JP2016010841A - 電着ワイヤー工具及び電着ワイヤー工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】砥粒保持力が高く、柔軟性に優れ、製造工程の管理も比較的容易な電着ワイヤー工具を提供する。
【解決手段】電着ワイヤー工具１００は、芯線であるピアノ線７の外周に下地メッキ層６が施され、この下地メッキ層６の表面に複数のメッキ層（軟質メッキ層５、硬質メッキ層４、軟質メッキ層３、硬質メッキ層２及び表面メッキ層１）を形成することによって複数の超砥粒５０がピアノ線７の外周に固着されている。下地メッキ層６及び複数のメッキ層５〜１はいずれもニッケルメッキによって形成されている。下地メッキ層６及び硬質メッキ層４，２を形成する金属（ニッケル）の結晶粒径は、軟質メッキ層５，３を形成する金属（ニッケル）の結晶粒径より小さく、下地メッキ層６の表面側に、軟質メッキ層５，３と硬質メッキ層４，２とが交互に積層状態で形成されている。
【選択図】図１

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をスライス加工する際に使用される電着ワイヤー工具及びその製造方法に関する。

固定砥粒タイプのワイヤー工具には、芯線の外周に、砥粒がレジンボンドで固着されたレジンワイヤー工具と、砥粒が電着で固着された電着ワイヤー工具と、がある（例えば、特許文献１，２など参照。）。特許文献１，２などに記載されている電着ワイヤー工具は、砥粒保持力が高く、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短所がある。

一般に、電着ワイヤー工具の製造工程において、芯線（ワイヤー）の外周に硬度の高い金属をメッキすると、砥粒の保持力が高くなり、スライス加工作業の効率が上がるが、金属メッキの硬度が高すぎると、柔軟性が低くなり、捻れに弱くなる。

一方、ワイヤーの表面（芯線の外周）を軟質メッキ層と硬質メッキ層とで被覆し、両メッキ層によって砥粒が固着された「ワイヤーソー」が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この「ワイヤーソー」は、砥粒が軟質メッキ層及び硬質メッキ層によって固着されているので、砥粒保持力と柔軟性とを併せ持つのではないかと推測される。

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

特許文献３記載の「ワイヤーソー」は、メッキ金属自体の種類が異なる複数のメッキ層で砥粒が芯線の外周に電着されているため、その製造工程においては、組成の異なるメッキ液が収容された複数の電着槽が必要である。また、当該「ワイヤーソー」を連続的に生産する場合、一つの電着槽内のメッキ液が、種類の異なる他の電着槽内へ持ち込まれる可能性が高いので、メッキ液の管理が非常に難しい。

さらに、メッキする金属のイオン化傾向の違いによって、複数のメッキ金属のうちのいずれかのメッキ金属が溶け出し、メッキ自体にダメージが発生してしまうことがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、砥粒保持力が高く、柔軟性に優れ、製造工程の管理も比較的容易な電着ワイヤー工具を提供することにある。

本発明の電着ワイヤー工具は、芯線の外周に積層状に形成された複数のメッキ層で砥粒が固着され、隣接するメッキ層の金属結晶粒径が互いに異なることを特徴とする。

金属の機械的性質は、同じ組成の材料であっても結晶粒径によって大きく変化し、メッキ層を形成する金属についても、その結晶粒径が小さいほど、硬度は高く、粒径が大きいと硬度が低くなるという傾向がある(ホールペッチの関係)。即ち、メッキ層を形成する金属の結晶粒径が小さいほど硬度が高いので砥粒保持力が高く、結晶粒径が大きいほど硬度が低いので柔軟性が高いという傾向がある。

従って、前記構成とすれば、金属の結晶粒径が大小異なる複数のメッキ層が交互に積層された構造の電着ワイヤー工具となるので、結晶粒径の小さな硬いメッキ層が高い砥粒保持力を発揮し、結晶粒径の大きな軟らかいメッキ層によって優れた柔軟性が得られる。また、複数のメッキ層は金属結晶粒径が大小異なるだけで、金属は１種類なので、その製造設備において、メッキ液の種類が異なる複数のメッキ槽を設ける必要がなく、製造工程の管理も比較的容易である。

ここで、前記メッキ層の層数は４層以上１０層以下であることが望ましい。

また、前記メッキ層はニッケルメッキ若しくはニッケル合金メッキで形成することができる。

さらに、前記メッキ層の１層の厚みは１μｍ〜１０μｍであり、複数の前記メッキ層の全体厚みは４μｍ〜１００μｍであることが望ましい。

一方、隣接する前記メッキ層の金属結晶粒径の大小比率が１．５〜４であることが望ましい。

また、前記メッキ層の断面におけるマイクロビッカース硬さＨｖは２５０〜５００であることが望ましい。

次に、本発明に係る電着ワイヤー工具の製造方法は、前述した電着ワイヤー工具の製造方法であって、複数のメッキ層を形成する電着工程において、電着槽中に浸漬された芯線と電極との距離が異なる複数のメッキ条件下にて金属結晶粒径が異なる複数の前記メッキ層を形成することを特徴とする。

本発明により、砥粒保持力が高く、柔軟性に優れ、製造工程の管理も比較的容易な電着ワイヤー工具を提供することができる。

本発明の実施形態である電着ワイヤー工具を示す断面図である。 （ａ）は図１中の矢線Ａで示す領域の断面写真であり、（ｂ）は前記領域の結晶を同定した図である。 図１に示す電着ワイヤー工具の製造方法を示す一部省略工程図である。 図３に示す工程図中の電着槽を示す平面図である。 第１比較例であるワイヤー工具を製造する電着槽を示す平面図である。 第２比較例であるワイヤー工具を製造する電着槽を示す平面図である。 第１比較例であるワイヤー工具の部分断面写真である。 第２比較例であるワイヤー工具の部分断面写真である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態である電着ワイヤー工具について説明する。図１に示すように、本実施形態の電着ワイヤー工具１００は、芯線であるピアノ線７の外周に下地メッキ層６が施され、この下地メッキ層６の表面に複数のメッキ層（軟質メッキ層５、硬質メッキ層４、軟質メッキ層３、硬質メッキ層２及び表面メッキ層１）を形成することによって複数の超砥粒５０がピアノ線７の外周に固着されている。下地メッキ層６及び複数のメッキ層５〜１はいずれもニッケルメッキによって形成されている。

図２に示すように、下地メッキ層６及び硬質メッキ層４，２を形成する金属（ニッケル）の結晶粒径は、軟質メッキ層５，３を形成する金属（ニッケル）の結晶粒径より小さくなっている。下地メッキ層６の表面側に、軟質メッキ層５，３と硬質メッキ層４，２とが交互に積層状に形成されているため、隣接するメッキ層の金属結晶粒径は互いに大小異なっている。

図２に示す複数のメッキ層１〜６における平均結晶粒径を求積法で求めると表１に示すような結果が得られた。表１を見ると、下地メッキ層６及び硬質メッキ層４，２を形成する金属（ニッケル）の平均結晶粒径は、軟質メッキ層５，３を形成する金属（ニッケル）の平均結晶粒径より小さいこと、及び、隣接するメッキ層の平均結晶粒径の大小比率が１．５〜４．０の範囲内であることが確認できる。

「ホールペッチの関係」によれば、メッキ層を形成する金属の結晶粒径が小さいほど硬度が高いので砥粒保持力が高く、結晶粒径が大きいほど硬度が低いので柔軟性が高いという傾向がある。従って、図１，図２及び表１に示すように、金属の結晶粒径が大小異なる複数のメッキ層１〜６が交互に積層された構造を有する電着ワイヤー工具１００においては、結晶粒径の小さな硬質メッキ層２，４が高い砥粒保持力を発揮し、結晶粒径の大きな軟質メッキ層３，５によって優れた柔軟性が得られる。

また、複数のメッキ層１〜６は金属結晶粒径が大小異なるだけで、金属はニッケル１種類なので、後述するように、電着ワイヤー工具１００の製造設備において、メッキ液の種類が異なる複数のメッキ槽を設ける必要がなく、製造工程の管理も比較的容易である。

次に、図３〜図８に基づいて、電着ワイヤー工具１００の製造方法などについて説明する。図２に示すように、ニッケルメッキされたピアノ線７を連続的に供給し、アルカリ脱脂槽３１、水洗槽３２、酸洗浄槽３３、水洗槽３４に順次浸漬して脱脂処理を行った後、下地槽３５においてニッケルメッキを施すことにより、ピアノ線７の外周に下地メッキ層６（図１参照）が形成されたピアノ線７ｘとなる。この後、ピアノ線７ｘは、金属被覆されたダイヤモンド（超砥粒）が添加されたニッケルメッキ液３６ａが収容された電着槽３６においてニッケルメッキが施される。

図４に示すように、電着槽３６の内部には、ニッケルメッキ液３６ａに浸漬された状態で長手方向に進行するピアノ線７ｘを挟んで、複数対の電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが、ピアノ線７ｘの進行方向に沿って配列されている。電極８ａ，８ｂ間の距離、電極１０ａ，１０ｂ間の距離及び電極１２ａ，１２ｂ間の距離はそれぞれ２０ｍｍに設定され、電極９ａ，９ｂ間の距離及び電極１１ａ，１１ｂ間の距離はそれぞれ１０ｍｍに設定されている。

換言すると、電極８ａ，８ｂとピアノ線７ｘとの距離、電極１０ａ，１０ｂとピアノ線７ｘとの距離及び電極１２ａ，１２ｂとピアノ線７ｘとの距離はそれぞれ１０ｍｍに設定され、電極９ａ，９ｂとピアノ線７ｘとの距離及び電極１１ａ，１１ｂとピアノ線７ｘとの距離はそれぞれ５ｍｍに設定されている。

ニッケルメッキは、分極抵抗により、析出するメッキ金属の結晶粒径が変化する。分極抵抗が低い場合、結晶粒径は大きくなり、分極抵抗が高い場合、結晶粒径は小さくなる。前述したように、ニッケルメッキは結晶粒径が小さいほど、硬度は高く、結晶粒径が大きいと硬度が低くなる傾向がある(ホールペッチの関係)。

即ち、ピアノ線と電極との距離を大きくすると、抵抗が増大して、電流密度が小さくなり、析出するメッキ金属の結晶粒径が大きくなるので、硬度は低くなる。逆に、ピアノ線と電極との距離を小さくすると、抵抗が減少し、電流密度が大きくなり、析出するメッキ金属の結晶粒径が小さくなるので、硬度は高くなる。

従って、ピアノ線７ｘが電極８ａ，８ｂ間、電極１０ａ，１０ｂ間及び電極１２ａ，１２ｂ間を通過するときは、小さな電流密度でニッケルメッキされ、図２に示すように結晶粒径が大きくなるので、柔らかなメッキ層５，３，１が形成される。また、ピアノ線７ｘが電極９ａ，９ｂ間及び電極１１ａ，１１ｂ間を通過するときは、大きな電流密度でニッケルメッキされ、図２に示すように結晶粒径が小さくなるので、硬いメッキ層４，２が形成される。即ち、図４に示すように、ピアノ線７ｘと電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂとの距離を変えて設定することにより、硬質メッキ層４，２と軟質メッキ層５，３，１とを、複数層にわたり、積層状に形成することができる。

このように、図４に示す電着槽３６内に送り込まれたピアノ線７ｘは、電着槽３６内のニッケルメッキ液３６ａに浸漬された状態で複数対の電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの間を通過することにより、ピアノ線７ｘの下地メッキ層６の表面に複数のメッキ層５，４，３，２，１が順次、形成され、電着ワイヤー工具１００が完成する。

ここで、電着ワイヤー工具１００と対比するための比較例として、図５，図６に示すように、ニッケルメッキ液３７ａ，３８ａが収容された電着槽３７，３８を用いて、ピアノ線７ｘにそれぞれニッケルメッキを施し、電着ワイヤー工具１０１，１０２を製作した。ピアノ線７ｘは図３に示すピアノ線７ｘと同等であり、ピアノ線７の外周に下地メッキ層６ｘ，６ｙ（図７，図８参照）が形成されている。

図５に示すように、電着槽３７内には長手方向に進行するピアノ線７ｘを挟んだ状態で一対の電極１３ａ，１３ｂが対向配置されている。電極１３ａ，１３ｂ間の距離は２０ｍｍ（電極１３ａ，１３ｂとピアノ線７ｘとの距離は１０ｍｍ）である。

図６に示すように、電着槽３８内には長手方向に進行するピアノ線７ｘを挟んだ状態で一対の電極１４ａ，１４ｂが対向配置されている。電極１４ａ，１４ｂ間の距離は１０ｍｍ（電極１４ａ，１４ｂとピアノ線７ｘとの距離はそれぞれ５ｍｍ）である。

図５に示す電着槽３７内に送り込まれたピアノ線７ｘは一対の電極１３ａ，１３ｂの間を長手方向に移動しながらニッケルメッキが施されるが、電極１３ａ，１３ｂ間の距離は、図４に示す電着槽３６中の電極８ａ，８ｂ間の距離と同様、比較的大きいので、小さな電流密度でメッキされる。この結果、図７に示すように、下地メッキ層６の外周に、下地メッキ層６より結晶粒径の大きな軟質メッキ層１５が形成され、電着ワイヤー工具１０１が完成する。

図６に示す電着槽３８内に送り込まれたピアノ線７ｘは一対の電極１４ａ，１４ｂの間を長手方向に移動しながらニッケルメッキが施されるが、電極１４ａ，１４ｂ間の距離は、図４に示す電着槽３６中の電極９ａ，９ｂ間の距離と同様、比較的小さいので、大きな電流密度でメッキされる。この結果、図８に示すように、下地メッキ層６の外周に、下地メッキ層６と同等の結晶粒径の小さな硬質メッキ層１６が形成され、電着ワイヤー工具１０２が完成する。

図７に示す軟質メッキ層１５及び下地メッキ層６ｘ、図８に示す硬質メッキ層１６及び下地メッキ層６ｙにおける平均結晶粒径を求積法で求めるとともに、軟質メッキ層１５及び硬質メッキ層１６のマイクロビッカース硬さを測定すると、表２に示すような結果が得られた。なお、軟質メッキ層１５及び硬質メッキ層１６の硬さについては、株式会社ミツトヨのマイクロビッカース硬さ試験機「製品名：ＨＭ−１２４」を用いて測定した。表２を見ると、図７に示す軟質メッキ層１５の平均結晶粒径は下地メッキ層６ｘの平均結晶粒径より大であり（大小比率が約２．４）、図８に示す硬質メッキ層１６の平均結晶粒径は下地メッキ層６ｙの平均結晶粒径と同等であることが分かる。

次に、本発明の実施形態である電着ワイヤー工具１００と、その比較例である電着ワイヤー工具１０１，１０２とについて、捻回強度及び切断性能を試験したところ、表３に示すような結果が得られた。なお、捻回強度は電着ワイヤー工具を軸心周りに捻り、破断するまでに要した捻回回数で評価し、切断性能は単結晶シリコンインゴット□７５ｍｍ角を切断したときの切断速度（単位：ｍｍ／ｈ）で評価している。また、切断性能試験においては、ムサシノ電子株式会社のワイヤーソー「製品名：ＣＳ−４００：自動キャプスタンソー」を使用した。

表３を見ると、本発明の実施形態である電着ワイヤー工具１００は、同一金属（ニッケル）で、図１に示すように硬度の違う複数のメッキ層５，４，３，２，１で超砥粒５０を固着しているため、砥粒保持力と柔軟性とを併せ持っていることが分かる。特に、４層以上のメッキ層５，４，３，２，１を形成したことにより、硬質メッキ層４，２の厚みが薄くなり、捻じれに対する強度が高いことが分かる。また、複数のメッキ層５，４，３，２，１は同一金属（ニッケル）であり、同一の電着槽３５で形成することができるので、多層構造でありながら、製造は容易である。

これに対し、電着ワイヤー工具１０１は、図７に示すように、下地メッキ層６ｘの外周に結晶粒径が比較的大きな軟質メッキ層１５を有するので、柔軟性に優れ、捻回強度が高いが、砥粒保持力が弱いので、切断性能が劣っていることが分かる。

また、電着ワイヤー工具１０２は、図８に示すように、下地メッキ層６ｘの外周に結晶粒径が比較的小さな硬質メッキ層１６を有するので、砥粒保持力が高く、切断性能は良好であるが、柔軟性に欠け、捻回強度が弱いことが分かる。

以上のように、電着ワイヤー工具１００は、金属の結晶粒径が大小異なる複数のメッキ層１〜６が交互に積層された構造を有するので、結晶粒径の小さな硬質メッキ層２，４が高い砥粒保持力を発揮し、結晶粒径の大きな軟質メッキ層３，５によって優れた柔軟性が得られる。

なお、本実施形態の電着ワイヤー工具１００は本発明の一例を示すものであり、本発明の電着ワイヤー工具は前述した電着ワイヤー工具１００に限定されない。

本発明の電着ワイヤー工具は、太陽電池シリコン、半導体シリコン、磁性体、サファイヤ、ＳｉＣなどのインゴットなどをスライス加工する産業分野において、広く利用することができる。

１ 表面メッキ層
２，４，１６ 硬質メッキ層
３，５，１５ 軟質メッキ層
６，６ｘ，６ｙ 下地メッキ層
７，７ｘ ピアノ線
８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ 電極
３１ アルカリ脱脂槽
３２ 水洗槽
３３ 酸洗浄槽
３４ 水洗槽
３５ 下地槽
３６，３７，３８ 電着槽
３６ａ，３７ａ，３８ａ ニッケルメッキ液
５０ 超砥粒
１００，１０１，１０２ 電着ワイヤー工具

Claims (7)

1. 芯線の外周に積層状に形成された複数のメッキ層で砥粒が固着され、隣接するメッキ層の金属結晶粒径が互いに異なることを特徴とする電着ワイヤー工具。
2. 前記メッキ層の層数が４層以上１０層以下である請求項１記載の電着ワイヤー工具。
3. 前記メッキ層がニッケルメッキ若しくはニッケル合金メッキで形成された請求項１または２記載の電着ワイヤー工具。
4. 前記メッキ層の１層の厚みが１μｍ〜１０μｍであり、複数の前記メッキ層の全体厚みが４μｍ〜１００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の電着ワイヤー工具。
5. 隣接する前記メッキ層の金属結晶粒径の大小比率が１．５〜４である請求項１〜４のいずれかに記載の電着ワイヤー工具。
6. 前記メッキ層の断面におけるマイクロビッカース硬さＨｖが２５０〜５００である請求項１〜４のいずれかに記載の電着ワイヤー工具。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の電着ワイヤー工具の製造方法であって、複数のメッキ層を形成する電着工程において、電着槽中に浸漬された芯線と電極との距離が異なる複数のメッキ条件下にて金属結晶粒径が異なる複数の前記メッキ層を形成することを特徴とする電着ワイヤー工具の製造方法。