JP2014113668A - ワイヤ工具及びワイヤ工具製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率が高く、捻回破断が生じ難いワイヤ工具及びこれを容易かつ安定的に製造可能なワイヤ工具製造方法を提供する。
【解決手段】ワイヤ工具９０は、芯線１０外周のＣｕ−Ｚｎ層１１の表面に形成された下地メッキ層１２と、下地メッキ層１２の外周に形成された電着砥粒層１６とを有する。ワイヤ工具９０の製造工程において、下地メッキ層１２の表面に熱処理を施して酸化被膜１３を形成した後、メッキ層１６を形成することにより、下地メッキ層１２と電着砥粒層１６との間に不連続層１７を設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池シリコン、半導体シリコン、磁性体、サファイヤ、ＳｉＣなどのインゴットなどのスライス加工する際に使用するワイヤ工具に関する。

芯線の外周に砥粒層を有するワイヤ工具は、レジンボンドで砥粒層を形成したレジンワイヤー工具と、電着で砥粒層を形成した電着ワイヤ工具とに大別される。特許文献１，２などに記載されている電着ワイヤ工具は、砥粒保持力が強く、加工効率が高いなどの点において優れているが、柔軟性が低く、捻れに対して弱いという欠点がある。

一般に、電着ワイヤ工具においては、芯線の外周に硬度の高い金属をメッキして砥粒層を形成すると、砥粒の保持力が高くなり、加工効率が高まるが、メッキが硬過ぎると、柔軟性が低くなり、捻れに弱くなるという傾向がある。

そこで、芯線の外周に軟質金属と硬質金属とをメッキすることにより、所定の砥粒保持力と柔軟性とを兼備したワイヤ工具が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開昭５３−１４４８９号公報 特許第４１５７７２４号公報 特開平９−１５０３１４号公報

前述したように、電着砥粒層の砥粒保持力を高め、加工効率を向上させるためにはメッキの硬さを高める必要があるが、メッキの硬さを高めると柔軟性が欠如して捻れに対して弱くなり、切断作業中に捻回破断が生じる可能性が高まるので、これらの要件を満たすワイヤ工具を得ることは極めて困難である。

一方、特許文献３記載のワイヤ工具は砥粒保持力と柔軟性とを兼備している点では優れているが、芯線の外周に異種金属のメッキを施すためには、組成の異なるメッキ液が収容された複数のメッキ槽が必要であるため、製造設備の複雑化を招いている。また、当該ワイヤ工具を連続生産した場合、複数のメッキ槽の間を連続的に移動しながらメッキされていく芯線により、前工程のメッキ槽中のメッキ液が、後工程のメッキ槽中に持ち込まれ、悪影響を及ぼすことがあるため、メッキ液の管理が非常に難しいという問題がある。

本発明が解決しようとする第１の課題は、加工効率が高く、捻回破断が生じ難いワイヤ工具を提供することにあり、第２の課題は前記ワイヤ工具を容易かつ安定的に製造可能なワイヤ工具製造方法を提供することにある。

本発明のワイヤ工具は、芯線の外周部分に電着砥粒層を有するワイヤ工具であって、前記芯線の外周面と前記電着砥粒層との間に少なくとも１層の不連続層を設けたことを特徴とする。ここで、不連続層とは、金属粒や金属組織などの固体が存在しない薄膜状の空隙をいう。

ここで、前記不連続層は、前記芯線の外周面に形成されたメッキ層と、前記メッキ層の外周側に形成された前記電着砥粒層との間に設けることが望ましい。

また、前記電着砥粒層を構成するメッキ部分のマイクロビッカース硬さがＨｖ３００〜Ｈｖ５００であることが望ましい。

次に、本発明のワイヤ工具製造方法は、芯線の外周部分に電着砥粒層を有するワイヤ工具の製造方法であって、前記芯線の外周面若しくは前記芯線の外周面に形成されたメッキ層を酸化雰囲気中で加熱する加熱処理工程と、前記加熱処理工程を経た前記芯線の外周面若しくは前記メッキ層の外周面にメッキ層若しくは電着砥粒層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記加熱工程における加熱温度が３５０℃〜６５０℃であることが望ましい。

本発明により、加工効率が高く、捻回破断が生じ難いワイヤ工具、及び前記ワイヤ工具を容易かつ安定的に製造可能なワイヤ工具製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態であるワイヤ工具製造方法を実施するためのワイヤ工具製造設備を示す図である。 本発明の実施形態であるワイヤ工具を示す横断面図である。 図１に示すワイヤ工具製造方法の熱処理工程における加熱温度とワイヤ工具の性能との関係を示す図表である。 図１に示すワイヤ工具製造方法のメッキ工程における電流密度とワイヤ工具の性能との関係を示す図表である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。本実施形態のワイヤ工具製造方法は図１に示すワイヤ工具製造設備１００において実施することができる。図１に示すようにワイヤ工具製造設備１００は、脱脂槽２０、酸洗浄槽３０、下地メッキ槽４０、熱処理槽５０、砥粒固着槽６０、メッキ槽７０及び洗浄槽８０を備えている。金属ワイヤを素材とする芯線１０を脱脂槽２０から洗浄槽８０に至るまで長手方向に沿って搬送しながら、各槽において、後述する所定の処理を順次施していくことにより、最終製品であるワイヤ工具９０が形成される。完成したワイヤ工具９０は、スプールＳに所定長さ巻回された状態で保管若しくは出荷される。

図１に示すように、原材料である芯線１０は外周面にＣｕ−Ｚｎ層１１（図２参照）が形成された状態で製造に供され、この芯線１０は脱脂槽２０内の脱脂液に浸漬され、その中を通過することにより、芯線１０の外周面（Ｃｕ−Ｚｎ層１１の表面）に付着している塵埃や油脂などが除去された後、酸洗浄槽３０内へ移動する。

酸洗浄槽３０内においては、芯線１０が酸洗い液に浸漬され、その中を通過することにより、芯線１０の外周面（Ｃｕ−Ｚｎ層１１の表面）の酸化被膜の除去や表面活性化などが行われた後、芯線１０は下地メッキ槽４０内へ送り込まれる。

下地メッキ槽４０内においては、芯線１０にメッキ処理が施され、芯線１０の外周面（Ｃｕ−Ｚｎ層１１の表面）に下地メッキ層１２（例えば、Ｎｉメッキ層）が形成された後、熱処理槽５０内へ送り込まれる。

熱処理槽５０へ送り込まれた芯線１０は、この内部において空気雰囲気中（酸化雰囲気中）で３５０℃〜５５０℃の温度に加熱される。熱処理槽５０における加熱処理を経ることにより、芯線１０の外周に形成された下地メッキ層１２（例えば、Ｎｉメッキ層）の表面に薄い酸化被膜１３が形成される。

熱処理槽５０における加熱処理を終えた芯線１０は砥粒固着槽６０内へ送り込まれる。砥粒固着槽６０内においては、芯線１０外周の下地メッキ層１２の表面（酸化被膜１３の表面）に砥粒１４（例えば、ダイヤモンド砥粒）が固着される。

砥粒固着槽６０における処理を終えた砥粒１４付きの芯線１０はメッキ槽７０へ送り込まれ、この中でメッキ処理（例えば、Ｎｉメッキ処理）が施され、下地メッキ層１２の表面（酸化被膜１３の表面）及び砥粒１４の表面を所定高さまで覆うようにメッキ層１５（例えば、Ｎｉメッキ層）が形成され、電着砥粒層１６を有するワイヤ工具９０となる。

メッキ槽７０におけるメッキ処理工程においては、下地メッキ層１２の表面にメッキ層１５（例えば、Ｎｉメッキ層）が形成されるが、図２に示すように、下地メッキ層１２の表面には酸化被膜１３が存在しているため、下地メッキ層１２とメッキ層１５との間には薄膜状の空隙である不連続層１７が形成される。

メッキ槽７０におけるメッキ処理を終えたワイヤ工具９０は洗浄槽８０へ送り込まれ、この中で表面に残留しているメッキ液などの洗浄除去が行われた後、洗浄槽８０から出されて、最終製品であるワイヤ工具９０となる。完成したワイヤ工具９０は、必要に応じた長さをスプールＳに巻回した状態で出荷若しくは保管される。

ここで、図１に示すワイヤ工具製造設備１００を使用して、熱処理槽５０における熱処理なしでワイヤ工具Ａを製造し、熱処理槽５０における熱処理温度を４５０℃，５００℃，５５０℃，６００℃並びに６５０℃に変化させて５種類のワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを製造した。芯線１０の外径は１８０μｍ、メッキ槽７０における電流密度は５０．７Ａ／ｄｍ²、砥粒１４の平均粒子径は２７μｍ、完成したワイヤ工具Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの外径は２４０μｍである。

これら６種類のワイヤ工具Ａ〜Ｆについて、それぞれ４つの試験（引張強度試験、フリーサークル試験、浮き試験及び捻回回数試験）を行い、熱処理温度と試験値との関係を求めると図３に示すような結果が得られた。

なお、フリーサークル試験とは、製品としてスプールＳに巻回された状態にあるワイヤ工具９０から長さ１．５ｍの供試体を切り出し、これを平板上に載置し、供試体の両端を自然な形で合わせて、力を解除した後の供試体のカール状態を評価する試験であり、通常、略円形状となる供試体の短径値を測定する。測定値（フリーサークル）が大きいほど、ワイヤ工具９０のカールが少ないことを意味する。

浮き試験とは、前記フリーサークル試験を行ったときに平板から最も浮いた状態にある部分の供試体と平板との距離を測定する試験である。測定値（浮き）が小さいほど、ワイヤ工具９０の捻れが少ないことを意味する。

捻回回数試験とは、スプールＳから供試体として長さ１００ｍｍのワイヤ工具９０を切り出し、この供試体において長手方向に７０ｍｍ離れた部分に連続的に捻り力を加えて破断させる試験であり、芯線１０が破断するまでに要した捻り回転数を測定値（捻回回数）とする。測定値（捻回回数）が多いほど、捻回破断し難いことを意味する。

図３を見ると、熱処理槽５０での熱処理を行わずに製造したワイヤ工具Ａと、熱処理を行って製造したワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆとは、フリーサークル及び浮きについて殆ど差はないが、熱処理を行って製造したワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、熱処理なしで製造したワイヤ工具Ａに比べ、捻回回数が大幅に増加していることが分かる。これは、熱処理を行って製造したワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは捻回破断が生じ難くなっていることを示している。

ワイヤ工具に軸心周りの捻り力が加わったとき、最も大きな剪断応力が生じて破断が発生し易いのは外周部分（電着砥粒層１５）であるが、熱処理槽５０において熱処理を施すことにより、電着砥粒層１５を構成するメッキ層１５と、下地メッキ層１２との間に不連続層１７を形成したワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆについては、これらのワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆに軸心周りの捻回力が加わったとき、電着砥粒層１５に生じた破断の進行が不連続層１７で阻止され、芯線１０まで到達し難くなるので、捻回破断を抑制できるようになったと考えられる。即ち、不連続層１７が存在する場合、捻回力が集中的に加わったとき、不連続層１７により膜剥離（電着砥粒層１５のみの剥離）が生じることによって捻回力が緩和され、捻回回数が増大するものと考えられる。

一方、薄い酸化被膜１３を形成して不連続層１７を設けたことにより、下地メッキ層１２とメッキ層１５（電着砥粒層１６）との接着強度が低下する傾向が生じるが、メッキ層１５の形成工程において当該メッキ層１５に圧縮応力が生じるので、通常の切断作業中にメッキ層１５（電着砥粒層１６）の剥離が生じることはない。なお、切断作業中などに、切断装置や不可避な状況に起因するイレギュラーな外力がワイヤ工具に加わったときは、一部のメッキ層１５（電着砥粒層１６）のみが剥離することにより、ダメージを逃がすことができるので、芯線１０の破断を防止することができる。

また、不連続層１７が介在することにより、捻回破断が生じ難くなるので、硬度の高いメッキ層１５を形成することが可能となり、この結果、切断性能に優れたワイヤ工具を形成することができ、加工効率が向上する。

図３を見ると、ワイヤ工具Ｅ，Ｆは、他のワイヤ工具Ｂ，Ｃ，Ｄに比べ、引張り強度が低下しているのが分かるが、これは熱処理温度が高過ぎて、芯線１０自体の引張り強度が低下したことに起因するものと考えられる。従って、熱処理槽５０における加熱温度は３５０℃〜５５０℃の範囲内であることが望ましい。

次に、図１に示すワイヤ工具製造設備１００を使用して、熱処理槽５０における熱処理を施さず、メッキ槽７０での電流密度を７６．１Ａ／ｄｍ²、５０．７Ａ／ｄｍ²並びに２５．４Ａ／ｄｍ²に変化させて３種類のワイヤ工具Ｕ，Ｖ，Ｗを製造し、熱処理槽５０における熱処理温度を４５０℃に設定し、メッキ槽７０での電流密度を７６．１Ａ／ｄｍ²、５０．７Ａ／ｄｍ²並びに２５．４Ａ／ｄｍ²に変化させて３種類のワイヤ工具Ｘ，Ｙ，Ｚを製造した。芯線１０の外径は１８０μｍ、砥粒１４の平均粒子径は２７μｍ、完成したワイヤ工具Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚの外径は２４０μｍである。

これら６種類のワイヤ工具Ｕ〜Ｚについて、それぞれ２つの試験（捻回回数試験及びマイクロビッカース硬さ試験）を行い、熱処理の有無及び電流密度の違いと試験値との関係を求めると図４に示すような結果が得られた。

図４を見ると、熱処理なしで製造された３種類のワイヤ工具Ｕ，Ｖ，Ｗについては、電流密度が高いものほど、メッキ層１５の硬さは高くなるが、捻回回数が少なくなっていることが分かる。即ち、ワイヤ工具Ｕ，Ｖ，Ｗは不連続層１７を有していないので、製造時間の短縮あるいは切断性能の向上を目的として、メッキ層１５形成時の電流密度を高めると、捻回回数が低下し、捻回破断し易くなることを示している。

一方、熱処理槽５０において加熱温度４５０℃で熱処理を行った３種類のワイヤ工具Ｘ，Ｙ，Ｚについては、電流密度が高いものほど、メッキ層１５の硬さも高くなっているが、捻回回数は、電流密度の高低に影響されず、略一定であることが分かる。即ち、熱処理槽５０にて熱処理を行うことによって不連続層１７を形成すれば、高い電流密度でメッキ層１５を形成しても、捻回回数が低下しないことを示している。従って、不連続層１７を設けることにより、高い電流密度で、硬いメッキ層１５を形成することにより、切断性能に優れ、且つ、破断し難いワイヤ工具を得ることができる。なお、電着砥粒層１６を構成するメッキ部分（メッキ層１５）のマイクロビッカース硬さはＨｖ３００〜Ｈｖ５００であることが望ましい。

以上のように、図１に示すワイヤ工具製造設備１００を使用して、前述した製造方法を実施することにより、加工効率が高く、捻回破断が生じ難いワイヤ工具９０を容易かつ安定的に製造することができる。なお、図１〜図４に基づいて説明したワイヤ工具及びワイヤ工具製造方法は本発明を例示するものであり、本発明に係るワイヤ工具及びワイヤ製造方法は前述した実施形態に限定されない。

本発明のワイヤ工具は、太陽電池シリコン、半導体シリコン、磁性体、サファイヤ、ＳｉＣのインゴットなどをスライス加工する装置を使用する各種産業分野において広く利用することができる。

１０ 芯線
１１ Ｃｕ−Ｚｎ層
１２ 下地メッキ層
１３ 酸化被膜
１４ 砥粒
１５ メッキ層
１６ 電着砥粒層
１７ 不連続層
２０ 脱脂槽
３０ 酸洗浄槽
４０ 下地メッキ槽
５０ 熱処理槽
６０ 砥粒固着槽
７０ メッキ槽
８０ 洗浄槽
９０ ワイヤ工具
１００ ワイヤ工具製造設備
Ｓ スプール

Claims (5)

1. 芯線の外周部分に電着砥粒層を有するワイヤ工具であって、前記芯線の外周面と前記電着砥粒層との間に少なくとも１層の不連続層を設けたワイヤ工具。
2. 前記芯線の外周面に形成されたメッキ層と、前記メッキ層の外周側に形成された前記電着砥粒層との間に前記不連続層を設けた請求項１記載のワイヤ工具。
3. 前記電着砥粒層を構成するメッキ部分のマイクロビッカース硬さがＨｖ３００〜Ｈｖ５００である請求項１または２記載のワイヤ工具。
4. 芯線の外周部分に電着砥粒層を有するワイヤ工具の製造方法であって、前記芯線の外周面若しくは前記芯線の外周面に形成されたメッキ層を酸化雰囲気中で加熱する加熱処理工程と、前記加熱処理工程を経た前記芯線の外周面若しくは前記メッキ層の外周面にメッキ層若しくは電着砥粒層を形成する工程とを備えたワイヤ工具製造方法。
5. 前記加熱工程における加熱温度が３５０℃〜６５０℃である請求項４記載のワイヤ工具製造方法。

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