achse repräsentiert die Planarität einer Werkstück-Schnittfläche, während die rechte y-Achse den Walzenabrieb darstellt. Je kleiner der Wert für die ”Planarität” ist, umso geringer ist der Grad der Wellenbildung der Schnittfläche. Unter dem hier verwendeten Ausdruck ”Walzenabrieb” ist der Abrieb (Verschleiß) des äußeren Umfangs der Walze (der Fläche der Walze, die mit dem Draht in Kontakt kommt) zu verstehen, der auftritt, wenn der Draht den Boden der V-förmigen Rille der Walze abreibt, was zur Bildung einer Y-förmigen tiefen Rille im Querschnitt führt. In diesem Diagramm ist der Grad des Walzenabriebs dargestellt durch die Tiefe einer neu gebildeten Rille ab dem Boden der V-förmigen Rille nach unten während einer vorher festgelegten Zeitspanne. Die Einzelheiten der in der 12 dargestellten Daten sind in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Drahtspannung (μm) Werkstückplanarität (μm) Walzenabrieb (μm)

9,8 35 1

14,7 15 0,5

19,6 5 0,2

24,5 2 0,1

29,4 3 0,5

34,3 5 1,2

39,2 8 3

44,1 13 8
Bei dem Versuch wurde eine Aufschlämmung mit einer Viskosität bei 25°C von etwa 100 mPa·s dem in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit von 640 m/min laufenden Draht zugeführt. Der Kerndurchmesser des Drahtes betrug 0,18 mm ⌀. Die verwendeten Walzen hatten einen Durchmesser von 170 mm und der Oberflächenabschnitt (die Draht-Kontaktfläche) derselben war aus einem Urethan-Kautschuk vom Ester-Typ hergestellt. Die V-förmigen Rillen, die sich auf dem Walzen-Oberflächenabschnitt jeder Walze bildeten, wiesen eine Tiefe von 0,3 mm und eine Breite von 0,2 mm auf. Das Werkstück wurde mit einer konstanten Druck-Belastung zum Schneiden gegen den Draht gepresst.
Die in der Aufschlämmung dispergierten Schleifkörner bestanden aus SiC mit einer mittleren Korngröße von 20 bis 28 μm. Das Gewichtsverhältnis von Öl (d. h. Dispergiermedium) zu Schleifkörnern in der Aufschlämmung betrug 1:1,1 (Öl: Schleifkörner).
Bei dem Versuch wurde eine Drahtsäge-Vorrichtung (MWM-444) der Firma NIPPEI TOYAMA Co., Ltd. verwendet. Dem Draht wurde durch ein permanentes Gewicht eine festgelegte Spannung verliehen und er war um die Walzen gewickelt. Die Spannung des Drahtes wurde mit einer Belastungszelle gemessen, die an einer Welle einer Führungsrolle angeordnet war, die den Draht zwischen der Hauptwalze 34c und einem Drahthalteabschnitt führte.
Wie aus der 12 ersichtlich, wird die Planarität der Werkstück-Schnittfläche besser, wenn die Drahtspannung zunimmt, während der Walzenabrieb steigt. Wenn der Walzenabrieb steigt, wirkt ein stärkerer Widerstand auf den Draht ein als Folge einer auf der Oberfläche der Walze gebildeten tiefen Y-förmigen Rille und als Folge davon neigt der Draht stärker zum Brechen. Ein Walzenabrieb tritt zuerst auf, wenn der Draht gegenüber der Walze rutscht, und nimmt dann zu. Bei dem Versuch wurde ein kontinuierlicher Schneidevorgang zunehmend schwieriger, wenn der Walzenabrieb 4 μm überstieg. Im Hinblick darauf wird die Drahtspannung vorzugsweise auf 39,2 N oder weniger eingestellt.
Wenn die Drahtspannung übermäßig klein gemacht wird, übersteigt die Planarität der Werkstück-Schnittfläche 20 μm. Bei diesem Wert für die Planarität ist es schwierig, den resultierenden Magneten für einen Schwingspulenmotor und dgl. zu verwenden. Im Hinblick darauf wird die Drahtspannung vorzugsweise auf 14,7 N oder mehr eingestellt.
Aufgrund der oben genannten Versuchsergebnisse wurde gefunden, dass beim Schneiden einer starren, etwas viskosen Seltenerdmetall-Legierung, beispielsweise eines Sintermagneten vom R-T-(M)-B-Typ (worin R für ein Seltenerdmetallelement einschließlich Y, T für Fe oder ein Gemisch von Fe und Co, M für ein zusätzliches Element und B für Bor stehen) die Drahtspannung vorzugsweise auf einen Wert eingestellt wird, der in dem Bereich zwischen 14,7 N und 39,2 N liegt. Wenn es erwünscht ist, die Planarität der Werkstück-Schnittfläche weiter zu verbessern und den Walzenabrieb weiter zu unterdrücken, liegt die Drahtspannung besonders bevorzugt in dem Bereich zwischen 19,6 N und 34,3 N.
Die Genauigkeit des Schneidens wurde bewertet für die Fälle, in denen die Aufschlämmung einer Temperatur-Kontrolle unterworfen wurde bzw. nicht unterworfen wurde. Wenn keine Temperatur-Kontrolle durchgeführt wurde, stieg die Temperatur der Aufschlämmung beim kontinuierlichen Betrieb an und erreichte schließlich 60°C. Durch den Temperaturanstieg erreichte die Viskosität der Aufschlämmung einen Wert außerhalb des bevorzugten Bereiches. Dadurch wurde das Schleifvermögen der Schleifkörner gegenüber dem zu bearbeitenden Gegenstand verringert und außerdem wurde der Austrags-Wirkungsgrad des Schlammes herabgesetzt. Darüber hinaus wurde dadurch die Haftung der Schleifkörner an dem Draht vermindert, d. h. die Menge an Schleifkörnern, die auf dem Draht vorhanden waren, nahm ab. Aus diesen Gründen stieg die Durchbiegung des Drahtes auf bis zu etwa 15 mm. Die Planarität der Werkstück-Schnittfläche und damit der Parallelismus der von dem Werkstück abgeschnittenen Stücke nahm ab. Wenn die Temperatur der Aufschlämmung weiter ansteigt, nimmt die Durchbiegung des Drahtes noch mehr zu, was vermutlich dazu führt, dass die Schnittgenauigkeit deutlich abnimmt.
Wenn dagegen die Temperatur der Aufschlämmung unter Verwendung des Temperatursensors und der vorstehend beschriebenen Kühlvorrichtung auf etwa 30°C eingestellt (kontrolliert) wurde, stieg die Durchbiegung des Drahtes nicht stark an, sondern variierte nur innerhalb eines kleinen Bereiches von 5 bis 10 mm. Als Folge davon war die Planarität der Werkstück-Schnittfläche zufriedenstellend und eine hohe Schnittgenauigkeit wurde für eine lange Zeitspanne aufrechterhalten.
Die obige Bewertung der Schnittgenauigkeit die abhängig davon ist, ob eine Temperatur-Kontrolle durchgeführt wurde oder nicht, wurde unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen durchgeführt wie oben in Bezug auf den Versuch beschrieben, wobei das in 12 dargestellte Diagramm erhalten wurde. In dem Versuch zur Bewertung der Schnittgenauigkeit betrug die Drahtspannung 24,5 N und die Werkstück-Absenk-Geschwindigkeit betrug 0,3 mm/min. In diesem Versuch wurde die Temperatur der Aufschlämmung irgendwo in der zweiten Zirkulations-Rohrleitung 46 bestimmt, wie aus der 5 ersichtlich. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Versuchsergebnisse wurde gefunden, dass die Schnittgenauigkeit während des kontinuierlichen Betriebs abnehmen kann, wenn die Aufschlämmung keiner Temperatur-Kontrolle unterworfen wird, selbst wenn die Viskosität der Aufschlämmung bei Raumtemperatur innerhalb eines geeigneten Viskositäts-Bereiches liegt und der Schlamm aus der Seltenerdmetall-Legierung mit dem magnetischen Separator aus der Aufschlämmung gut entfernt wird.
Wie in der 1 dargestellt, werden die durch Schneiden auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Seltenerdmetall-Legierungs-Scheiben durch Schleifen fertig bearbeitet zur Einstellung der Größe und Gestalt. Danach werden in der Stufe S8 die Seltenerdmetall-Legierungs-Scheiben einer Oberflächen-Behandlung unterzogen zur Verbesserung der Langzeit-Zuverlässigkeit. In der Stufe S9 wird eine Magnetisierung durchgeführt. Nach dem Durchlaufen eines Test-Verfahrens ist dann ein Neodym-Permanentmagnet fertig.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung die Planarität einer Schnittfläche verbessert und der Walzenabrieb wird unterdrückt auch in den Fällen, in denen das Werkstück aus einer Seltenerdmetall-Legierung, das geschnitten werden soll, einen großen Schneidewiderstand ausübt und sich der gebildete Schlamm aus der Seltenerdmetall-Legierung leicht aggregiert. Infolgedessen ist ein kontinuierlicher Betrieb der Drahtsäge möglich, wobei eine hohe Produktions-Ausbeute erzielt wird.
Bei der oben genannten Ausführungsform wurde ein Nd-Fe-B-Seltenerdmetall-Legierungs-Magnetmaterial als zu bearbeitender Gegenstand verwendet. Der Grund dafür ist folgender: ein Sintermagnet vom R-T-(M)-B-Typ (worin R für ein Seltenerdmetallelement einschließlich Y, T für Fe oder ein Gemisch von Fe und Co, M für ein zusätzliches Element und B für Bor stehen), beispielsweise ein Nd-Fe-B-Sintermagnet, umfasst eine starre tetragonale R₂T₁₄B-Verbindung und eine viskose, an Seltenerdmetall reiche Phase. Das Schneiden dieses Materials ist besonders schwierig. Es war daher zu erwarten, dass dieses Material die günstigen Effekte der vorliegenden Erfindung am signifikantesten aufweisen würde. Andere Seltenerdmetall-Legierungen weisen ebenfalls die vorstehend angegebenen Eigenschaften auf, wonach der Schneidewiderstand groß ist und der Schlamm aus dieser Legierung sich leicht aggregiert. Es ist daher klar, dass praktisch die gleichen Effekte wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angegeben auch dann erhalten werden, wenn irgendwelche anderen Seltenerdmetall-Legierungen als zu bearbeitender Gegenstand verwendet werden.
Wenn die Seltenerdmetallmagnete nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, ist die Schnittbreite geringer, verglichen mit dem Schneiden einer Bramme aus einer Seltenerdmetall-Legierung unter Verwendung einer Schneideklinge. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet zur Herstellung von dünneren Magneten (mit einer Dicke von beispielsweise 0,5 bis 3,0 mm). Neuerdings wird die Dicke eines für einen Schwingspulenmotor verwendeten Seltenerdmetallmagneten zunehmend geringer. Wenn ein solcher dünner Seltenerdmetallmagnet, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, an einem Schwingspulenmotor befestigt wird, kann ein Hochleistungs-Schwingspulenmotor mit einer geringeren Größe hergestellt werden.
Erfindungsgemäß wird beim Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung mit einer Drahtsäge das Brechen des Drahtes verhindert, Störungen durch den Walzenabrieb werden beseitigt und außerdem kann die Vorrichtung für einen viel längeren Zeitraum kontinuierlich betrieben werden.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, es ist jedoch für den Fachmann auf diesem Gebiet klar, dass die beschriebene Erfindung in vielerlei Weise modifiziert werden kann und dass auch viele andere Ausführungsformen als die vorstehend angegebenen und beschriebenen vorliegen können. Die nachfolgenden Patentansprüche umfassen daher alle Modifikationen der Erfindung, die innerhalb des Geistes und des Rahmens der Erfindung liegen.

Claims

Verfahren zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung, das die Stufen umfasst: Schneiden eines zu bearbeitenden Gegenstandes unter Verwendung eines Schneidedrahtes (32), während zwischen dem genannten Schneidedraht (32) und dem genannten Gegenstand eine dispergierte Schleifmittelkörner (Schleifkörner) enthaltende Aufschlämmung (52) zugeführt wird, wobei der genannte Draht (32) mit einem Antriebselement angetrieben wird, wobei mindestens eine Drahtkontaktfläche des genannten Antriebselements aus einem organischen Polymermaterial besteht, und das Schneiden durchgeführt wird, während eine Spannung in dem Bereich zwischen 14,7 N und 39,2 N an den genannten Draht (32) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Aufschlämmung (52) in einem Bereich von 92 bis 175 mPa·s liegt und dass die Temperatur der genannten Aufschlämmung (52) zwischen 25°C und 30°C geregelt wird, um die Viskosität der Aufschlämmung (52) zu kontrollieren.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufen umfasst: Sammeln der genannten Aufschlämmung (52), die den während des Schneidens des Gegenstands gebildeten Schlamm enthält, zur Entfernung des Schlammes aus der genannten Aufschlämmung (52) und Durchführung einer Temperatur-Kontrolle bei der genannten Aufschlämmung (52), aus der der genannte Schlamm entfernt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der genannte Gegenstand ein R-Fe-B-Seltenerdmetall-Sintermagnet ist, worin R für ein Seltenerdmetallelement einschließlich Y steht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schlamm mit einem magnetischen Separator (50) aus der genannten Aufschlämmung (52) gesammelt (entfernt) wird.
Verfahren nach Anspruch 4, worin der genannte magnetische Separator (50) ein Magnetfeld von 0,3 Tesla oder mehr in einem Bereich erzeugt, in dem der Schlamm gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die genannte Seltenerdmetall-Legierung geschnitten wird, während sie von einer Position oberhalb des genannten Drahtes (32) zu einer Position unterhalb des genannten Drahtes (32) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die genannte Seltenerdmetall-Legierung in eine Vielzahl von Blöcken (24a, 24b, 24c) aufgeteilt wird, die aneinander befestigt sind, und mindestens ein Teil der genannten Aufschlämmung (52) durch die Zwischenräume zwischen den genannten Blöcken (24a, 24b, 24c) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zur Zuführung der genannten Aufschlämmung (52) zu dem genannten Draht (32) in einer Position stromaufwärts der Drahtlaufrichtung, bezogen auf den zu bearbeitenden Gegenstand, angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Aufschlämmungs-Zuführungsöffnung dafür geeignet ist, die Aufschlämmung (52) dem genannten Draht (32) in einer Position stromaufwärts in der Drahtlaufrichtung, bezogen auf den zu bearbeitenden Gegenstand, zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das genannte Antriebselement eine Walze (34c) aus einem Urethan-Kautschuk vom Ester-Typ ist.
Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmetall-Legierungs-Scheiben, das die Stufen umfasst: Herstellung einer Bramme (20) aus einer Seltenerdmetall-Legierung und Abtrennen einer Vielzahl von Seltenerdmetall-Legierungsscheiben von der Bramme (20) unter Anwendung des Verfahrens zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung nach Anspruch 1.
Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmetallmagneten, das die Stufen umfasst: Herstellung eines Seltenerdmetallmagneten durch Pressen und Sintern eines Seltenerdmetall-Legierungspulvers und Abtrennen einer Vielzahl von Magneten von dem genannten Seltenerdmetallmagneten durch Anwendung des Verfahrens zum Schneiden einer Seltenerdmetall-Legierung nach Anspruch 1.