TWI517919B - 有研磨粒部份嵌入金屬線且部份以有機黏合劑固持之鋸線 - Google Patents

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Description

有研磨粒部份嵌入金屬線且部份以有機黏合劑固持之鋸線
本發明係關於用以鋸切堅硬和易碎材料的金屬線，該金屬線具有研磨粒固定至其外表面。研磨粒藉由部分嵌入金屬及部分嵌入聚合性黏合劑層而固定至金屬線。固定的研磨劑鋸線特別適用於要求鋸口耗損低及表面或次表面損傷有限的昂貴材料之切割。
線鋸已逐漸取代內部直徑旋轉鋸刀以切割堅硬且易碎的昂貴材料。此材料的例子是石英(如石英振盪器或光罩基板(mask blanc))、矽(如積體電路晶圓或太陽能電池)、鍺(如作為砷化鎵太陽能電池的基板)、砷化鎵(用於高頻電路)、碳化矽或藍寶石(如用於藍光發光二極體或藍光發光二極體基板)、稀土磁性合金(如用於記錄頭)等。此演進的驅動力之一是希望降低方法中的鋸口耗損。鋸口耗損係因為(昂貴)材料被磨除而造成的材料耗損。因此，減低的鋸口耗損使得材料有更佳用途及顯著的財務節約。
上一世紀末，發展出多線鋸(請參考如GB 1 397 676)，其能夠自單塊材料切下薄片(稱為晶圓)。此多線鋸中，單一之金屬線(其使‘多線’鋸一詞令人混淆)被導引於導線器(wire guide)，導引器使得金屬線在金屬線網中鋸切的期間內維持金屬線彼此平行。但是，並非金屬線本身鋸切，而是加至此方法中的研磨劑。
研磨劑可以黏稠載體(通常是聚乙二醇)形式(其中研磨劑(通常是碳化矽)維持於懸浮液中)加至金屬線。此混合物被稱為‘漿料’。此金屬線夾帶該載體，在金屬線旋轉時，將研磨劑拉進切口。研磨劑研磨材料塊，同時黏在並滾動於金屬線和材料之間。此被稱為‘鬆脫的研磨劑鋸切(loose abrasive sawing)’，其為一種‘第三主體研磨’。材料和金屬線二者皆經磨除，此造成須持續更換金屬線。漿料亦隨著研磨粒損失其鋭性而劣化。
此外，漿料載有材料的切屑和金屬線的碎片而必須定期更新，此造成環境問題。但是，對該材料而言，此方法溫和，因此，在次表面損傷屬於重要課題的半導體工業非常喜歡使用此方法。
為消除這些消耗品，曾提出‘固定式研磨劑鋸線’，其將研磨劑固定於金屬線。以此方式，金屬線和研磨劑之間的相對運動是零且因此金屬線不會磨損。金屬線和材料之間的相對運動加倍(相對於鬆脫的研磨劑鋸切)使得鋸切更有效率。研磨劑之固定已經以不同方式實行：第一個途徑是熟悉製造以金屬為基礎的固定研磨工具(如鋸刀)的技術人員所採用，其中，研磨粒-通常是鑽石-藉從包含鑽石粒子之鎳浴液的電鍍或無電澱積的方式嵌在鎳塗層中。一個例子述於EP 0 982 094，其中提出金屬線(不銹鋼金屬線之態樣)經含有鑽石的鎳塗覆。但是，已經知道金屬鎳和特別是鎳鹽致癌，使用鎳浴液提高健康風險(參考EC Directive 67/548/EEC的第30修正案)。
第二個途徑(一個例子是WO 99/46077)是熟悉研磨工具硬焊(brazing)的冶金學家所採用，他們將其專技知識用於含研磨劑的硬焊劑(braze)上，以硬焊劑塗覆金屬線。但是，硬焊造成金屬線嚴重的熱負擔，導致金屬線的抗拉強度受損(除非使用極特別的金屬線作為基板)。
第三個途徑是試圖將其在有機黏合劑方面的知識用於研磨劑，以製造固定的研磨劑鋸線之嫻於化學技術之人士所採用。其有許多例子，其中的三個例子為US 6,070,570、EP 1 025 942和WO 2005/011914。雖然此結果為能以具成本效益和有效率的方式將研磨劑固定在(通常是金屬)線上，但此固定不強且所得切割速率比前述途徑得到者為低。表面處理-如以青銅或銅塗料塗覆金屬線或以底漆塗覆-在US 6,070,570中視為有利。JP 10 328932提出替代的表面處理，其中鋼琴金屬線在以含研磨劑的樹脂塗覆之前，藉噴砂的方式粗糙化。研磨粒-被樹脂環繞-可能與粗糙化表面的凹處吻合或不吻合。研磨劑和金屬線之間未直接接觸。使用金屬線基材的一個值得注意的例外係WO 2003/041899，其中使用人造有機纖維(Dynema、Nomex、Kevlar)作為強度元件。
試圖將研磨粒摻入金屬線表面的替代開發途徑係EP 0 243 825和EP 0 081 697：EP 0 243 825描述以鋼線棒和環繞該棒的管及其間的間隙製造固定的研磨劑鋸線之方法。此間隙充填金屬粉末和研磨粒之混合物。端點經密封且該棒在重覆步驟中經熱處理和冷拉伸，以在外部管藉腐蝕移除之後，得到固定的研磨劑鋸線。缺點在於此方法無法製造適當長度(高於100米)之固定的研磨劑鋸線，所得金屬線的抗拉強度較低(例如低於1800牛頓/平方毫米)且所得金屬線太厚(1毫米)。
EP 0 081 697描述一種使得金屬線覆以鑽石粒子的方法和設備。鑽石粒子密合於硬化的輪(其藉由重複輪的一或二者之軸移動，使得金屬線在繞軸滾動通過)之間之前，隔離經銅或鎳層塗覆的金屬線。然後，藉由電解方式施用的覆層，鑽石固定在位置上。姑且不論與鎳和鎳鹽(前文列舉者)相關的健康問題，施用鎳覆層必須將鍍覆部分引至連續操作系統管線中。此顯著加長管線和輔助設備(幫浦、管路、槽)的總長度且安全防護措施使得操作花費高。
因此，本發明的主要目的係克服已知技術的問題。更特別的目標是：
　消除金屬覆層，因其提高產品成本。
　鎳覆層的特定情況中，其目標係消除具鎳的覆層，因其引發健康問題之故。
　藉由較佳的固持研磨粒而提高鋸線的使用壽命。
　藉由降低金屬線的腐蝕而提高鋸線的使用壽命。
　得到經鋸切之材料的表面或次表面損傷降低且鋸切速率夠高之平順鋸切法。
根據本發明的第一方面，提供固定的研磨劑鋸線，其中研磨粒附在金屬線上。此研磨粒以兩種方式固定：它們部分嵌在金屬線中且部分藉有機黏合層固持至金屬線。使用兩種完全不同的固定模式-一者係固定在金屬中而另一者係以有機層黏合-之事實係本發明的一方面。‘部分嵌在金屬線中’意謂研磨粒表面的至少一部分直接與金屬線接觸。研磨粒部分嵌在金屬層中可藉多種方式達成。
其第一個方式係以電解方式在金屬核心上生長金屬層並同時將研磨粒摻入以電解方式生長的層中。一旦研磨粒充份固定於金屬線，便可施用有機黏合層。此金屬層可以自含有金屬的電解質中澱積出來，其中研磨粒漂浮於其上。一旦研磨粒固定，金屬層在可在進一步浴液中增厚，或者金屬線可經清洗並備用以有機黏合層塗覆。
部分嵌入粒子的第二個方式係粒子以金屬線包覆或凹入金屬線中。一旦研磨粒凹入，它們藉有機黏合層與金屬線進一步結合。包覆可以例如在介於兩個硬化之外部周圍具有半圓形溝槽的輪之間進行。此溝槽的半徑略大於欲壓凹的金屬線的半徑。兩個溝槽抓住金屬線，同時研磨粒餵入溝槽和金屬線之間的間隙。
若金屬線包含核心和環繞該核心的金屬鞘，則可以簡便完成粒子之包覆或壓凹。核心的作用主要是提供金屬線強度。因此，核心材料必須至少在金屬線的縱方向具有高抗拉強度。鞘的作用係接收和固持研磨粒。因此，此鞘必須要比核心來得軟。鞘是否比核心來得軟可以簡便地藉標準Vickers硬度試驗測定。
較佳地，核心製自普通碳鋼，但不排除其他類型的鋼(如不銹鋼)。相較於其他高抗拉金屬線(如鎢、鈦或其他高強度合金)，鋼為更佳者，此因其可以簡便地使得抗拉等級高於2000牛頓/平方毫米或高於3000牛頓/平方毫米或甚至高於4000牛頓/平方毫米之故，目前的極限為約4400牛頓/平方毫米。此可藉由金屬線經由圓形模具的大規模冷成型而達成。所得金相結構是細之極度拉伸的珍珠狀結構。或者，此珍珠狀鋼結構可經熱處理以轉變成馬氏體結構，較佳無變韌體。此轉變雖然導致強度耗損，但帶給金屬線一些額外的延展性。
用於固定的研磨劑鋸線的核心之普通碳鋼的典型組成如下
-　至少0.70重量%碳，上限取決於形成該金屬線之其他合金化的元素(請見下文)
-　錳含量介於0.30至0.70重量%之間。錳增添(如同碳)金屬線的應變硬化並亦作為鋼製造中的脫氧劑。
-　矽含量介於0.15和0.30重量%之間。矽用以在製造期間內使鋼脫氧。如同碳，其有助於提高鋼的應變硬化。
-　元素(如鋁、硫(低於0.03%)、磷(低於0.30%))之存在必須維持於最低量。
-　鋼的餘者是鐵和其他元素。
鉻(0.005至0.30重量%)、釩(0.005至0.30重量%)、鎳(0.05-0.30重量%)、鉬(0.05-0.25重量%)和微量硼的存在可改良金屬線的形成性。此合金化使得碳含量為0.90至1.20重量%，使得經拉伸的金屬線的抗拉強度可高於4000 MPa。堅硬之經拉伸的金屬線的Vickers微硬度大於650牛頓/平方毫米。
較佳不銹鋼含有最少12% Cr和實質量的鎳。更佳的不銹鋼組成物是奧氏體不銹鋼，此因這些易拉伸至細直徑之故。更佳組成物是此技術中已知的AISI 302(特別是‘Heading Quality’HQ)、AISI 301、AISI 304和AISI 314。‘AISI’是‘American Iron and Steel Institute’的縮寫。
金屬鞘可為比核心來得軟的任何金屬。可能的金屬(非盡述例)是鐵、銅、錫、鋅、鋁、鎳。合金(如鋼、黃銅、青銅、鋅-鋁、銅-鎳、銅-鈹)也是可能的鞘金屬。
此鞘可以施用在最終核心直徑上。或者，鞘可以在將金屬線拉伸至其最終直徑之前施於中間直徑金屬線上。有鞘的中間直徑金屬線可以在進一步拉伸之前進行熱處理。
由於鋼的硬度正比於碳含量，所以此鞘可以是碳含量比核心為低的鐵或鋼。較軟的鞘可以如是高碳金屬線之經控制除碳的結果或可藉電鍍鐵而施於核心金屬或可藉纏繞塗覆鐵或低碳箔於金屬線上而施於金屬線上。因核心製自鋼而鞘製自鋼或鐵，所以核心和鞘之間碳的擴散容易。因此，金屬線中可能有高碳至低碳的平順移動。此外，在此情況中使用有機黏合劑層具有額外的優點為金屬線在儲存期間和使用期間之腐蝕受到抑制。
關於高碳鋼核心經低碳鋼鞘覆蓋的情況，此處詳細參考同在申請中的EP 09152849.7，其中述於段落18、25至36的結構特徵以及述於段落49至59的此金屬線之製法是本發明特別感興趣且為對本發明而言重要者。
或者，此鞘金屬可以選擇不與核心金屬合金地者。鞘是否不與核心合金化必須視情況評估。但是已經知道一些金屬不會與例如鋼核心形成合金。在此鋼核心上的銅或黃銅鞘將不會形成合金。
當鞘金屬未與核心金屬合金化且鞘金屬比核心金屬來得軟且鞘金屬夠厚時，如果鞘和核心經拉伸，則將在鞘金屬和核心金屬之間形成粗糙介面。此粗糙介面特別有利，此因其藉機械性互鎖而改良核心和鞘之間的黏著性。
鞘可以經由將箔片纏繞在中間直徑金屬線上而施用，此為較佳方法。另一較佳方法係藉由使得中間直徑金屬線通過熔融金屬浴液的方式塗覆。此方法特別適合以鋅(熱浸鍍鋅)或鋅合金(如鋅鋁合金)塗覆金屬線(如Bekaert之經Bezinal塗覆的金屬線)或銅或銅合金或錫塗覆金屬線。將鞘塗覆在中間直徑金屬線的最佳方法係從含鞘金屬離子的浴液電解塗覆。
當然也明確包括核心和鞘之間沒有粗糙介面存在的情況。當在核心形成鞘之前，進行核心之清潔和預處理時，大多數的情況中，核心和鞘之間將得到足夠黏著性。欲得到核心和鞘之間的平滑介面，此鞘較佳藉含有金屬離子的浴液以電解方式澱積而施用在最終的金屬線直徑上。
研磨粒部分藉由嵌在金屬線和部分藉由嵌在有機黏合劑層中而放置在位置上。此有機黏合劑層可為熱固性(亦稱為熱硬化)有機聚合物化合物。或者，此黏合劑層可為熱塑性聚合物化合物。熱固性聚合物一旦固化，當溫度在使用期間內變高，不會再軟化，其為此應用種類更佳者。
許多熱固性有機聚合物可以液體或粉末狀樹脂形式提供。它們可以藉此技術已知的方式(如使金屬線通過溢流浸泡槽，或通過塗覆簾，或通過流化床或藉靜電粉末或流體澱積)施用至金屬線(有研磨粒嵌於其上)。
施用至金屬線之後，此熱固性聚合物必須經固化。固化最常藉由將樹脂加熱至高於其固化溫度的方式進行。高於固化溫度，發生聚合物之交聯，且在固化之後，留下韌性層。在固化期間內施用至金屬線的總熱必須維持夠低，使得金屬線的機械性質不會受到影響。此可藉由限制溫度和/或藉由限制在加熱區的停留時間而達成。
某些樹脂(如環氧樹脂)須要觸媒以維持固化反應進行。一些樹脂(例如嵌段的一個組份聚胺甲酸乙酯)可以樹脂混於其中的方式提供。然後藉由在選定時點施熱以活化觸媒。或者此固化可藉由以能量束(如紅外光、紫外光或電子束)照射而引發，但在這些情況中，必須使用對於能量束具有反應性之足夠的引發劑(如乙醯苯)。
用於本申請案的最佳熱固性聚合物是酚系樹脂。較佳聚合物是酚甲醛、三聚氰胺酚甲醛或以丙烯酸系為基礎的樹脂或以胺基為基礎的樹脂，如三聚氰胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、乙炔脲甲醛(glycoluril formadehyde)或環氧樹脂或環氧基胺。最不受歡迎的-但仍可使用的-是聚酯樹脂或環氧基聚酯或乙烯酯或以醇酸為基礎的樹脂。此列表非詳盡且可識別其他適當的聚合物。
或者，此黏著劑層可為玻璃轉變溫度夠高(如高於40℃，但較佳高於100℃)的有機熱塑性材料。較佳熱塑性聚合物是：丙烯酸系、聚胺甲酸酯、聚丙烯酸胺甲酸酯、聚醯胺、聚醯亞胺、環氧物。較不佳-但仍可使用的-是乙烯酯、醇酸樹脂、以矽為基礎的樹脂、聚碳酸酯、聚對酞酸乙二酯、聚對酞酸丁二酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物。除了在熱固化材料中提及的方法以外，熱塑性黏合劑層可藉擠壓施用。
有機黏合劑層必須夠堅硬以在鋸切法期間內忍受摩擦。因此，較佳地，此黏合劑層的聚合物含有填料，該填料增加層的強度或有助於在使用期間內，提高朝向金屬線排熱。
此方面的典型填料可為鋁氧化物、矽碳化物、氧化矽、鉻氧化物、氮化硼、雲母、滑石、碳酸鈣、高嶺土、黏土、氧化鈦、硫酸鋇、氧化鋅、氫氧化鎂、鈦酸鉀、硫酸鎂、鑽石晶粒、金屬粉末或它們的混合物。特別佳的填料為奈米尺寸粒子。基本上，這些粒子的尺寸低於200奈米且較佳介於5至100奈米之間。特別佳的組成物是鋁氧化物和鈦氧化物-當混入樹脂中，適當的質量分率低於10質量%或甚至低於5質量%且甚至低於3質量%-這些粒子對於有機樹脂的耐磨性方面有正面影響。填料未嵌在金屬線中。亦可添加其他成份，如加速劑或安定劑。
欲有助於有機黏合劑層黏著至金屬線，可以使用底漆。兩種類型的底漆可自行使用或無機和有機底漆併用。
第一種類型的底漆是無機底漆。無機底漆的例子是矽酸鹽，即，任何無機矽的氧化物SiOx、磷酸鹽或鉻酸鹽。最佳的磷酸鹽如磷酸錳、磷酸鐵或磷酸鋅，後者為最佳者。
第二種類型的底漆是有機底漆。用於此應用之最佳者係以有機官能性矽烷、有機官能性鈦酸酯和有機官能性鋯酸酯為基礎的底漆。有機官能性矽烷具有下列式
Y-R’-SiX3
其中SiX3包含第一官能基；R’包含間隔物；Y包含第二官能基。
第一官能基SiX3能夠黏合至金屬線的外部金屬。
X代表矽官能基，矽官能基的各者獨立地選自-OH、-R、-OR、-OC(=O)R和鹵素(如-Cl、-Br、-F)，其中-R是烷基，較佳C1-C4烷基，最佳-CH3和-C2H5。
第二官能基Y朝向黏合層的聚合物材料且能夠與聚合物材料的至少一個官能基結合或作用。能夠與聚合物材料的至少一個官能基結合或作用的任何官能基可以視為第二官能基Y。實例包含包含了下列基團中之至少一者的官能基：-NH2、-NHR’、-NR’2、不飽和末端雙或三碳-碳基、丙烯酸基、甲基丙烯酸基和其甲或乙酯、-CN、-SH、異氰酸基、硫氰酸基和環氧基。鋯酸鹽和鈦酸酯的結構類似，但矽烷基以鋯酸基或鈦酸基代替。
若使用無機和有機底漆，則無機底漆總是在金屬線上且有機底漆在無機底漆頂部上。無機或有機底漆可藉由將金屬線導引通過浸泡槽(如充滿磷酸鋅水混合物或以醇-水為基礎的矽烷混合物)，然後乾燥的方式施用。
研磨粒可為超研磨粒，如鑽石(天然或合成，後者因較低成本和良好的晶粒易碎性而為更佳者)、立方氮化硼或它們的混合物。較不建議的應用中，可以使用‘一般’研磨粒(如碳化鎢(WC)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)或氮化矽(Si3N4)：雖然它們較軟，但比鑽石便宜許多。在研磨粒藉由壓凹而部分嵌入鞘(而非經由電解法澱積)的情況中，使用後者類別的研磨粒時，必須將金屬線的鞘硬度列入考慮。用於此研磨粒鞘材料，如錫、鋁和鋅更適合，此因它們比如鎳軟得多之故。過於堅硬的鞘會在壓凹期間內粉碎過多的研磨粒。所有的研磨粒中，最佳者是人造鑽石，此因其最堅硬之故。‘一般’研磨粒中，最佳者是碳化矽。
研磨粒的尺寸必須與金屬線的直徑略成比例。此技術領域能夠測定研磨粒本身的尺寸和形狀。研磨粒不具有-且應不具有-球狀，應參考研磨粒的‘尺寸’而非其‘直徑’(因為直徑暗喻球形之故)。研磨粒的尺寸係藉以領域已知的任何測定法測定之線性測定(以微米表示)且一直在連接研磨粒表面上的最遠端的兩個點的線長度和連接研磨粒表面上之彼此最接近的兩個點的線長度之間。
用於固定的研磨劑鋸線的預設粒子尺寸落在‘微粒(microgrit)’範圍內。微粒尺寸不大於慣用於巨粒之藉標準過篩技巧測得之尺寸。取而代之地，它們必須藉其他技(如雷射繞射、直接顯微鏡、電阻或光半沉積法)測定。標準ANSI B74.20-2004有關於這些方法的細節。用於此應用目的，參考粒子尺寸時，粒子尺寸係指藉雷射繞射法(或‘低角度雷射光散射’)測定者。此程序之輸出係累積或差示粒子尺寸分佈，中間d50尺寸(即，一半的粒子小於此尺寸且一半的粒子大於此尺寸)或通常‘dP’(其中‘P’%的粒子小於此‘dP’，其餘部分(100-P)%為大於此‘dP’的較大尺寸。
超研磨劑通常以參考標準而非藉篩目數定出尺寸範圍。如粒子分佈在20-30微米者具有90%的粒子介於20微米(即‘d5’)和30微米(‘d95’)之間且1/1000超過40微米，同時中間尺寸d50必須介於25.0 +/- 2.5微米之間。
由經驗概估，中間尺寸，應小於鋼金屬線圓周的1/6，更佳應小於金屬線圓周的1/12，以使得粒子良好容納於金屬線上。其他極端情況中，粒子不能過小，否則材料的移除速率(即，每時間單位磨除的材料量)會變得過低。
粒子的目標覆蓋率-即，研磨粒覆蓋的面積除以金屬線的圓周面積-取決於欲鋸切的材料、欲達到的鋸切速率或欲得到的表面平整性。本發明者已發現欲具有預設材料的最佳鋸切效能，粒子面積對總面積的比應介於1和50%之間，或介於2至20%之間或甚至介於2和10%之間。
如同金屬線，研磨粒可經無機或有機底漆或二者塗覆：適當的無機底漆是反應性金屬，如鈦、矽、鋯、鎢、鉻或鐵。它們會形成碳化物(在鑽石和碳化矽的情況中)，此在研磨粒側上提供良好黏著性。或者此粒子可以經銅和鎳塗覆。雖然與粒子不具反應性，它們提供良好導熱性且提供有機對應物(其可為有機黏合劑層或有機底漆)良好據點。
可以在無機底漆上或在裸露的粒子本身上施用有機底漆。這些是前文討論之相同的有機官能性鈦酸酯、有機官能性鋯酸酯和有機官能性矽烷。此在粒子上的底漆確保研磨粒至有機黏合劑層的改良黏著性。
嵌入深度對本發明之固定的研磨劑鋸線有一些修飾作用。第一較佳修飾中，研磨粒深嵌於金屬線或-若存在-金屬鞘中。‘深嵌’是指-平均而言-超過研磨粒之中間尺寸的三分之二嵌在金屬線中。
此可藉由製造金屬線的截面及拋光以製造金相截面的方式測定。在切割和拋光期間內，研磨粒自它們的凹處移出(因它們過於堅硬而無法拋光之故)，將可以觀察到凹處的壓印為U-形。U形的深度-由尖端取得-超過尖端-至-尖端的距離的2/3，則視為嵌入的粒子超過其尺寸的2/3。必須在至少20個凹處評估嵌入深度。取得的平均係測得的嵌入深度的算術平均。此較佳體系中，有機黏合劑層的厚度低於中間粒子尺寸的1/3。實際上，此較佳低於10微米。欲具有足夠黏合性，必須有至少1微米有機黏合劑層存在。有機黏合劑層必須相當薄：低於中間粒子尺寸的約1/3。較佳地，其厚於1微米以提供足夠的黏合性。粒子大多藉位於下方的柔軟鞘金屬固持。
另一較佳體系中，研磨粒僅淺淺地嵌在金屬線中。大部分的研磨粒嵌在有機黏合層中：有機黏合劑層的厚度是粒子中間尺寸的至少三分之一。粒子僅邊緣嵌在金屬線中：在金屬線上的壓凹至多為中間粒子尺寸的一半且較佳至多為中間粒子尺寸的三分之一。此體系的優點在於金屬線之嵌入至少提供研磨粒互鎖點，同時大部分的粒子固持在更有彈性的黏合劑層中。咸信藉此構形可得到‘刷’效應，導致比之前的體系所得者更為溫和的切割。
藉粒子之壓凹製造固定的研磨劑鋸線時，在無任何有機黏合劑的情況下，粒子施用在金屬線上，之後塗覆和完全固化。或者，可以在有機黏合劑已施用於其上之後，施用粒子。後者情況中，較佳先以有機黏合劑層塗覆金屬線然後略為固化，之後壓凹及以塗層的完全固化修整，以防止壓凹輪在壓凹期間內留下斑痕。
圖1a出示本發明之以最普通的形式(第一較佳體系)。固定的研磨劑鋸線100包含金屬線12和有機黏合劑層30。研磨粒20藉有機層30固定至金屬線12。此金屬線的特徵在於研磨粒亦部分嵌在金屬線中。圖1b出示第二較佳體系，其中金屬線包含核心14和鞘16且其中研磨粒部分嵌在鞘16中並藉有機黏合劑層30固定至金屬線。粒子以其中間尺寸的至多三分之一嵌入鞘層中，餘者固定在有機黏合劑層中。
圖1c出示第三較佳體系，其中介於鞘16和核心14之間的介面出現某些糙度。此處，粒子的中間尺寸的至少三分之二在鞘中。圖1d出示第四較佳體系，其中自核心14至鞘16逐漸改變且沒有明確的介面。
根據本發明的第一體系，碳含量0.8247重量%、錳含量0.53重量%、矽含量0.20重量%且Al、P和S含量低於0.01重量%的高碳棒(公稱直徑5.5毫米)根據此技術已知的方法除銹。此金屬線乾拉伸至3.25毫米，伸展及再度乾拉伸至1.13毫米。169毫米厚或約440克/公斤經塗覆之金屬線的銅塗層電鍍在此中間直徑上，其之後拉伸至最終總直徑210微米。則銅層的厚度約16微米。此金屬線的破裂載量是96牛頓。此鋼核心的抗拉強度(忽略銅鞘貢獻的強度)是3771牛頓/平方毫米。
中間尺寸‘d50’為25.3微米(d10=15.1微米，d90=40.6微米)的鑽石粒藉兩對具有半徑109微米之相稱半圓形溝槽的滾輪壓凹至銅鞘中。此兩對滾輪的軸彼此垂直。因此，粒子深壓至鞘中且平均粒子的三分之二在鞘中。取得樣品進行進一步試驗(‘裸露樣品’)。
然後，金屬線藉靜電覆以環氧基粉末EP 49.7-49.9(得自SigmaKalon，以雙酚A(BPA)和固化劑為基礎)。然後，金屬線在級進爐(run-through oven)中於溫度180℃中固化約120至540秒。可以藉由改變線速率而改變有機黏合劑層的量：較低線速率收集較多的環氧基粉末並因此而使得黏合劑層較厚，較快的線速率得到較薄的黏合劑層。製得兩種樣品：‘薄樣品’(具有薄黏合劑層)‘和‘厚樣品’(具有厚黏合劑層)。圖2a出示薄樣品的截面200而圖2b出示厚樣品的截面210。可辨視核心214和鞘216。注意到鑽石不在其固持的凹處222中。在薄樣品的情況中，有機黏合劑層係深色薄層230，而在厚樣品的情況中，有機黏合劑層係明確可辨視的層232。
三種金屬線在單一金屬線往復實驗室鋸切機(型號‘Diamond Wire Technology CT800’)上比較。半正方形125毫米寬和46.6毫米高的單晶矽以每一樣品鋸切(最後鋸切圓角)。此機械以‘固定鋸弓模式(constant bow mode)’設定於3°操作，金屬線張力維持穩定於約8牛頓，30米金屬線以7秒鐘循環(往復)，得到平均速率(2×30/7=)約8.6米/秒。含添加劑的水作為冷卻劑。
所得結果示於圖3，其顯示長時間的鋸切速率-即，鋸前進通過樣品的速率。曲線終點為樣品鋸穿時。鑽石(◆)標記的曲線係以裸露樣品得到者。初時，其展現高鋸切速率，但因為研磨粒的耗損而使其迅速消失。正方形(■)標記的曲線係以具有薄有機黏合劑層的‘薄樣品’得到者。雖然曲線維持略低於裸露樣品，但其鋸切速率更固定約0.8至1.0毫米/分鐘。顯然鑽石的固持較佳並在鋸切期間內維持作用。鋸切速率達到100平方毫米/分鐘或以上視為可接受。圓點(●)標記的曲線亦展現改良的鋸切速率行為，但總鋸切行為過於緩慢。顯然黏合劑層抑制研磨粒與工件之接觸。僅當黏合劑層被蝕除時，鋸切速率提高。
第二體系中，根據與第一體系中相同的加工途徑製造225微米銅鞘的核心金屬線(核心175微米，塗層25微米)。同樣地，如同第一體系，鑽石深嵌入銅塗層中。藉此壓凹的鑽石金屬線在濕化學途徑中塗覆(‘濕樣品1’)。此方面，固態Supraplast 083093(一種酚系樹脂，可得自Sd-West Chemie，德國)溶於等質量的丁醇中。此溶液施用至金屬線並於之後於溫度為180℃ 120秒鐘以乾燥(用於溶劑蒸發)和固化(用於交聯)。得到約9微米厚之均勻和良好置中的塗層。所得金屬線在與之前提及之相同的條件下測試(CT 800；3°固定鋸弓，7秒循環時間，30米金屬線)，但所用拉力為11牛頓。現鋸切125×125平方毫米的全塊物。此鋸切重覆三次，鋸切效率沒有任何實質受損情況：首次鋸切的鋸切速率(寬度125毫米上)是1.45毫米/分鐘，第二和第三次鋸切改良為1.50毫米/分鐘。此鋸切速率亦比第一體系中更穩定。
第三體系中，根據與第一體系中相同加工途徑，得到300微米銅鞘的(鞘厚度25微米)核心金屬線。同樣地，如同第一體系，鑽石深嵌入銅塗層中。樣品經替代材料Bakelite PF 0361(酚甲醛，可得自Hexion)溶於丁醇得到重量計為50/50乾殘渣/溶劑者濕塗覆。濕塗覆之後，金屬線在爐中於180℃乾燥和固化60秒鐘。所得塗層的平均厚度約8微米。此為‘濕樣品2’。
經鎳塗覆的鋸線(經鎳塗覆的‘裸露樣品’：‘鎳樣品’)在1英吋(25.4毫米)藍寶石錠上進行的比較用鋸切試驗係以下列機械設定進行：
-　機械DWT CT800(與先前試驗中相同)
-　固定鋸弓模式，鋸弓設定於1°；
-　固定金屬線拉力為8牛頓；
-　30米金屬線以平均速率8.6米/秒往復循環；
-　冷卻劑：具添加劑的水。
以金屬線樣品進行重覆的試驗以評估金屬線的耐久性。
如下面的表1所示者，‘濕樣品2’的效能與‘鎳樣品’一樣良好。此表顯示之後以同一金屬線鋸穿1英吋藍寶石錠所須的時間(分鐘)。此結果支持鎳塗層可以樹脂塗層代替且不會損失鋸切效能的想法。
12．．．金屬線
14．．．核心
16．．．鞘
20．．．研磨粒
30．．．有機黏合劑層
100．．．固定的研磨劑鋸線
110．．．固定的研磨劑鋸線
120．．．固定的研磨劑鋸線
130．．．固定的研磨劑鋸線
200．．．截面
210．．．截面
214．．．核心
216．．．鞘
222．．．凹處
230．．．深色薄層
232．．．明確可辨視的層
圖1a以最普通的形式(第一較佳體系)圖示固定的研磨劑鋸線的截面。
圖1b係根據第二體系的鋸線之圖解。
圖1c係根據第三體系的鋸線之圖解。
圖1d係根據第四體系的鋸線之圖解。
圖2a和b出示根據第三體系之鋸線的金相截面。
圖3出示金屬線的比較用鋸切效能。
12．．．金屬線
14．．．核心
16．．．鞘
20．．．研磨粒
30．．．有機黏合劑層
100．．．固定的研磨劑鋸線
110．．．固定的研磨劑鋸線
120．．．固定的研磨劑鋸線
130．．．固定的研磨劑鋸線

Claims (11)

  1. 一種固定的研磨劑鋸線，包含金屬線和研磨粒且該研磨粒以有機黏合劑層固定在該金屬線上，其中該金屬線進一步包含核心和環繞該核心的金屬鞘，該鞘的硬度低於該核心的硬度，其中該核心係普通碳鋼線而該金屬鞘選自銅、錫、鋅、鋁、鎳、黃銅、青銅、鋅-鋁、銅-鎳、鈹-銅或它們的任何其他合金之一，其特徵在於該研磨粒亦藉由壓凹而部分嵌入該金屬線且其中核心和鞘的金屬之介面不合金化且具有粗糙介面，使得該核心和鞘以機械方式互鎖。
  2. 如申請專利範圍第1項之固定的研磨劑鋸線，其中該有機黏合劑層係熱固性聚合物，其選自酚系樹脂、酚甲醛、三聚氰胺酚甲醛或以丙烯酸系為基礎的樹脂或以胺基為基礎的樹脂，如三聚氰胺甲醛、脲甲醛、苯并胍胺甲醛、乙炔脲甲醛(glycoluril formaldehyde)或環氧樹脂或環氧基胺或聚酯樹脂或環氧基聚酯、乙烯酯、以醇酸為基礎的樹脂。
  3. 如申請專利範圍第1項之固定的研磨劑鋸線，其中該有機黏合劑係熱塑性塑料，其選自丙烯酸系、聚胺甲酸酯、聚丙烯酸胺甲酸酯、聚醯胺、聚醯亞胺環氧物、乙烯酯、醇酸樹脂、以矽為基礎的樹脂、聚碳酸酯、聚對酞酸乙二酯、聚對酞酸丁二酯、聚醚醚酮、氯乙烯聚合物。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該有機黏合劑層進一步包含填料，該填料 選自鋁氧化物、矽碳化物、氧化矽、鉻氧化物、氮化硼、雲母、滑石、碳酸鈣、高嶺土、黏土、氧化鈦、硫酸鋇、氧化鋅、氫氧化鎂、鈦酸鉀、硫酸鎂、鑽石晶粒、金屬粉末或它們的混合物。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該金屬線進一步包含選自矽酸鹽、磷酸鹽或鉻酸鹽的無機底漆塗層。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該金屬線進一步包含選自有機官能性矽烷、有機官能性鈦酸酯或有機官能性鋯酸酯或它們的混合物之底漆塗層，以改良該有機黏合劑層對該金屬線之黏著性。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該研磨粒選自鑽石、立方氮化硼、碳化矽、氧化鋁、氮化矽、碳化鎢或它們的混合物。
  8. 如申請專利範圍第7項之固定的研磨劑鋸線，其中該研磨粒經選自鈦、矽、鋯、鎢、鉻、鐵、銅或鎳之塗料塗覆。
  9. 如申請專利範圍第8項之固定的研磨劑鋸線，其中該研磨粒進一步包含選自有機官能性矽烷、有機官能性鈦酸酯或有機官能性鋯酸酯或它們的混合物之底漆塗層，以改良該有機黏合劑層對該研磨粒之黏著性。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該研磨粒具有中間粒子尺寸且嵌入該金屬 線至多約該中間粒子尺寸的三分之一且該有機黏合劑比該中間粒子尺寸的三分之一來得厚。
  11. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之固定的研磨劑鋸線，其中該研磨粒具有中間粒子尺寸且嵌入該金屬線中至少約該中間粒子尺寸的三分之二。
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