專利名稱：在芯和外鞘之間具有粗糙界面的固結(jié)磨料鋸線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋸線，更具體地是涉及一種單絲鋸線，在該鋸線上，通過金屬固定層把磨粒固定在包圍金屬芯的金屬鞘中。線鞘經(jīng)由具有粗糙度的界面被錨固至芯上。這種線可用于切割硬且脆的材料，例如石英(例如用于石英晶體振蕩器或者掩模版)、硅(例如用于集成電路晶片或者太陽能電池)、砷化鎵(用于高頻電路)、碳化硅或者藍(lán)寶石(例如用于藍(lán)光發(fā)光二極管基底)、稀土磁合金(例如用于記錄頭)或甚至天然石或人造石。
背景技術(shù)：
普碳鋼鋸線廣泛用于例如將硅錠切割成薄片一稱為晶片一以用在半導(dǎo)體器件或者光伏電池中。雖然所使用的線被稱為“鋸線”，但是實(shí)際上磨粒是以粘稠料漿形式一通常為碳化硅顆粒在聚乙二醇中的懸浮液一供給至線上，該磨粒磨掉材料并且進(jìn)行鋸割。與這種鋸割方法和用于切割硅錠的相關(guān)設(shè)備有關(guān)的最早專利可能是GB 771622和GB 1397676。 該方法通常被稱為“游離磨料鋸割”，并且是一種“第三體磨蝕”(第三體是磨料)。術(shù)語“鋸線”也用于命名由加捻、并捻或者集束到一起的數(shù)根金屬單絲制成的繩或纜，其上牢固地附連有包括磨料的珠?！颁徖K”、“鋸索”或者“鋸纜”可能是用于該類工具的更準(zhǔn)確的名稱。無論如何，“鋸繩”、“鋸索”或者“鋸纜”不在本申請的范圍內(nèi)。雖然由于供給到工件和線之間的磨粒的“粘著和滾動(dòng)”，“游離磨料鋸割”因其柔和的鋸割而非常令人滿意，但是也具有以下一些缺點(diǎn)*線在過程中會(huì)磨損并且必須定期更換；*料漿將會(huì)帶有硅屑和金屬屑，同時(shí)磨粒將喪失切削能力并且必須定期更換。因此，料漿也必須定期更換，或者必須連續(xù)地或間斷地再生。在JP 05023965A中描述了與游離磨料一起使用的專用鋸線的例子。在該專利文件中描述的現(xiàn)有技術(shù)鋸線在鋼基底上具有銅鍍層。鍍層的厚度小于線總厚度的3%，并且銅和鋼之間的粗糙度Rt —般為3. 0到4. 5 μ m。該申請?zhí)峁┝送ㄟ^對鋼線基底脫碳來進(jìn)一步減小粗糙度的指導(dǎo)。為了克服所提到的問題，人們曾試圖將磨料固定到線上，以便消除對料漿的需要并且減小線的磨損。實(shí)際上，通過將磨粒固定到線上，消除了磨料和線之間的相對運(yùn)動(dòng)，并且線不再受磨料的影響而磨損。僅磨料磨耗，但是這可以通過向切口中不斷地但有限地供給新線來克服。另一方面，磨料不再需要通過料漿攜帶，并且簡單的水基冷卻劑就足以將切屑從切口沖出并從線上沖走。在下面，對于這種鋸線將使用“固結(jié)磨料鋸線”的名稱。目前，這種鋸線的強(qiáng)度構(gòu)件主要是金屬線，盡管已經(jīng)描述并試驗(yàn)了其它強(qiáng)度構(gòu)件 (參見例如W02003/041899)。迄今為止，鋼因其高強(qiáng)度、耐磨性、少蠕變及相對耐高溫而是優(yōu)選的。已經(jīng)有幾種方法用于將磨料固定到金屬線上*可以通過US 6070570中例舉的樹脂來將磨料粘結(jié)到線上。該線的制造方法是比較簡單的，并且不牽涉到對金屬線的高熱載荷。然而，很難在鋸割期間將顆粒保持在樹脂中。*EP 0243825描述了一種生產(chǎn)固結(jié)磨料鋸線的方法，以鋼盤條為原料，以管子包圍盤條，在盤條和管子之間有間隙。向間隙中填充金屬粉末和磨粒的混合物。把端部密封，并且以重復(fù)的步驟對盤條熱處理并冷拔，以便在通過蝕刻而去除了外管之后獲得固結(jié)磨料鋸線。該方法的缺點(diǎn)是，不能生產(chǎn)較大長度(100米以上)的固結(jié)磨料鋸線，所獲得線的拉伸強(qiáng)度比較低(例如低于1800N/mm2)，并且所獲得的線太粗(1毫米)。*EP 0982094描述了一種固結(jié)磨料鋸線，具有不銹鋼芯、用于防止芯線氫脆的中間層和結(jié)合層，它們之中結(jié)合有金剛石顆粒。具有金剛石的結(jié)合層是通過電鍍或者在包括金剛石的沉積槽中進(jìn)行化學(xué)沉積而沉積得到的。給出的實(shí)施例描述了鎳用作中間層以及結(jié)合層。* 一種替代方法是通過如US 61020M中所描述的釬焊活性金屬結(jié)合物來將磨粒固定到線表面上。然后，通過將用于形成碳化物或者氮化物的金屬加入到結(jié)合物成分中來改進(jìn)磨粒和線之間的結(jié)合。一個(gè)例子是鈦，它與金剛石的碳形成碳化鈦?？蛇x地，可以在單獨(dú)的涂覆步驟中用反應(yīng)性金屬對磨粒進(jìn)行預(yù)涂覆。然而，必須限制釬焊過程的熱載荷，以便不使線的強(qiáng)度變差。EP 0081697描述了一種利用金剛石顆粒給線包殼的方法和裝置。首先通過電鍍來用銅或者鎳的鞘層來鍍覆線，然后在硬化的滾輪之間用金剛石顆粒進(jìn)行包殼，通過一個(gè)或兩個(gè)滾輪的反復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)來使線圍繞其軸線滾動(dòng)。之后，借助于用電解法施加的涂層來將金剛石固定到位。us 41878 中描述了一種類似的方法和產(chǎn)品。該方法的問題之一是，嵌有顆粒的鞘層在使用期間傾向于松脫。這是由于芯線和鞘層之間缺乏附著力而導(dǎo)致的。該方法的另一問題是線的橫截面積的相當(dāng)大部分被鞘層占據(jù)。鞘沒有增加線的總強(qiáng)度，但是增大了線的厚度。較粗的線導(dǎo)致了增大的切口損耗?！扒锌趽p耗”是在鋸割過程中損耗的工件材料并且應(yīng)當(dāng)保持在最低限度，因?yàn)檩^高的切口損耗導(dǎo)致有用材料的損失。另一方面，鞘層必須足夠厚，以便磨粒不會(huì)穿透到芯線，因?yàn)槿绻┩傅叫揪€的話由于壓入磨粒形成裂縫將導(dǎo)致芯線損失強(qiáng)度。鞘層也不應(yīng)該太薄，因?yàn)榉駝t的話顆粒將不能被充分地保持在鍍層中并且將會(huì)松脫。

發(fā)明內(nèi)容
從上可知，必須提高鞘層與芯的附著力，以便鞘層在使用期間不會(huì)從芯上松開。附著良好的鞘有助于提高鋸線的使用壽命。這是本發(fā)明的主要目的。本發(fā)明的第二目的是尋求在鞘層的厚度和線的強(qiáng)度之間的平衡，以便使切口損失最小。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，固結(jié)磨料鋸線具有金屬芯和包圍所述芯的金屬鞘，其中， 所述鞘金屬比所述芯金屬軟。借助于標(biāo)準(zhǔn)的顯微維氏硬度試驗(yàn)可以容易地確定芯是否比鞘硬。參見ISO 6507-3 “金屬硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn)小于HV 0. 2”。注意，必須在最終產(chǎn)品上進(jìn)行芯與鞘之間的相對硬度確定，而不是在制造之前的各個(gè)金屬上進(jìn)行。這是因?yàn)?，在磨料線的制造期間材料的硬度會(huì)顯著地變化。磨粒被嵌入到較軟的鞘中，并且通過部分地覆蓋顆粒和鞘的結(jié)合層來保持磨粒。在鋸線的金相橫截面中，必須能夠清楚地辨別出金屬芯和金屬鞘之間的界面。必須適當(dāng)?shù)剡x擇放大倍數(shù)，以使總直徑進(jìn)入觀察區(qū)?？蛇x地，可以使用100倍和1000倍之間的放大倍數(shù)，以便集中于特定區(qū)域。界面是否可辨別取決于許多因素。就此而言，樣品的腐蝕不被認(rèn)為是一因素如果金屬之間的反差不足的話，每個(gè)冶金工作者都知道如何提高。酸或者堿可以用來以不同方式腐蝕芯金屬和鞘金屬，從而導(dǎo)致了清晰的辨別。為了具有可清楚地辨別的界面，芯金屬和鞘金屬必須不能輕易地相互擴(kuò)散，或者必須不可輕易地形成合金。合金是金屬的均勻混合物。必須憑經(jīng)驗(yàn)確定兩種金屬是否輕易地形成合金或者互相擴(kuò)散。在這方面，Hume-Rothery經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則可提供指導(dǎo)。不容易形成合金或者互相擴(kuò)散的金屬的例子是銅對鋼，黃銅對鋼，青銅對鋼。會(huì)互相擴(kuò)散但程度不大的金屬的實(shí)例是鋅對鋼，或者鋅鋁合金對鋼。就鋅對鋼的情況而言，微合金層將由不同相形成，從線的外側(cè)到芯，各相將包括越來越多的鐵。鋅鋁合金對鋼的情況將導(dǎo)致形成由包含高達(dá)5%鋁的鋅層所覆蓋的鐵-鋁合金層(包含高達(dá)30%的鋁)。當(dāng)存在合金層時(shí)，其必須小于2 μ m厚，優(yōu)選小于1 μ m厚。鞘金屬的其他例子是鈹銅合金、銅鎳合金、錫、鋁。容易合金化的金屬例如為鐵對鋼。固結(jié)磨料鋸線的特征為清楚可辨別的界面是“粗糙的”，并且在芯金屬和鞘金屬之間形成了良好的結(jié)合。在圖4中，放大地顯示了圍繞線圓周均勻成角度地分布的區(qū)段“a”到“g”的線芯 410和線鞘420之間的界面。各區(qū)段的跨度長35 μ m。當(dāng)更詳細(xì)地看界面時(shí)，芯金屬410和鞘金屬420兩者彼此很大程度地相互滲透。它們按非常不規(guī)則的方式相互滲透，其中，由界面形成的曲線在許多位置折回存在彼此之間的互鎖，從而形成了“互鎖式機(jī)械結(jié)合”。換句話說當(dāng)沿著從線中心出發(fā)的半徑例如402、402’、402"看時(shí)，界面曲線在超過一個(gè)的點(diǎn)處交叉。用數(shù)學(xué)術(shù)語表示曲線在其全部域內(nèi)不是單值函數(shù)。在曲線域的某些子區(qū)間中，曲線為多值函數(shù)。界面的互鎖特性導(dǎo)致了不會(huì)斷裂的非常牢固的互鎖機(jī)械結(jié)合。因此，軟的鞘在使用期間不會(huì)從芯上松開。注意，在縱向切面中，辨別不出上述粗糙度(例如，參見圖6a和 6b)。雖然國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4287 :1997 “產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)-表面紋理輪廓法-術(shù)語、定義及表面紋理參數(shù)”("Geometrical Product Specifications (GPS) -Surface texture :Profile method-Terms, definitions and surface texture parameters，，)是考慮到基本上平的表面來編寫的，但是也可以使用這些定義和術(shù)語(有一些修改)來量化例如線的圓柱形表面的粗糙度?？梢酝ㄟ^極坐標(biāo)曲線H Θ )來表示線的橫截面的表面，該極坐標(biāo)曲線H Θ )把從線中心開始所取的半徑表示為極角Θ的函數(shù)。由于互鎖的折返，該函數(shù)可以具有超過一個(gè)的值；但是為了允許使用標(biāo)準(zhǔn)化方法，習(xí)慣上僅取離中心最遠(yuǎn)的交叉點(diǎn)的半徑(在存在多個(gè)值的情況中)。可以按許多方法來量化極坐標(biāo)曲線r( θ )的粗糙度， 但是目前為止最普遍的度量標(biāo)準(zhǔn)是“Ra”，即，“所評(píng)估輪廓的算術(shù)平均偏差”。通過對某一采樣角“α”范圍的跡線或者“輪廓”的照片進(jìn)行數(shù)字化來進(jìn)行量化。當(dāng)采樣角α足夠小時(shí)一例如小于對°，優(yōu)選小于12° —可以對輪廓應(yīng)用常用的平面法，即，在“0”到“L”( “L”等于“ α ρ ”，其中“ ρ ”是芯線的半徑)的間隔上用笛卡爾坐標(biāo)“X”來替代角坐標(biāo)“ θ ”，并且偏差Z(X)是相對于采樣長度上的平均值Z取得的
權(quán)利要求
1.一種固結(jié)磨料鋸線，包括金屬芯和包圍所述芯的金屬鞘，其中，所述鞘的金屬比所述芯的金屬軟，還包括嵌入到所述鞘中的磨粒和覆蓋所述磨粒和所述鞘層的結(jié)合層，其特征在于在垂直于所述線的平面內(nèi)的金相橫截面中可辨別的金屬芯和金屬鞘之間的界面是粗糙的，并且該界面在芯和鞘之間形成了結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述粗糙的界面的算術(shù)平均偏差粗糙度Ra平均而言高于0. 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，芯和鞘之間的結(jié)合是互鎖式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述芯的金屬是普碳鋼或者不銹鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述線的總拉伸強(qiáng)度大于2000牛頓/毫米2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述鞘的金屬是以下組中的一種，該組包括銅、鋅、錫、鋁、黃銅、青銅、鈹銅合金、銅鎳合金、鋅鋁合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述鞘的厚度是帶鞘芯直徑的至少5%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述磨粒的中值粒度是所述鞘厚度的 0. 5倍到1. 5倍之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，帶鞘芯的直徑小于250微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述結(jié)合層是從以下的組中選出的一種金屬制成的，該組包括鐵、鎳、鉻、鈷、鉬、鎢、銅、鋅、錫及它們的合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述結(jié)合層是有機(jī)粘結(jié)劑層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述磨粒是從以下的組中選出的，該組包括金剛石、立方氮化硼、碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鎢或者它們的混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固結(jié)磨料鋸線，其中，所述磨粒覆蓋所述帶鞘芯圓周面積的到50%之間。
14.一種生產(chǎn)固結(jié)磨料鋸線的方法，包括以下步驟-選擇中間芯金屬線的中間線直徑，以便能在冷成型之后提供足夠強(qiáng)度； -選擇鞘金屬，它比芯金屬軟并且不會(huì)容易地與鞘金屬合金化或者互相擴(kuò)散； -用鞘金屬來覆蓋具有中間直徑的芯金屬線，從而形成第二中間線； -在線拉拔操作中使第二中間線真實(shí)減徑至少0. 5，以獲得第三中間線； -將堅(jiān)硬的磨粒施加并壓入到第三中間線的鞘中； -隨后，用結(jié)合層來覆蓋所得到線的鞘和磨粒。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過電解來將鞘金屬施加到具有中間線直徑的芯金屬線上，施加的量足以獲得是第三中間線直徑至少5%的鞘厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14到15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所施加的真實(shí)減徑至少為2。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種固結(jié)磨料鋸線，包括芯(310)和比芯軟的外鞘(320)。在鞘中嵌入有被結(jié)合層保持的磨粒。芯和鞘之間的結(jié)合是通過使其粗糙來增強(qiáng)的。算術(shù)平均偏差粗糙度必須至少比0.50微米大。特別優(yōu)選的是在芯和鞘之間引入互鎖。這種界面粗糙度可以通過線拉拔使線經(jīng)受冷成型來獲得。在更高的冷成型程度下也產(chǎn)生互鎖。結(jié)合層可以是金屬結(jié)合層或者有機(jī)結(jié)合層。
文檔編號(hào)B23D61/18GK102413982SQ201080018714
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者D·古森斯, G·坎波斯 申請人:貝卡爾特公司