JP2012525264A - 砥粒が部分的に金属ワイヤー中に埋め込まれ、かつ有機バインダーにより部分的に保持されたソーワイヤー - Google Patents

Abstract

砥粒（２０）を備えたソーワイヤー（１００、１１０、１２０、１３０）が提示され、前記粒子（２０）が、前記金属コア（１４）に部分的に埋め込まれ、かつ前記有機バインダー層（３０）に部分的に埋め込まれている。前記ワイヤー（１００、１１０、１２０、１３０）の利点は、金属バインダー層（３０）の適用を回避できることである。金属バインダー層は、固定砥粒ソーワイヤーのコストを増し、多くの場合、健康問題と安全問題を引き起こす。これは、有機バインダー層の使用により回避できる。更に砥粒を金属ワイヤーに良好に固定する利点が保持される。種々の実施形態が、金属ワイヤーへの種々の埋め込み程度により提示される。

Description

本発明は、硬脆材料を切るための、砥粒がその外面に取り付けられた金属ワイヤーに関する。粒子は、部分的に金属に埋め込まれ、かつ部分的に高分子バインダー層に埋め込まれることによりワイヤーに固定される。固定砥粒ソーワイヤーは、切断ロス（ｋｅｒｆ ｌｏｓｓ）が低いこと望ましく、かつ表面又は表面下の損傷が制限されることが望ましい高価な材料の切断に特に好適である。

高価な硬脆材料を切断するのに、ワイヤーソーが、内径回転ソーブレード（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓａｗｉｎｇ ｂｌａｄｅ）に徐々に取って代わりつつある。そのような材料の例は、石英（例えば水晶発振器又はマスクブランクス用）、ケイ素（例えば集積回路ウェハ又は太陽電池用）、ゲルマニウム（例えばガリウムヒ素太陽電池用基板として）、ガリウムヒ素（高周波回路用）、炭化ケイ素又はサファイヤ（例えば青色発光ダイオード又は青色発光ダイオード基板用）、希土類磁性合金（例えば記録ヘッド用）等である。この発展の駆動力の１つは、プロセス中の切断ロスを減らそうという要望である。「切断ロス」は、（高価な）材料の摩耗による材料損失である。従って、切断ロスの減少は、材料のよりよい使用とかなりの金銭上の節約をもたらす。

前世紀の終わりに、１ブロックの材料から薄片（ウェハと呼ばれる）を切り出すことができるマルチワイヤーソーが開発された（例えばＧＢ１３９７６７６参照）。そのようなマルチワイヤーソーでは、１本の金属ワイヤー（用語「マルチワイヤー」ソーと紛らわしい）が、鋸引きの間、ワイヤーウェブ中で、ワイヤーを相互に平行に保持するワイヤーガイドにより誘導される。しかしながら、鋸引きするのは、ワイヤー自身ではなく、プロセスに加えられた砥材である。

砥材（通常は炭化ケイ素）を懸濁させた粘性担体（通常は、ポリエチレングリコール）の形で、砥材をワイヤーに添加することができる。この混合物は、「スラリ」と呼ばれる。ワイヤーは、その回転時に、砥材を切断に引き込む担体を同伴する。砥材は、ワイヤーと材料の間に突き出て、回転しながら材料ブロックを研削する。これは、一種の「第三体摩耗（ｔｈｉｒｄ ｂｏｄｙ ａｂｒａｓｉｏｎ）」である「遊離砥粒ソー」として公知である。材料とワイヤーの双方が摩耗され、これは、ワイヤーの連続的な取り換えを必要とする。また、スラリは、砥粒がその鋭さを失うにつれて劣化する。更に、スラリは材料の削りくずとワイヤーの破片でいっぱいとなり、定期的に新しくしなければならず、これは、環境問題をもたらす。しかし、このプロセスは、材料に対し優しいため、表面下の損傷が重要問題である半導体産業では非常に好まれる。

これらの消耗品を排除する試みにおいて、ワイヤーに砥粒を固定して、「固定砥粒ソーワイヤー」にすることが提案された。このような方法では、ワイヤーと砥材との間の相対運動はゼロであり、それ故、ワイヤーは摩耗しなくなる。ワイヤーと材料との間の相対運動は、（遊離砥粒ソーイングに対して）二倍になり、より効率のよい切断をもたらす。砥材の固定は種々の方法で遂行された。

第一の手段は、ソーイングブレードのような金属系固定研磨工具の製造に精通した技術者が行い、その場合、砥粒、通常はダイヤモンドが、ダイヤモンド粒子を含むニッケル浴からの電気メッキ又は無電解析出により、ニッケルコーティング中に埋め込まれる。例は、ＥＰ０９８２０９４に記載されており、そこでは、ステンレス鋼ワイヤーの実施形態が提示され、金属ワイヤーがダイヤモンドを有するニッケルで被覆される。しかし、金属ニッケル、特にニッケル塩は、発癌性であることが知られているので、ニッケル浴の使用は、健康問題を生じる（ＥＣ指令６７／５４８／ＥＥＣの第３０修正条項参照）。

第二の手段は、ＷＯ９９／４６０７７が例であり、研削工具のろう付に精通する冶金学者が行い、砥材含有ろう付についてのそのノウハウを、ワイヤーを被覆するのに利用した。しかしながら、ろう付は、少なからぬ熱的負荷をワイヤーにもたらし、その結果として、ワイヤーの引張強度の損失をまねく（非常に特殊な金属ワイヤーが基材として使用される場合を除く）。

第三の手段は、砥材用の有機バインダーに関する知識を、固定砥粒ソーワイヤーを製作するのに利用しようとした化学の熟練者により行われた。多数の例があり、ＵＳ６０７０５７０、ＥＰ１０２５９４２及びＷＯ２００５／０１１９１４はそのうちの３つの例である。これは、（通常は金属製の）ワイヤー上に砥材を固定する、コスト効果が高く、効率のよい方法をもたらすが、固定は強くなく、得られる切断速度は、前記の手段で得られるものよりも遅い。表面処理（例えばワイヤーを、例えば真鍮コーティングもしくは銅コーティングで被覆するか、プライマーで被覆する）は、ＵＳ６０７０５７０では、有利であるとみなされている。別の表面処理は、ＪＰ１０３２８９３２で提案され、そこでは、ピアノ線表面が、砥材含有樹脂の塗布前に、サンドブラストにより、粗面化されている。樹脂で包囲された砥粒は、粗面の凹所に収まっても収まらなくてもよい。砥材とワイヤーとの直接接触はない。金属ワイヤー基材の使用に対する顕著な例外は、合成有機繊維（Ｄｙｎｅｍａ（登録商標）、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））が強化部材として使用されるＷＯ２００３／０４１８９９である。

砥粒を金属ワイヤー表皮に組み込もうとした、他の開発された手段は、ＥＰ０２４３８２５とＥＰ００８１６９７である。ＥＰ０２４３８２５には、鋼線材と、間に隙間をあけて線材を包囲するチューブとから出発する固定砥粒ソーワイヤーの製造方法が記載される。この隙間は、金属粉末と砥粒の混合物で充填されている。末端を密封し、線材に、熱処理及び冷間引抜きステップを繰り返して施し、外側チューブをエッチングにより除去した後に、固定砥粒ソーワイヤーが得られる。この方法は、かなりの長さ（１００ｍ超）の固定砥粒ソーワイヤーを製造できないこと、生じたワイヤーの引張強度が相対的に低く（例えば１８００Ｎ／ｍｍ^２未満）、生じたワイヤーが厚すぎる（１ｍｍ）ことが欠点である。

ＥＰ００８１６９７には、ダイヤモンド粒子をワイヤーに付着させる方法及び装置が記載されている。銅層又はニッケル層で被覆されたワイヤーから出発して、１つ又は両方のホイールの反復的軸方向運動によりその軸周りにワイヤーを巻いている硬化ホイール間でダイヤモンド粒子で覆う。その後、電解で施された保護膜により、ダイヤモンドを、適所に固定する。ニッケル及びニッケル塩に伴う健康問題（前掲書中）は別として、ニッケル保護膜を適用するには、連続プロセスラインにメッキ区域を導入する必要がある。ライン及び付属物（ポンピング、管組織、容器）の全長に、相当の長さが付け加えられ、これは、安全対策によって高価な作業となる。

そのため、本発明の第一の目的は、公知技術の問題を解決することである。更に詳細な目的は以下のとおりである。
○ 製品のコストに上乗せされるので、金属保護膜を排除すること。
○ ニッケル保護膜の具体的事例では、健康問題を起こし得るので、ニッケルの保護膜を排除するのが目的である。
○ 砥粒をより良好に保持することにより、ソーワイヤーの有効寿命を延ばすこと。
○ 金属ワイヤーの腐食を減じることにより、ソーワイヤーの有効寿命を延ばすこと。
○ 充分に高い鋸引き速度を備えると共に、鋸引きされる材料の表面又は表面下の損傷が減じられる、滑らかな鋸引きプロセスを得ること。

本発明の第一態様により、固定砥粒ソーワイヤーは、砥粒が取り付けられた金属ワイヤーを備える。この粒子は２通りの方法で固定されている。すなわち、砥粒は、金属ワイヤー中に部分的に埋め込まれ、有機バインダー層によりワイヤーに部分的に保持されている。２通りの完全に異なる固定様式（一方は金属への固定により、他方は有機層との結合による）が使用されることが本発明の態様の１つである。「金属ワイヤー中に部分的に埋め込まれる」ことは、砥粒表面の少なくとも一部が金属ワイヤーと直接に接触することを意味する。砥粒の金属層中への部分的埋め込みは、多数の方法により成し遂げることができる。

これを行う第一の方法は、金属コア上に金属層を電解によって成長させると同時に砥粒を電解成長層中に取り込むことである。粒子がワイヤーに十分に固定されたら直ちに、有機結合層を適用してよい。金属層は、砥粒が浮遊する金属含有電解液から析出させることができる。砥粒が固定されると直ちに、金属層を、追加の浴中で厚くするか、又はワイヤーを濯いで、有機結合層のコーティングのために準備することができる。

部分的に粒子を埋め込む第二の方法は、粒子を金属ワイヤーに付着させるか又は押込むことである。粒子は、押込まれると直ちに、有機結合層によりワイヤーに更に結合される。付着は、例えば、半円形の溝が外周に付いている硬化ホィール２個の間でなされ得る。溝の半径は、押込むべきワイヤーの半径より少し大きい。２つの溝がワイヤーを掴むと同時に、砥粒が、溝とワイヤーとの間の隙間へ送り込まれる。

粒子の付着又は押込みは、金属ワイヤーがコアと前記コアを取り囲む金属シースとを含むならば、容易に達成できる。コアの機能は、主にワイヤーに強度を与えることである。そのため、コアの材料は、少なくともワイヤーの縦方向に高い引張強度を有さねばならない。シースの機能は、砥粒を受容し、保持することである。そのため、シースは、コアより柔らかくなくてはいけない。シースがコアより柔らかいかどうかは、標準ビッカース硬さ試験で容易に測定できる。

好ましくは、コアは、普通炭素鋼からなるが、他の種類の鋼、例えばステンレス鋼は除外されない。鋼は、他の高張力ワイヤー、例えばタングステン、チタン又は他の高強度合金より好まれる。なぜならば、引張程度を、容易に２０００Ｎ／ｍｍ^２超、又は３０００Ｎ／ｍｍ^２超、又は４０００Ｎ／ｍｍ^２超にすらできるからである。現在の限度は約４４００Ｎ／ｍｍ^２である。これは、円形ダイスによるワイヤーの広範囲の冷間加工により達成できる。生じた金属組織構造は、微細な、強伸線パーライト構造である。あるいは、パーライト鋼構造は、熱処理されて、マルテンサイト系構造に変態でき、好ましくはベイナイトを含まない。そのような変態は、多少の追加の延性をワイヤーにもたらすが、強度は損失する。

固定砥粒ソーワイヤーのコア用普通炭素鋼の代表的な組成は、以下のとおりである。
炭素は少なくとも０．７０ｗｔ％であり、上限は、ワイヤーを形成する他の合金化元素（下記参照）に依存する。
マンガンの含有量は、０．３０〜０．７０ｗｔ％である。マンガンは、炭素と同様に、ワイヤーの歪み硬化を増加させ、鋼の製造において脱酸素剤としても作用する。
ケイ素の含有率は０．１５〜０．３０ｗｔ％である。ケイ素は、製造の間、鋼の脱酸素に使用される。ケイ素は、炭素のように、鋼の歪み硬化の増加を促す。
アルミニウム、硫黄（０．０３％未満）、リン（０．３０％未満）のような元素の存在は、最小に保持すべきである。
鋼の残余は、鉄及び他の元素である。
クロム（０．００５〜０．３０ｗｔ％）、バナジウム（０．００５〜０．３０ｗｔ％）、ニッケル（０．０５〜０．３０ｗｔ％）、モリブデン（０．０５〜０．２５ｗｔ％）及び微量のホウ素の存在は、ワイヤーの成形性を改良することができる。そのような合金化は、炭素含有率０．９０〜１．２０ｗｔ％を可能にし、伸線ワイヤーに、４０００ＭＰａより高くなり得る引張強度をもたらす。硬い伸線ワイヤーは、６５０Ｎ／ｍｍ^２より大きいビッカース微小硬度を有する。

好ましいステンレス鋼は、最低１２％のＣｒ及び相当量のニッケルを含有する。更に好ましいステンレス鋼組成物は、容易に微細直径まで伸線できるオーステナイトステンレス鋼である。より好ましい組成物は、ＡＩＳＩ３０２（特に「Ｈｅａｄｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ」ＨＱ）、ＡＩＳＩ３０１、ＡＩＳＩ３０４及びＡＩＳＩ３１４として当技術で公知のものである。「ＡＩＳＩ」は、「米国鉄鋼協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）」の略語である。

金属シースは、コアより柔らかい状態にある任意の金属であってもよい。可能な金属は、網羅的ではないが、鉄、銅、スズ、亜鉛、アルミニウム、ニッケルである。例えば鋼、真鍮、青銅、亜鉛−アルミニウム、銅−ニッケル、銅−ベリリウム等の合金も可能なシース金属である。

シースは、コア最終直径上に施すことができる。あるいは、シースは、中間直径のワイヤーに施した後、ワイヤーを最終直径まで伸線加工することができる。場合により、シースで覆われた中間直径のワイヤーは、熱処理を施された後、更に伸線される。

鋼の硬度は炭素含有量に比例するので、シースは、炭素含有量がコアより低い鉄又は鋼であってよい。より柔らかいシースは、例えば、高炭素ワイヤーの制御された脱炭の結果であり得、又は鉄を電気めっきすることによりコアに装着でき、又はワイヤー上に鉄又は低炭素ホイルをラップコーティングすることによりワイヤーに装着できる。コアは鋼からできており、シースは、鋼又は鉄からできているので、コアとシースとの間の炭素の拡散は容易である。そのようなわけで、ワイヤー中で、高炭素から低炭素への滑らかな移行が可能である。更にこの場合の有機バインダー層の使用は、ワイヤーの貯蔵の間だけでなく、その使用の間も腐食を阻止するという追加的な利点を有する。

この低炭素鋼シースで覆われた高炭素鋼コアの場合については、同時係属のＥＰ０９１５２８４９．７が本願で、明確に参照される。この明細書中の段落１８、２５〜３６に記載の構造的特徴及び段落４９〜５９に記載されるそのようなワイヤーの製法は、本発明にとって特に興味深くかつ重要である。

あるいは、シース金属は、コア金属と合金しないように選択してよい。シースがコアと合金にならないかどうかは、個別に評価されねばならない。しかし、一部の金属カップルは、例えば鋼コアと合金を形成しないことが知られている。そのような鋼コア上の銅シース又は真鍮シースは、合金を形成しないであろう。シース金属が、コア金属と合金にならず、シース金属がコア金属より柔らかく、シース金属が十分に厚い場合に、シース及びコアに伸線を施したら、シース金属とコア金属との間に粗い界面が形成される。機械的連結によりコアとシースの間の接着を改良するので、粗い界面は、特に有利である。

シースは、中間直径のワイヤーにホイルを巻くことにより施すことができ、これは、好ましい方法である。別の好ましい方法は、溶融金属の浴の中を通過させることにより中間直径ワイヤーを被覆することである。この方法は、ワイヤーを、亜鉛（溶融亜鉛メッキ）または亜鉛合金で被覆する（例えば、Ｂｅｋａｅｒｔ社のＢｅｚｉｎａｌ（登録商標）のような亜鉛アルミニウム合金被覆ワイヤー）か、又は銅もしくは銅合金又はスズで被覆するのに特に好適である。ワイヤー中間直径上にシースをコーティングするために最も好ましいのは、シース金属イオンを含有する浴からの電解コーティングによるものである。

勿論、コアとシースの間に粗い界面が存在しない場合も明らかに含まれる。シースで覆う前にコアを適切に洗浄及び前処理することにより相当な注意を払う場合、大抵は、コアとシースの間に十分な接着が得られる。コアとシースの間に滑らかな界面を得るために、シースは、好ましくは、金属イオン含有浴からの電解析出により、最終金属ワイヤー直径に施される。

砥粒は、部分的に金属ワイヤー中に埋め込むことにより、かつ部分的に有機バインダー層に埋め込むことにより適所に保持される。有機バインダー層は、熱硬化性（ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇ）の、熱硬化性（ｔｈｅｒｍｏｈａｒｄｅｎｉｎｇ）とも呼ばれる、有機ポリマー化合物であってよい。又は、バインダー層は熱可塑性ポリマー化合物であってよい。熱硬化性ポリマーは、一旦硬化すると、使用時に温度が更に高くなっても軟化しないので、これらは、この種の用途に更に好ましい。

多数の熱硬化性有機ポリマーが、樹脂と同様に、液体又は粉末の形状で利用できる。例えばワイヤーをオーバーフロー浸漬タンク又は塗装カーテン又は流動床に導くこと等の、当分野で公知の手段によるか、又は、粉体又は液体の静電沈着により、これらを、（砥粒がその上に埋め込まれた）金属ワイヤーに施すことができる。

熱硬化性ポリマーは、金属ワイヤーへ塗布した後に硬化さしなければならない。硬化は、大抵は、樹脂をその硬化温度以上に加熱することにより実施される。硬化温度より上で、ポリマーの架橋がおこり、硬化後に硬い層が残る。硬化の間にワイヤーに施される熱量の合計は、ワイヤーの機械的性質が影響されないように充分低く留めるべきである。このことは、温度を制限し、及び／又は加熱域での滞留時間を制限することにより達成できる。ある種の樹脂、例えばエポキシ樹脂は、硬化反応を進めるのに触媒が必要である。一部の樹脂（例えば、ブロックド一成分型ポリウレタン）は、この化合物中に混合された触媒と共に購入され得る。そして、その触媒は、選択した瞬間に加熱することにより活性化される。又は、硬化は、赤外線、紫外線又は電子ビームなどのエネルギービームの照射により開始できるが、これらの場合、エネルギービームに反応する適切な開始剤、例えばアセトフェノンを使用しなければならない。

本出願に最も好ましい熱硬化性ポリマーは、フェノール樹脂である。好ましいポリマーは、フェノールホルムアルデヒド、メラミンフェノールホルムアルデヒド、又はアクリル系樹脂もしくはメラミンホルムアルデヒドのようなアミノ系樹脂、尿素ホルムアルデヒド、ベンゾグアナミンホルムアルデヒド、グリコールウリルホルムアルデヒド、又はエポキシ樹脂、即ちエポキシアミンである。あまり好ましくないが、それでもなお依然として使用可能なのは、ポリエステル樹脂、即ちエポキシポリエステル、又はビニルエステル、又はアルキド系樹脂である。リストは完全に網羅しているものではなく、他の好適なポリマーを同定することができる。

又は、バインダー層は、充分に高いガラス転移温度（例えば、４０℃超であるが、好ましくは約１００℃超）を有する有機熱可塑性材料であってよい。好ましい熱可塑性ポリマーは、アクリル、ポリウレタン、ポリウレタンアクリレート、ポリアミド、ポリイミド、エポキシである。あまり好ましくないが、それでもなお依然として使用可能なのは、ビニルエステル、アルキド樹脂、シリコン系樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、塩化ビニルポリマーである。熱可塑性結合層は、熱硬化性材料について記載の方法の他に、押出により適用することができる。

有機バインダー層は、鋸引きプロセスの間、摩擦に耐えるために十分硬くなくてはならない。そのため、好ましくは、バインダー層のポリマーは、層の強度を増すか、又は使用時に金属ワイヤーに向けて熱排出を増加させるのを増加させる充填剤を含有する。

この目的のために代表的な充填剤は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、シリカ、酸化クロム、窒化ホウ素、雲母、タルク、炭酸カルシウム、カオリン、粘土、酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛、水酸化マグネシウム、チタン酸カリウム、硫酸マグネシウム、ダイヤモンド粒、金属粉末又はこれらの混合物であってよい。特に好ましい充填材は、ナノスケール粒子の形状のものである。一般的に、これらの粒子は、２００ｎｍより小さいサイズであり、好ましくは５〜１００ｎｍである。酸化アルミニウム及び酸化チタンの粒子は、樹脂中に、１０質量％未満又はさらに５質量％未満、さらに３質量％未満の僅かな質量分率で混入されると、有機樹脂の耐摩耗性に有益な効果を及ぼすので、特に好ましい組成物である。充填剤は、金属ワイヤー中に埋め込まれていない。例えば、促進剤又は安定剤のような他の成分も添加してよい。

有機バインダー層の金属ワイヤーへの接着を助けるために、プライマーを使用できる。単独で使用できるか又は組み合わせて使用できる２つのタイプのプライマーは、無機プライマー及び有機プライマーである。

１つ目のタイプのプライマーは、無機プライマーである。無機プライマーの例は、ケイ酸塩、即ち任意のケイ素無機酸化物ＳｉＯ_Ｘ、リン酸塩又はクロム酸塩である。最も好ましいのは、リン酸マンガン、リン酸鉄又はリン酸亜鉛などのリン酸塩であり、リン酸亜鉛が最も好ましい。

２つ目のタイプのプライマーは、有機プライマーである。この用途で最も好ましいのは、有機官能性シラン、有機官能性ジルコン酸塩及び有機官能性チタン酸塩に基づくプライマーである。有機官能性シランは、以下の式：
Ｙ−Ｒ’−ＳｉＸ_３
（式中、
ＳｉＸ_３は、第一官能基を含み
Ｒ’は、スペーサーを含み、
Ｙは、第二官能基を含む）
を有する。第一官能基ＳｉＸ_３は、ワイヤーの外側金属と結合できる。Ｘは、ケイ素官能基を表し、ケイ素官能基の各々は、−ＯＨ、−Ｒ、−ＯＲ、−ＯＣ（＝Ｏ）Ｒ及びハロゲン、例えば−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｆからなる群から独立して選択され、ここで、−Ｒは、アルキル、好ましくはＣ_１−Ｃ_４アルキル、最も好ましくは−ＣＨ_３及び−Ｃ_２Ｈ_５である。第二官能基Ｙは、結合層のポリマー材料に向けられ、ポリマー材料の少なくとも１つの官能基と結合するか又は相互作用することができる。ポリマー材料の少なくとも１つの官能基と結合又は相互作用できる任意の官能基を第二官能基Ｙとみなすことができる。その例は、以下の基、即ち−ＮＨ_２、−ＮＨＲ’、−ＮＲ’_２、末端不飽和炭素−炭素二重結合基又は末端不飽和炭素−炭素三重結合基、アクリル、メタクリル酸基及びそのメチルエステル又はエチルエステル、−ＣＮ、−ＳＨ、イソシアネート基、チオシアネート基及びエポキシ基の少なくとも１つを含む官能基である。ジルコン酸塩及びチタン酸塩の構造は類似するが、シラン基の代わりに、ジルコン酸塩基又はチタン酸塩基が存在する。

無機プライマー及び有機プライマーを使用する場合、無機プライマーは、常に金属ワイヤー上にあり、有機プライマーは無機プライマー上にある。ワイヤーを、例えばリン酸亜鉛と水の混合物又はアルコール−水をベースとするシラン混合物で満たされた浸漬タンク中に導き、その後乾燥させることにより、無機プライマー又は有機プライマーを金属ワイヤー上へ施すことができる。

砥粒は、例えばダイヤモンド（天然又は人工のダイヤモンド、低価格及び良好な粒子脆砕性のゆえに、後者が若干より好ましい）、立方晶窒化ホウ素又はこれらの混合物などの、超砥粒であってよい。要求があまり厳しくない用途のために、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの「通常」の砥粒を使用することができる。これらは、より軟質であるが、ダイヤモンドよりもかなり安価である。後者のカテゴリーの砥粒を使用する際に、（電解工程によりこれらを析出させるのではなく）押込みにより粒子を部分的にシースに埋め込むケースでは、金属ワイヤーのシースの硬度を考慮すべきである。そのような砥粒については、例えばスズ、アルミニウム及び亜鉛などのシースのための材料は、例えばニッケルよりかなり柔らかいので、より適切である。硬すぎるシースは、押込み時にあまりに多くの粒子を押し潰すであろう。全ての砥粒のうち、人工ダイヤモンドが、最も固いので、最も好まれる。「通常」の砥粒のうち、炭化ケイ素が最も好ましい。

砥粒のサイズは、ワイヤーの直径に多少対応しなければならない。粒子自身のサイズと形状を測定することは、それ自体で技術分野である。粒子は、球状を有さないし、球状を有すべきでないので、本出願の目的のためには、粒子の「直径」ではなくその「サイズ」が参照されよう（直径は、球状を暗示するため）。粒子のサイズは、当分野で公知の任意の測定方法により決定される尺度（μｍで表現される）であり、常に、一番遠い粒子表面上の２点を結ぶ線の長さと、相互に最近接の粒子表面上の２点を結ぶ線の長さとの間のどこかである。

固定砥粒ソーワイヤーについて想定される粒子のサイズは、「微粒（ｍｉｃｒｏｇｒｉｔｓ）」のカテゴリーに属する。微粒のサイズは、マクロ粒（ｍａｃｒｏｇｒｉｔｓ）に慣用である標準篩い分け技術によっては、もはや測定できない。その代わりに、例えばレーザー回折、直接鏡検法、電気抵抗又は光沈降などの他の技術により測定しなければならない。標準ＡＮＳＩ Ｂ７４．２０−２００４は、この方法に関して更に詳細に述べている。本出願の目的のために、粒子サイズを参照する場合、レーザー回折法（又は「小角レーザー光散乱法」とも呼ばれる方法）により測定された粒子サイズが意図される。そのような手順のアウトプットは、平均ｄ_５０サイズ（即ち、粒子の半分がこのサイズより小さく、粒子の半分がこのサイズより大きい）又は一般に「ｄ_ｐ」（但し、粒子の「Ｐ」％はこの「ｄ_ｐ」より小さく、残りの（１００−Ｐ）％は、この「ｄ_ｐ」より大きいサイズである）を有する累積又は微分粒子サイズ分布である。

超砥粒は、通常、篩番号ではなく、準拠標準によりサイズ範囲で特定される。例えば２０〜３０μｍクラスの粒子分布は、２０μｍ（即ち「ｄ_５」）〜３０μｍ（即ち「ｄ_９５」）の粒子を９０％有し、４０μｍ超が１／１０００未満であり、他方平均サイズｄ_５０は、２５．０±２．５μｍでなくてはならない。

経験からいって、金属ワイヤーに粒子を良好に取り付けるためには、平均サイズは、鋼ワイヤーの円周の１／６より小さく、更に好ましくは金属ワイヤーの円周の１／１２より小さくするべきである。その一方で、材料の除去速度（即ち、単位時間当たりに研削される材料の量）が低くなりすぎるので、粒子は小さすぎてはいけない。

粒子の目標カバー率（即ち、砥粒によりカバーされる面積を金属ワイヤーの全周面面積で割ったもの）は、切断予定の材料、到達希望の切断速度又は収得したい表面仕上げに依存する。本発明者は、想定される材料に対して最良の切断能力を有するためには、全面積に対する粒子面積の割合が、１〜５０％、又は２〜２０％、又は更に２〜１０％であるべきことを発見した。

金属ワイヤーと同様に、砥粒を、無機プライマー又は有機プライマー又はその両方で被覆することができる。好適な無機プライマーは、例えばチタン、ケイ素、ジルコニウム、タングステン、クロム又は鉄などの反応性金属である。それらは、粒子上に良好な接着を与える炭化物（ダイヤモンド及び炭化ケイ素の場合）を形成する傾向がある。あるいは、粒子は、銅及びニッケルで被覆することができる。これらは、粒子と反応しないが、良好な熱伝導を与え、かつ有機バインダー層又は有機プライマーであり得る有機のカウンターパートのための良好な足場を提供する。

無機プライマー上に又は裸の粒子それ自体の上に有機プライマーを施すことができる。これらは、前に検討されたのと同じ有機官能性チタン塩、有機官能性ジルコン酸塩及び有機官能性シランである。粒子上のプライマーは、有機バインダー層への砥粒の接着を確実に改良する。

埋め込みの深さは、固定砥粒ソーワイヤーに幾つかの発明的変更を可能にする。第一の好ましい変更では、砥粒は、金属ワイヤー又は（存在する場合は）金属シースに深く埋め込まれる。「深く埋め込まれる」というのは、（平均で）砥粒の平均サイズの２／３より多く金属ワイヤー中に埋め込まれることを意味する。

これは、ワイヤーの切断面を作り、これを磨き上げて、金属組織切断面を作ることにより測定できる。切断及び研磨の間に、（砥粒は研磨するには硬すぎるため）砥粒が窪みから除去されるので、窪みの跡は、Ｕ字形の形状で観察される。ところで、Ｕ字形の深さが、（先端から測り）先端から先端の距離の２/３より大であるならば、粒子は、そのサイズの２/３より深く埋め込まれていたと考えられる。埋め込みの深さは、少なくとも２０の窪みについて評価すべきである。とられた平均は、測定された埋め込み深さの相加平均である。この好ましい実施形態では、有機バインダー層の厚さは、平均粒子サイズの１／３未満である。実際には、これは、好ましくは、１０μｍ未満である。十分な結合を有するために、少なくとも１μｍの有機バインダー層が存在しなければならない。必要とされる有機結合層は、相対的に薄く、平均粒子サイズの約１／３未満である。充分な結合を提供するために、１μｍより厚いことが好ましい。粒子は、主に、下部の柔らかいシース金属により保持される。

別の好ましい実施形態では、砥粒は、金属ワイヤーに浅く埋め込まれているだけである。砥粒のより大きな部分が有機結合層に埋め込まれている。有機バインダー層の厚さは、粒子の平均サイズの少なくとも１／３である。粒子は、金属ワイヤーに僅かだけ埋め込まれている。ワイヤーの圧痕は、平均粒子サイズの最大半分であり、好ましくは平均粒子サイズの最大１／３である。そのような実施態様には、金属ワイヤーの埋め込みが、少なくとも砥粒のヒンジ点を提供し、一方、粒子の大部分はより弾性的な結合層中で保持されるという利点がある。そのような形態により、「ブラシ」効果を得ることができ、先の実施形態よりも一層穏やかな切断ができると信じられる。

粒子の押込みにより、固定砥粒ソーワイヤーを製造する場合、何れの有機バインダーも用いず、粒子を金属ワイヤー上に施した後、被覆及び完全な硬化を行うことができる。又は、有機バインダーをつけた後、粒子を施すことができる。後者の場合は、好ましくは、押込み時の押込みホイールの汚れを防ぐために、最初に金属ワイヤーを有機バインダー層で被覆した後、少し硬化させ、次いで押込み、そしてこのコーティングを完全に硬化させて仕上げる。

最も一般的な形態の固定砥粒ソーワイヤーの断面を概略で示す（第一の好ましい実施形態）。 第二実施形態によるソーワイヤーの概略図を示す。 第三実施形態によるソーワイヤーの概略図を示す。 第四実施形態のソーワイヤーの概略図を示す。 第三実施形態によるソーワイヤーの金属組織断面を示す。 第三実施形態によるソーワイヤーの金属組織断面を示す。 ワイヤーの切断能力の比較を示す。

図１ａは、本発明を最も一般的な形で示す（第一実施形態）。固定砥粒ソーワイヤー１００は、金属ワイヤー１２と有機バインダー層３０を含む。砥粒２０は、有機層３０により、金属ワイヤー１２に固定されている。ワイヤーについての特徴は、砥粒が、金属ワイヤーにも部分的に埋め込まれていることである。図１ｂは、第二の好ましい実施形態を示し、その場合、金属ワイヤーは、コア１４とシース１６とを含み、かつ砥粒は、シース１６中に部分的に埋め込まれ、有機バインダー層３０によりワイヤーに結合されている。粒子は、その平均サイズの最大１／３がシース層中に埋め込まれ、残りは、有機バインダー層に結合されている。図１ｃは、第三の好ましい実施形態を示し、その場合、シース１６とコア１４との間の界面は、ある程度の粗さを示す。ここで、粒子は、シース中にその平均サイズの少なくとも２／３がある。図１ｄは、第四の好ましい実施形態を示し、その場合、コア１４からシース１６への移行は緩やかであり、シャープな界面を示さない。

本発明の第一実施形態により、炭素含有率０．８２４７ｗｔ％、マンガン含有率０．５３ｗｔ％、ケイ素含有率０．２０ｗｔ％を有し、並びにＡｌ、Ｐ及びＳを含有率０．０１ｗｔ％より低く有する高炭素鋼線材（公称直径は５．５ｍｍ）は、当技術で公知の方法により、化学的に脱スケールした。ワイヤーを３．２５ｍｍまで乾式伸線し、パテンティングを施し、再度１．１３ｍｍまで乾式伸線した。１６９μｍ厚さ、即ち被覆ワイヤー１ｋｇ当たり約４４０ｇの銅コーティングが、この中間直径上に電気メッキされ、これは引き続き最終の仕上外径２１０μｍまで伸線された。その際、銅層の厚さは、約１６μｍであった。このワイヤーの破断荷重は、９６Ｎであった。鋼コアの引張強度（銅シースの強度寄与は無視）は、３７７１Ｎ／ｍｍ^２である。

２５．３μｍの平均サイズ「ｄ_５０」（ｄ_１０＝１５．１μｍ、ｄ_９０＝４０．６μｍ）を有するダイヤモンド粒子は、半径１０９μｍの適合する半円形溝を備えたローラーホイール２組により、銅シース中に押込まれた。この２組は、相互に垂直な軸を有していた。従って、粒子は、シース中に深く押込まれ、粒子の平均２／３がシース中にある。サンプルを更なるテストのために取った（「被覆無しサンプル」）。

引き続き、ビスフェノール−Ａ（ＢＰＡ）をベースとするエポキシ粉末ＥＰ４９．７〜４９．９（ＳｉｇｍａＫａｌｏｎ社製）を、硬化剤と共に用いて、ワイヤーに静電塗装した。引き続き、ワイヤーを通過型オーブン中、温度１８０℃で約１２０〜５４０秒間硬化させた。有機バインダー層の量は、ライン速度を変えることにより、変化させることができる。より遅いライン速度は、エポキシ粉末を多く集め、従って、バインダー層はより厚くなる。より迅速なライン速度はより薄いバインダー層をもたらす。２個のサンプル、即ち「薄いサンプル（薄いバインダー層を有する）」及び「厚いサンプル（厚いバインダー層を有する）」を製造した。図２ａは、薄いサンプルの断面２００を示し、図２ｂは、厚いサンプルの断面２１０を示す。コア２１４は、シース２１６と同様に識別できる。ダイヤモンドが、保持された凹所２２２から抜けでていることに留意すべきである。有機バインダー層は、薄いサンプルの場合、暗色の薄い層２３０であり、厚いサンプルの場合、明確に識別可能な層２３２である。

３本のワイヤーを、１本ワイヤー実験室往復式のこ盤タイプ「Ｄｉａｍｏｎｄ Ｗｉｒｅ Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣＴ８００」で比較した。幅１２５ｍｍ、高さ４６．６ｍｍのセミスクエア形単結晶シリコン半分を、各サンプルで鋸引きした（丸い角は、最後に鋸引きした）。機械は、３°にセットされた「一定曲がりモード」で操作し、ワイヤーの張力は、約８Ｎで一定に保持し、３０ｍのワイヤーを７秒間（前後に）サイクルさせて、平均速度約８．６ｍ／ｓ（＝２×３０／７）が得られた。冷却材として、添加剤を含有する水を使用した。

得られた結果は、図３に再現され、この図では、時間に対する鋸引き速度（即ち、ソーの前面がサンプル中を進む速度）が示される。曲線の終端は、サンプルが鋸で引き切られた時間である。ダイヤモンド（◆）で記された曲線は、被覆無しサンプルで得られた結果である。最初、高い鋸引き速度が示され、これは砥粒の損失によりすぐに減退する。四角（黒四角）で記された曲線は、薄い有機バインダー層を備える「薄いサンプル」で得られた鋸引き速度である。曲線は被覆無しサンプルより多少下に留まるが、鋸引き速度は、約０．８〜１．０ｍｍ／分で、より一定である。明らかに、ダイヤモンドが良好に保持され、鋸引きの間機能し続ける。鋸引き速度は、１００ｍｍ^２／分以上に達するので、容認できる。黒点（●）で記された曲線も、鋸引き速度の動作の改良を示すが、全切断動作は遅すぎる。明らかに、バインダー層は、砥粒が被加工物に接触するのを妨げる。バインダー層が摩耗した時のみ、鋸引き速度が増加する。

第二の実施形態では、第一実施形態と同一の加工経路により製造された２２５μｍ銅シースで覆われたコア（コア１７５μｍ、コーティング２５μｍ）が提供された。再び、ダイヤモンドが、第一実施形態におけるように、銅コーティング中に深く押込まれた。そうして押込まれたダイヤモンドワイヤーは、湿式化学経路で被覆された（「湿式サンプル１」）。この目的のために、固体Ｓｕｐｒａｐｌａｓｔ０８３０９３（Ｓｕｅｄ−Ｗｅｓｔ Ｃｈｅｍｉｅ，ドイツから入手可能なフェノール性樹脂）の塊を、等量のブチルアルコールに溶解させた。溶液をワイヤーに湿式塗布し、引き続いて温度１８０℃で１２０秒間乾燥（溶剤蒸発）させ、硬化（架橋）させた。約９μｍ厚さの、均一かつ十分に集中したコーティングが得られた。得られたワイヤーを、前記と同一条件（ＣＴ８００；一定曲がり度３°、サイクル時間７秒、ワイヤー３０ｍ）だが、張力１１Ｎでテストした。完全ブロック１２５×１２５ｍｍ^２を切り出した。切断効率の相当な損失無しで、切断を３度繰り返した。最初の切断で、（幅１２５ｍｍにわたり）切断速度は１．４５ｍｍ／分であり、第二及び第三の切断では、１．５０ｍｍ／分まで改良された。切断速度も、第一実施形態の際より更に一定であった。

第三の実施形態では、第一実施形態と同一の加工経路により製造された３００μｍ銅シースで覆われたコア（シース厚さ２５μｍ）が提供された。再び、ダイヤモンドが、第一実施形態におけるように、銅コーティング中に深く押込まれた。サンプルは、他の材料で、湿式被覆された。Ｂａｋｅｌｉｔｅ ＰＦ０３６１（Ｈｅｘｉｏｎ社から入手可能なフェノールホルムアルデヒド）をブチルアルコールに溶解させて、重量に基づき、５０／５０の乾燥残分／溶剤が生じた。ワイヤーの湿式塗布後に、オーブン中、１８０℃で６０秒間乾燥させ、硬化させた。生じたコーティングは、約８μｍの平均厚さを有した。これは、「湿式サンプル２」である。

１インチ（２５．４ｍｍ）サファイアインゴットについて、ニッケル被覆ソーワイヤー（「ニッケルサンプル」：ニッケルオーバーストライクで被覆された「被覆無しサンプル」）に対する比較鋸引きテストを、以下の機械設定で実施した。
機械ＤＷＴ ＣＴ８００（前のテストにおけるのと同一）
一定曲がりモード、曲がりは１°に設定
一定のワイヤー張力：８Ｎ
平均速度８．６ｍ／秒で前後にサイクルされる３０ｍのワイヤー
冷却材：添加剤入り水
ワイヤーの耐久性を査定するために、ワイヤーサンプルを用いてテストを繰り返した。

以下の表Ｉに示されるように、「湿式サンプル２」は、「ニッケルサンプル」と同じように良く機能する。表は、同一のワイヤー部分を用いて、連続カットして、１インチサファイヤインゴットを切断するのに必要な時間（分）を示す。結果から、切断能力を損失することなく、ニッケルコーティングを樹脂コーティングで代替できるという本発明の考えが支持される。

Claims (16)

1. 金属ワイヤーと砥粒とを含み、前記砥粒が有機バインダー層により前記金属ワイヤーに固定された固定砥粒ソーワイヤーにおいて、前記砥粒が前記金属ワイヤーにも部分的に埋め込まれていることを特徴とする固定砥粒ソーワイヤー。
2. 前記金属ワイヤーが、コアと、前記コアを取り囲む金属シースとを更に含み、前記シースが前記コアより低い硬度を有する請求項１に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
3. 前記コアが普通炭素鋼ワイヤーであり、前記金属シースが、鋼、鉄、銅、スズ、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、真鍮、青銅、亜鉛−アルミニウム、銅−ニッケル、ベリリウム−銅、又はその他のこれらの合金を含む群からの１つである請求項２に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
4. 前記金属コア及び前記金属シースが、普通炭素鋼製であり、前記コアの炭素含有量が、前記シースの炭素含有量より高い請求項３に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
5. 前記金属ワイヤーの炭素含有量が、半径方向外側に向かって徐々に減少する請求項４に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
6. 前記コアの金属と前記シースの金属の界面が、合金にならず、粗い界面を有するため、前記コアと前記シースとが機械的に噛み合う請求項３に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
7. 前記有機バインダー層が、フェノール樹脂、フェノールホルムアルデヒド、メラミンフェノールホルムアルデヒド、又はアクリル系樹脂、又はメラミンホルムアルデヒドのようなアミノ系樹脂、尿素ホルムアルデヒド、ベンゾグアナミンホルムアルデヒド、グリコールウリルホルムアルデヒド、又はエポキシ樹脂、即ちエポキシアミン、又はポリエステル樹脂、即ちエポキシポリエステル、ビニルエステル、アルキド系樹脂を含む群からの熱硬化性ポリマーである請求項１〜６のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。
8. 前記有機バインダーが、アクリル、ポリウレタン、ポリウレタンアクリレート、ポリアミド、ポリイミドエポキシ、ビニルエステル、アルキド樹脂、ケイ素系樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、塩化ビニルポリマーを含む群から選択される熱可塑性物質である請求項１〜６のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。
9. 前記有機バインダー層が、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、シリカ、酸化クロム、窒化ホウ素、雲母、タルク、炭酸カルシウム、カオリン、粘土、酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛、水酸化マグネシウム、チタン酸カリウム、硫酸マグネシウム、ダイヤモンド粒、金属粉末又はこれらの混合物を含む群から選択される充填剤を更に含む請求項７又は８に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
10. 前記金属ワイヤーが、ケイ酸塩、リン酸塩又はクロム酸塩を含む群から選択される無機プライマーコーティングを更に含む請求項７〜９のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。
11. 前記金属ワイヤーへの前記有機バインダー層の接着を改良するために、前記金属ワイヤーが、有機官能性シラン、有機官能性チタン酸塩もしくは有機官能性ジルコン酸塩、又はこれらの混合物を含む群から選択されるプライマーコートを更に含む請求項７又は１０に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
12. 前記砥粒が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化タングステン又はこれらの混合物を含む群から選択される請求項１〜１１のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。
13. 前記砥粒が、チタン、ケイ素、ジルコニウム、タングステン、クロム、鉄、銅又はニッケルを含む群からのコーティングで被覆されている請求項１２に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
14. 前記砥粒への前記有機バインダー層の接着を改良するために、前記砥粒が、有機官能性シラン、有機官能性チタン酸塩、もしくは有機官能性ジルコン酸塩、又はこれらの混合物を含む群から選択されるプライマーコートを更に含む請求項１３に記載の固定砥粒ソーワイヤー。
15. 前記粒子が平均粒子サイズを有し、前記金属ワイヤー中に前記平均粒子サイズの最大約３分の１まで埋め込まれており、前記有機バインダーが前記平均粒子サイズの３分の１よりも厚い請求項１〜１４のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。
16. 前記粒子が平均粒子サイズを有し、前記金属ワイヤー中に前記平均粒子サイズの約３分の２まで埋め込まれている請求項１〜１４のいずれかに記載の固定砥粒ソーワイヤー。

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