專利名稱：固定磨料鋸線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋸線(sawing wire)，更特別地涉及在碳鋼絲的外表層錨定有固定磨料顆粒并且固定有粘接層的鋸線。特別關(guān)于線是在高碳含量鋼絲芯上采用低碳含量鋼作為表層。這樣的線可用于切割硬而脆材料如石英(用于例如石英晶體振蕩器或掩?；?(blancs))、硅(用于例如集成電路晶片或太陽能電池)、砷化鎵(用于高頻電路)、碳化硅或藍寶石(例如用于藍光led襯底)、稀土磁性合金(例如用于記錄磁頭)或者甚至天然或人工鉆石。
背景技術(shù)：
用于鋸切大小物件(此后稱之為工件)的由硬而脆材料制得的線已經(jīng)為人們熟知多個世紀。在該領(lǐng)域中使用不同的名稱來命名實際接觸和鋸切工件的構(gòu)件術(shù)語“線鋸”(即為線的鋸，盡管采用線的鋸切設備也用其表示)、“鋸線”(用于鋸切的線)和“鋸切線材(saw wire)”(用作鋸的線)均出現(xiàn)了。在下文中，將堅持術(shù)語“鋸線”?！颁徖K(sawing rope) ”或“鋸纜(sawing cable)，，是包含由在其上固定有磨料珠的多根纖絲制得的繩的繩索，其有時被稱為“鋸線”，但其不落入本申請的范圍?；旧希従€作為將材料從要鋸切的物件上磨掉的磨料構(gòu)件的載體。這些磨料構(gòu)件-可以從載體分離并且通過一種或另外一種方法將其注入線和要鋸切的物件之間。該方法有時被稱為“第三本體磨損”(第三本體是磨料構(gòu)件)或“松散的磨料切割”。一個眾所周知的例子是通過普碳鋼絲切割硅錠，所述鋼絲帶著漿料進入切口。該漿料包含細的磨料顆粒，其在線和工件之間滾動粘貼，局部壓碎材料并且因而進一步深化切口，或者-可以由與線(如在木鋸中)相同的材料制得的以突出齒的形式附著在載體線上， 或者-可以以除了線以外的另一材料的磨料顆粒形式附著在載體線上。在后者情況中， 顆粒必須是硬的并且應該牢固地附著在載體線上。本申請所關(guān)注的是最后一種類型的線，將其稱為“固定磨料鋸線”。對固定磨料鋸線所期望的是以下-必須以足夠長的長度(至少是千米)提供，因為短的長度使往復運動成為必要。 往復運動意味著重復的加速和減速，因而損失了能量和時間。線越長，需要的轉(zhuǎn)向越少。-此外，往復(throand fro)運動傾向于將磨料顆粒擺動出線，由于顆粒的損失導致線過早的磨損。因此有必要將磨料顆粒在線里或線上固定好。固定好不僅意味著磨料顆粒必須保持在原位，而且意味著它們相對于線的彈性運動保持為低的。-線越薄越好。較薄的線意味著較少的鋸口損失。鋸口損失是磨損掉并損失的工件材料的量。較少的鋸口損失意味著較好的利用材料。對于貴重的材料(例如硅、砷化鎵或稀土磁性合金)，在鋸口損失方面的小的減少導致大的財政獲利?；鶞室运缮⒌哪チ锨懈钤O定，其中120 μ m標準的線是慣例，并且采用80 μ m的線進行測試。這導致130-140 μ m和 90-100 μ m的鋸口損失，因為漿料載體中的磨料顆粒也在線和工件之間占據(jù)了一些空間。-由于在鋸切過程期間必須將線拉緊以便將磨料顆粒壓入物件中，因此線必須能夠維持一定的張力。可維持的較高張力導致在磨料顆粒上較大的接觸力并且因而較高的鋸速(盡管存在對此的限制)。該張力通常為20N以上。-對低鋸口損失的需求即小寬度的固定磨料鋸線與需要高張力的高鋸速相結(jié)合， 使得高拉伸強度線的使用是不可缺少的。線的拉伸強度以斷裂載荷來確定-線斷裂時的力與線的橫截面積相除，并以N/mm2表示。為了安全可靠，線的最小斷裂載荷應該至少是張力的約兩倍。在例如200 μ m的固定磨料鋸線的情況下，這導致1300N/mm2的最小拉伸強度， 并且在140 μ m的固定磨料鋸線的情況下導致^00N/mm2的最小拉伸強度。-優(yōu)選鋸線不應該使用污染物污染工件。例如將嘗試消除在硅晶片鋸切中的銅，這不僅是因為硅中的擴散銅是電活性的，而且因為含銅的廢水處理更難。固定磨料鋸線已描述于與本申請的目的最相關(guān)的各個專利申請和專利中EP0M3825描述了從鋼絲桿和圍繞桿的管開始制備固定磨料鋸線的方法，其中桿和管之間具有空隙。采用金屬粉末和磨料顆粒的混合物填充該空隙。在通過將其蝕刻掉而移除外部管后，密封末端并將該桿在重復的步驟中熱處理和冷拉拔，以獲得固定磨料鋸線。 缺點是該方法不允許制備可觀長度(高于100米)的固定磨料鋸線，所得線的拉伸強度較低(比如低于1800N/mm2)并且所得的線太厚(Imm)。EP0982094描述了具有一種固定磨料鋸線，該鋸線具有不銹鋼芯、用于防止芯線氫脆的中間層和在其中結(jié)合有金剛石顆粒的粘結(jié)層。通過從包含金剛石的沉積液電鍍或化學鍍來沉積在其中具有金剛石的粘結(jié)層。給出的實施方案描述了鎳作為中間層以及粘結(jié)層。W099/46077描述了一種固定磨料鋸線，該鋸線包含金屬線和通過硬釬焊或軟釬焊金屬結(jié)合固定于線的超級磨料晶粒，其中優(yōu)選在具有預先選擇的表面分布的表面上布置所述晶粒。該申請?zhí)岬接捎谟测F焊和軟釬焊所需要的熱處理使鋼絲可能損失強度。這是滿足拉伸強度要求所不期望的。EP0081697描述了采用金剛石顆粒包覆線的方法和裝置。在硬化輪之間包覆金剛石顆粒之前，一個離開涂覆有銅或鎳層的線，所述輪繞著其軸向通過一個或兩個輪的重復軸向運動軋制該線。此后，通過電解施加的覆層將金剛石固定到位。JP5016066A2的摘要描述了通過高碳鋼絲的受控脫碳來制備具有高碳鋼芯和低碳鋼表層的鋸線。然而，打算將該線用于松散的磨料漿料工藝。因而，松散的磨料漿料中的磨料顆粒沒有被固定于碳表層中，而以連續(xù)的方式再次變得粘著和變得松散。此外，脫碳通常導致碳的損失，因而導致線強度的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供具有改善性質(zhì)的固定磨料鋸線。本發(fā)明的又一個目的是提供一種線，其中磨料顆粒不僅被良好地固定并且在鋸切期間顯示較少的彈性運動。另一個目的是提供具有足夠高的拉伸強度的固定磨料鋸線，從而使低的鋸口損失與高鋸速相結(jié)合成為可能。描述了一種制備長度大于如一千米的這種線的方法，這也是本發(fā)明的又一個目的。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了一種固定磨料鋸線形式的產(chǎn)品。該鋸線包含由鋼制得的中心線。由于鋼是鐵和碳以及其它元素的合金，其通常包含一定數(shù)量的碳。所述線的外圍具有不同于線的內(nèi)芯的成分。在下文中將該外圍稱為表層。在表層中固定磨料顆粒。 在所述表層上施加粘結(jié)劑層從而更好地在表層中保留顆粒。線的橫截面可具有任何合適的形狀。該形狀由鋸切的方法所確定。例如在多線鋸 (其中單根線在兩個或更多個導輥間重復地并行穿成串，給予機器的名稱因而在一定程度上誤解為僅使用一根線)中橫截面優(yōu)選圓形。事實上，在這樣的多線鋸中由于在滑輪和導輥之間的多處彎曲，所述線傾向于旋轉(zhuǎn)，因而旋轉(zhuǎn)對稱的線即圓線是最適合的。這樣的圓形的固定磨料鋸線的總直徑(即包括磨料顆粒)可為80微米到至多300 微米，再次通過其使用的機器確定。例如，在適合從描述于例如專利CH692489中的多晶硅塊料(例如1乘1米)切割方形塊料(12. 5X12. 5cm2)的鋸切機器中，約250微米的線會更合適，因為需要很多的力在1米長的長度上拖拉線。在用來于低的力下切割小樣品的實驗室鋸切機器的情況下，80微米的線即可。對用于半導體行業(yè)的多線鋸的切片，100-200微米的線似乎最合適，其中使用者當然將喜歡最薄的線。作為替代，橫截面可以是橢圓或甚至矩形形狀。當使用框鋸(在框鋸中單根線在框中被拉緊彼此平行，該框在工件上相互運動)時例如公開于USM38973中的淚珠形狀是最優(yōu)選的。淚珠形狀允許進一步地減少鋸口損失而不損失強度。當在較長側(cè)的平面內(nèi)彎曲時，高的抗彎勁度也允許在切割中的較高鋸切壓力。另一個替代方案是使用繞著它們自身的軸向擰在一起的變平的線。甚至星狀的橫截面可在特定情況下例如在手工操作的鋸中有用。固定磨料鋸線不同于現(xiàn)有技術(shù)，在于鋼絲芯具有珠光體金相組織而表層具有鐵素體金相組織。鋼金相組織的確定是標準化技術(shù)將線鑲嵌入環(huán)氧塊料中，將其垂直于線的軸切穿并且隨后拋光。然后在硝酸醇溶液中蝕刻橫截面的光亮表面，該硝酸醇溶液是約3 體積％的硝酸(HNO3)和醇例如乙醇(C2H5OH)的混合物。由于蝕刻，鋼的晶粒組織于金相顯微鏡下在約100-500倍下變得可見。在下文中當以占其總重量的分數(shù)的成分形式給出材料組成時，將顯示為“wt%”并且應該將其讀作“重量百分比”，除非它有其它清楚的意思。珠光體組織(或簡稱珠光體)在顯微鏡下顯示褐灰的珍珠似的面貌(其名稱來源于此)。純珠光體組織在鋼的合適熱處理(在高于723°C的溫度下奧氏體化并接著慢冷卻) 后形成。珠光體是88wt%的鐵素體(幾乎不包含碳的鐵)和12wt%的滲碳體(Fe53C)的混合物，導致0. 80wt%碳的共晶濃度。當鋼的碳含量低于0. 80wt%例如為0. 40wt%時，鋼被稱為亞共析的，并且形成的珠光體在由鐵素體圍繞的區(qū)域中可見。當碳含量高于0. SOwt% 比方為1.2Wt%時，鋼被稱為過共析的，并具有包含珠光體和滲碳體(‘晶界滲碳體’)的顯微組織。有經(jīng)驗的分析師在約0. 2wt%碳的步驟(st印)中通過金相照片可確定以重量計的碳含量。因為具有精確0. 80wt%碳的純珠光體組織是虛構(gòu)的，所以主要的權(quán)利要求引用 “基本上為珠光體的金相組織”。出于本申請的目的，為了獲得具有高于0.40wt%碳含量的這種組織，認為被正確處理的鋼顯示了 “基本上為珠光體的金相組織”。
固定磨料鋸線的表層顯示了基本上為鐵素體的金相組織或簡稱“鐵素體”。鐵素體在金相照片中是清晰地可識別的，因為其顯示出顯著較亮并且不是著色的。出于本申請的目的，鐵素體在具有0. 04wt% -0. 20wt%碳含量的鋼中形成。實際的鋼組成不僅包含鐵和碳，而且包含很多其它的合金和痕量元素，其中一些在強度、韌性、可成形性和耐腐蝕性等方面對鋼的性質(zhì)有深遠的影響。由于對于本申請強度重要，優(yōu)選下列元素組成用于鋼絲的芯-至少0.70wt%的碳，上限取決于形成線的其它合金化元素(見下文)-0. 30-0. 70wt%的錳含量。錳與碳類似，增加線的應變硬化并且也在鋼的制備中起到脫氧劑的作用。-0. 15-0.30wt%的硅含量。在制備中將硅用于使鋼脫氧。類似碳，硅幫助提高鋼的應變硬化。-元素如鋁、硫(低于0.03% )和磷(低于0. 30% )的存在應該保持在最少。-鋼的余量是鐵和其它元素對于碳含量高于共析組成(0.80% wtC)，鉻(0. 005-0. 30 % wt)、釩(0. 005-0· 30 % wt)、鎳(0. 05-0. 30% wt)、鉬(0. 05-0. 25%wt)和痕量硼的存在可減少晶界滲碳體的形成， 并且因而改善線的可成形性。這樣的合金化使碳含量能為0. 90-1. 20wt%，導致可高于如拉拔線的4000ΜΙ^的拉伸強度。這樣的鋼是更優(yōu)選的，其存在于US2005/0087270中。如果在下文提到“高碳含量”或“高碳鋼”，應該將其理解為鋼絲芯的碳含量。所述線表層的鋼組成不太關(guān)鍵，因為它主要為鐵，具有一些碳 (0. 04wt%-0. 20wt%)以及其它痕量元素在其中。在下文中提到“低碳含量”或“低碳鋼” 時，應該將其理解為鋼絲表層的碳含量或鋼。以上所有鋼組成均以“普碳鋼”的組成為特征，因為主要的合金化成分是碳。賦予高強度的鋼因而是最優(yōu)選的，因為線的芯必須承受所有的力，表層為低強度，由于磨料顆粒的存在低碳鋼的強度甚至進一步減少。此外，由于在圓的橫截面中大部分區(qū)域位于圓的邊界處，因此許多區(qū)域是低碳鋼，因而對固定磨料鋸線的總斷裂載荷無貢獻。這使得具有足夠強度的細直徑的固定磨料鋸線成為非明顯的挑戰(zhàn)。根據(jù)本發(fā)明的固定磨料鋸線，通常對于小于250 μ m的直徑具有超過2000N/mm2的拉伸強度，對于小于150 μ m的直徑具有超過2250N/mm2的拉伸強度，對于小于120 μ m的直徑具有超過2500N/mm2的拉伸強度。拉伸強度定義為固定磨料鋸線的斷裂載荷除以其金屬表面(不包括由磨料顆粒占據(jù)的面積)。在用于金相組織確定的線的橫截面上確定金屬表面。任何金屬層均計入表面。從芯到表層的徑向測量的局部碳含量將顯示遞減的函數(shù)。這示意性地說明于圖加或2b中，其中以重量百分比計的徑向局部碳分布‘ Γ (r) ’顯示為離中心的距離‘r’的函數(shù)。 鋼絲具有半徑‘R’并因而有直徑2R?？赏ㄟ^從‘0’到‘R’積分Γ (r)得到平均‘亡’含量
RC= ^Y (r)2 wdr I Tdi2
0實驗上，最容易確定的當然是平均碳含量(C ’ ，例如通過LEC0CS230碳和硫測試儀。為了不干涉這些，碳含量應該在移除顆粒和固定層后確定。平均碳含量應該至少為0. 40 重量％。如果其高于0. 55wt %的碳或甚至0. 60wt %以上的碳，則是更優(yōu)選的。
Γ (r)的測量是困難的，但可以以許多方式來進行-存在金相評估的方法。如前所述，有經(jīng)驗的分析師可評估單獨約0.2wt%碳等級的碳含量。在任何情況下，鐵素體和珠光體的存在用標準程序來確定。-最精確的方法當然是局部地獲得沿著線半徑的碳含量微觀分析。這樣的分析目前在裝備有波長色散譜儀的掃描電子顯微鏡(SEM-WDQ上的是可能的。這是提及的最終方法。相對碳分布的間接測量可通過維氏微觀硬度測量而獲得。在該公知的方法(參見 ISO 6507-3 ‘Metallic Hardness Test =Vickers Test less than HV 0.2，)中，將具有136°面角的四方基金剛石金字塔的微壓頭以特定的力(0.9807N，硬度標記HV 0. 1)在特定的時間(10秒)內(nèi)推入材料。此后，測量壓痕的幾何形狀，并可由此計算局部微觀硬度 (以N/mm2表示)。為了提高本方法的空間分辨率，將線包覆在環(huán)氧樹脂中，以與線的軸向成一定角度切割并將其拋光。測量沿著形成的橢圓長軸的規(guī)則的點處的硬度，并且計算相對于線軸向的正確的徑向位置。測量的硬度是鋼金相組織、賦予線的應變硬化量(其在線的橫截面上相等)以及碳含量的函數(shù)。維氏微觀硬度的測量特別重要，這是因為它給出了磨料顆粒是多么容易被壓入表層中的測量。以與碳含量相同的方式，可通過由局部維氏微觀硬度取代‘ Γ (r) ’作為徑向距離 ‘μ (r)’的函數(shù)來計算加權(quán)平均維氏微觀硬度‘HVavg’
權(quán)利要求
1.一種包含鋼絲的鋸線，所述鋼絲具有芯和表層，固定在所述表層中的磨料顆粒，以及在所述表層上用于粘結(jié)所述表層中的所述顆粒的粘結(jié)劑層，其特征在于所述表層具有用于實現(xiàn)所述顆粒的壓痕的基本為鐵素體的金相組織，同時所述芯具有用于向所述鋸線提供強度的基本為珠光體的金相組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鋸線，其中所述鋼絲具有加權(quán)平均維氏微觀硬度，所述表層具有低于所述平均值的局部維氏微觀硬度，所述芯具有高于所述平均值的局部維氏微觀硬度， 所述芯和所述表層在邊界處相遇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鋸線，其中所述加權(quán)平均維氏微觀硬度為至少500N/mm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的鋸線，其中從所述芯到所述表層的過渡在所述邊界處是突兀的，并且沒有混合相是金相學上可辨別的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的鋸線，其中從所述芯到所述表層的過渡在所述邊界處是平滑的，并且包含鐵素體和珠光體的混合金相。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鋸線，其中所述過渡的寬度大于5微米，所述寬度定義為其中局部維氏微觀硬度從400變化到650N/mm2的徑向距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的鋸線，其中所述鋼絲具有至少0.40重量％碳的平均碳含量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鋸線，其中線的總拉伸強度大于2000N/mm2。
9.根據(jù)權(quán)利要求2-8中任一項的鋸線，其中所述表層具有以從外周到所述邊界測量的徑向距離定義的表層厚度，所述顆粒具有相對于所述線的外周的壓痕深度，所述表層厚度至少是最大的壓痕深度從而避免對所述芯的損壞。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的鋸線，其中所述表層厚度至少為d9(l，用于改善所述顆粒在所述表層中的錨定，其中d9(l是100個顆粒中有90個具有低于d9(l的尺寸的顆粒尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的鋸線，其中所述表層厚度至少為所述顆粒中值尺寸的一半。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項的鋸線，其中所述鋼絲具有直徑并且所述表層厚度大于所述直徑的7%。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項的鋸線，其中顆粒覆蓋面積除以總的線面積的分數(shù)為 1-50%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項的鋸線，其中所述粘結(jié)劑層是金屬粘結(jié)劑層，所述金屬為選自鐵、鎳、鉻、鈷、鉬、鎢、銅(cupper)、鋅及其合金中的一者。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項的鋸線，其中所述磨料顆粒選自金剛石、立方氮化硼、 碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鎢或其混合物。
全文摘要
公開了一種固定磨料鋸線(40)，其包含鋼絲和固定于其上的磨料顆粒(42)。該鋼絲具有高碳鋼，高強度珠光體芯(14)和低碳鐵素體鋼表層(12)。顆粒壓印在表層(12)中并且進一步通過粘結(jié)劑層(18)保持在原位。已獲得好的鋸切結(jié)果，推測這是由于低碳(或甚至鐵)表層(12)的使用。固定磨料鋸線(40)可方便地用在現(xiàn)存的用于切割硅晶片(太陽能和半導體)或其它高成本材料的線鋸上，但是不需要磨料漿料。
文檔編號B23D61/18GK102292185SQ201080005268
公開日2011年12月21日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者D·古森斯, G·坎波斯, X·埃米爾斯 申請人:貝卡爾特公司