带有可移除保护涂层的固定磨料锯线
阅读：1021发布：2020-07-30
专利汇可以提供带有可移除保护涂层的固定磨料锯线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种锯线，其上牢固地连接有 磨料 微粒，并且随后 覆盖 了 有机涂层 ，用于在运输和使用期间保护锯线免受彼此损伤。有机涂层易于溶解在优选为 水 的 溶剂 中。作为选择地，有机涂层不牢固，从而通过机械摩擦可以易于移除。最优选的是，在使用期间、即在锯割期间，有机涂层消失。有机涂层的功能是当在 往复锯 割模式中将锯线再缠绕在自身上时保护固定磨料锯线在运输期间、尤其在使用期间免受损伤。，下面是带有可移除保护涂层的固定磨料锯线专利的具体信息内容。
1.一种固定磨料锯线，包括芯部金属线和使用无机固定层附连至所述芯部金属线的磨料微粒，其特征在于，所述磨料微粒和所述无机固定层被涂覆了有机涂层，所述有机涂层能够在使用之前或使用期间被移除，以致露出所述磨料微粒。
2.根据权利要求1所述的固定磨料锯线，其中包含所述有机涂层的所述固定磨料锯线的最小外接圆的直径大于仅围绕所述磨料微粒的最小外接圆的直径。
3.根据权利要求2所述的固定磨料锯线，其中所述无机固定层是金属基固定层。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的固定磨料锯线，其中所述有机涂层能够溶于极性介质中。
5.根据权利要求4所述的固定磨料锯线，其中所述极性介质是以下之一：水、聚乙二醇、乙醇、二乙二醇以及它们的混合物。
6.根据权利要求4或5所述的固定磨料锯线，其中所述有机涂层包括选自包括下列聚合物的组中的聚合物：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚（丙烯酸）、聚（丙烯酸甲酯）、甲基纤维素、聚乙烯醇或者乙烯/乙烯醇共聚物、聚乙烯噁唑啉或它们的混合物。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的固定磨料锯线，其中所述有机涂层包括聚合物，所述聚合物选自热塑性聚合物、热熔性聚合物或热固性聚合物。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的固定磨料锯线，其中所述聚合物是生物聚合物，所述生物聚合物选自包括酪蛋白、淀粉衍生物、水凝胶、聚糖或蛋白基聚合物的组中。
9.一种在运输期间保护固定磨料锯线的方法，包括如下步骤：
提供固定磨料锯线，磨料微粒借助于无机固定层固定在所述固定磨料锯线上；
使用有机涂层涂覆所述固定磨料锯线，所述有机涂层能够在使用之前或使用期间被移除。
10.根据权利要求9所述的方法，其接着包括在使用所述固定磨料锯线之前或使用期间移除所述有机涂层的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中移除所述有机涂层的步骤通过在使用所述固定磨料锯线之前或期间将所述有机涂层溶解在溶剂中来实现。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述有机涂层溶解于在锯割期间使用的冷却剂中。
13.根据权利要求10所述的方法，其中借助于机械手段移除所述有机涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过刮刷、削去、抛光、剥离、燃烧或它们组合中的任意一种方法，在使用前移除所述有机涂层。
15.根据权利要求9所述的方法，其中使用有机涂层涂覆所述固定磨料锯线的步骤通过挤压、粉末涂覆、粉末静电涂覆、帘幕涂覆、刷、浸渍或它们的组合中的任意一种方法来实现。
16.根据权利要求9所述的方法，其中在将所述固定磨料锯线缠绕在载体上的同时，实施用有机涂层涂覆所述固定磨料锯线的步骤。
带有可移除保护涂层的固定磨料锯线
技术领域
[0001] 本发明涉及一种在锯割硬脆材料期间使用的固定磨料锯线。
背景技术
[0002] 当前，锯割例如硅、石英、砷化镓、碳化硅、蓝宝石、磁材料或切割长度小于一至两米的任何其它昂贵材料的硬脆材料的主要技术是借助于多环单锯线。在这种锯中，通过圆形、细、高张力钢线，将包括悬浮在载体液体（通常是聚乙二醇）的磨料微粒（主要是碳化硅）的悬浮液被拖入工件的切口中。由带有凹槽的绞盘引导金属线形成彼此平行的环，因而形成金属线网。由在金属线和工件之间滚动的磨料微粒的滚压-嵌入作用来切割工件。由于在使用期间浆液成分的改变，该过程是棘手的，由于金属线和磨料都逐渐磨损并且被持续补充，其是昂贵的，由于浆液被绞盘溅到四周而显得脏乱，并且由于使用的浆液（其中在其中具有工件材料碎片和钢砂）和金属线必须以受控的方式丢弃，其具有高环境成本。
[0003] 因而，该产业一直寻求方法以免除浆液制备、浆液控制和丢弃。所建议的一种方法是免除使用磨料微粒的载体液体，而将磨料微粒直接固定在金属线上。那么，仅还需要冷却液以冷却工件，并且将可能聚集在金属线上的碎屑洗净。这导致：
[0004] 更好的锯割作用，因为传递了磨料微粒的整个冲量以切割工件（不再有微粒的滚动），
[0005] 更纯净的副产品，因为冷却液主要包含工件碎屑，以及
[0006] 更好地使用消费品，因为更好地使用磨料，而金属线的磨损少得多（由于磨料相对于金属线固定）。
[0007] 这种类型的金属线称为“固定磨料锯线”。磨料微粒牢固地连接至载体金属线。通常，使用精细的金刚石微粒（通常10至50μm尺寸）作为磨料微粒。这种金属线维持其切割作用更长时间，因为金属线未被磨料磨损-磨料固定在金属线上-与松散的磨料锯割处理相反，其中金属线也磨损，正如正锯割的工件。
[0008] 锯线锯割固有地导致（有时珍贵）工件材料的损失。因而，还需要持续努力以保持“锯痕损耗”（损失为锯割碎屑的工件材料量）尽可能低。当前使用的固定磨料锯线最小的外接外径（即，围绕磨料微粒的虚拟圆的最小直径）范围在用于切料和锭成形的310μm至用于切片的145μm之间。
[0009] 而且，在锯线锯割中，锯线必须拉紧。随着将锯线推压工件，将纵向施加的张力转换成在切割平面内的横向力。该横向力-结合锯线的纵向移动-使得锯线切割工件。因而，在锯割期间，锯线呈弓形。张力越大，弓越小，切割越快。在实践中，张力在切片网中约为25牛顿，但是在切料和锭成形的情况下更大（>70N）。
[0010] 在自由磨料切割具有几何形状续期的工件时-诸如太阳能电池晶片-可以单向地驱动锯线，即在切割期间，锯线始终在同一方向上移动。作为选择地，为了更多要求镜片参数用途-诸如用于半导体工业-可以双向地驱动该过程。在该情况下，在向前方向上从线轴在向前长度FL上拉动新锯线，随后锯割方向在向后长度BL上反向。FL大于BL。“双向锯割”有时也称为“后-前锯割”、“往复锯割”或“朝圣模式锯割”。目前，在朝圣模式中仅适用固定磨料锯线，其中向后长度BL略小于向前长度FL。因而，多次使用同一锯线长度，即具有高使用率。
[0011] 该前后锯割具有一些特别问题。在向后方向期间，将锯割使用的可能受金属屑（即来自工件的碎屑）弄脏的锯线绕回在干净的锯线上距离BL。在该绕回期间，张力处于切割头部张力，即25N或者更大，而通常在生产锯线期间，线轴的缠绕力仅为2至5牛顿。这可能导致诸如将已使用的锯线“切割”进入新的锯线捆中的问题，在将已使用的锯线端部从新锯线中抽离时引起锯线的断裂。由于锯线涂覆有磨料，一些磨料微粒可以作为锯线的横向切割工具，并且在受张力和使用的相关力的情况下切割或损坏锯线。
[0012] 锯线的高使用率暗示着每个周期中仅将非常少的锯线带入网中，并且在进入网中之前将其缠绕回至新锯线上多次。例如，在新长度（FL-BL）的锯线完全进入网中之前-并且不再返回放线线轴，其已经在放线线轴上再缠绕了BL/(FL-BL)次。根据所使用的朝圣模式，这易于总计达到在放线线轴上缠绕超过100、甚至200次。应当注意到，出于本发明的目的，从上消耗锯线的线轴将称为“放线线轴”（即使其暂时作为缠绕锯线、即缠绕锯线的线轴），而接收已使用的锯线的线轴称为“收线线轴”（虽然其间歇地用作为递送锯线的线轴）。
[0013] 而且，在大部分当前的机器设计中，约25牛顿或更高的用于锯割的张力毫无缩小地传递至线轴的线圈上。更严重的是，磨料微粒突出到锯线表面之外（否则将不能切割），并且在许多向后缠绕期间，线轴上和到达线轴上的锯线彼此往复损伤，这将被称为“自损伤问题”。由于将锯线缠绕回仍然需要使用的新锯线上，该问题在放线侧最为严重。因而新锯线以已经损伤的状态进入网中，由此极大地增加了在锯割处理期间锯线断裂的风险或者降低锯割性能。
[0014] 通过诸如在EP0261695、US3942508或US5052366中所示的机器设计可以防止“自损伤”问题，所述机器设计将已使用的锯线收集在导向轮阵列系统中，并且由此还减少了从切割头部到线轴的锯线张力，但是这种设计更为复杂和昂贵。
[0015] 在收线侧，自损伤问题相对不那么严重，因为锯线磨损，而磨料已经变钝：进入收线线轴的锯线落在已经磨损的锯线上。因而，收线线轴上的锯线不能过多损伤落于收线线轴上的锯线。反之亦然：再进入绕组上切割头部的锯线不能被位于其上的锯线而损伤。
[0016] 已经搜寻尝试解决该问题，以将锯线小心地以六边形或正方形关系缠绕在线轴上的层中(如EP1698433A1中所述)，以便于防止点接触和传播接触压力。然而，给出固定磨料锯线的细度，通常约150μm，这并非容易。
[0017] 已经建议的另一解决方法是使用粘结层，在其上彼此平行地粘结多根磨料锯线（US6178962）。
[0018] 当前，开发了各种技术以便于将通常是金刚石粉末微粒的磨料微粒固定至载体锯线上：
[0019] 通过机械结合可以实现固定：通过将金刚石微粒压在软外壳高张力锯线中，诸如，例如在本申请人的申请号为EP2010/055678的申请中所述的。在这种锯线中，磨料微粒的部分位于软外壳中，由此消除了磨料微粒的突出，这有利于避免自损伤。
[0021] 还已经广泛地研究了诸如例如US6070570中所述的树脂结合。然而，在锯割期间由于固定很弱，这变得难以将微粒固定在树脂中。
[0023] 一般地，可以在有机结合的磨料微粒（树脂结合）和无机结合的磨料微粒（嵌入在金属层中、铜焊微粒、电解或无电镀镀微粒）之间有所区别。
[0024] 发明者发现了对该问题的解决方案，下面将对其进行描述。
发明内容
[0025] 本发明的目的主要是消除自损伤问题。该目的尤其是对过程或机器进行最小可能的改变而消除该问题。本发明的基本原理是通过在固定磨料锯线周围提供易于移除且一次性的有机涂层而防止其自损伤。
[0026] 根据本发明第一方面提供了一种固定磨料锯线。固定磨料锯线通常形成在高张力元件周围，其主要是钢，诸如碳素钢或不锈钢。最优选的是由碳素钢（最小碳含量是0.70wt%碳）或不锈钢制成的钢芯。在致力于减少固定磨料锯线的总直径时，锯线的张力强度必须相应增加。固定磨料锯线的芯的优选直径和张力强度是：
[0027] 如果直径小于...那么张力强度大于...
[0028] 250μm 900N/mm2
[0029] 150μm 3600N/mm2
[0030] 140μm 3700N/mm2
[0031] 120μm 3900N/mm2
[0032] 张力强度是锯线的断裂负荷（牛顿）除以横截面面积（mm2）。
[0033] 磨料微粒固定在芯线上。磨料微粒可以是超级耐磨磨料微粒，诸如金刚石（天然或人工，后者略微优选，因为其成本较低且颗粒易碎）、立方氮化硼或它们的混合物。对于较不严格的应用，可以使用诸如碳化钨（WC）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）的微粒：虽然它们较软，但是与金刚石相比，它们相当便宜。然而，最优选的仍然是金刚石。
[0034] 借助于是无机的固定层将磨料微粒牢固地连接或固定至芯线。术语“无机”指的是不依赖于碳或硅化学以固定微粒的任何类型的固定层。在使用树脂以将磨料微粒固定至芯线的固定磨料锯线中，固定层是无机的。
[0035] 无机固定层的实例是：
[0036] 通过将磨料微粒嵌入包围芯线的软层中、随后通过诸如WO2010/125083和WO2010/092151中所述的金属涂层而形成的固定。优选地是，第一软层是铜层，而涂层是镍。
[0037] 通过诸如WO2010/071198中所述的焊接而形成的固定。优选地是，所使用的焊料是低温熔融焊料，诸如锡银或锡锌焊料，以限制芯线的热负荷。作为选择地，可以使用耐高温线，诸如US6102024中所述的钨线。清楚地是，这种金属层是无机层。
[0038] 通过无电镀或电解沉积处理而形成的固定。无机涂层是金属涂层，最优选的是镍金属涂层。在US7704127或EP2277660中描述了优选固定磨料锯线的一个实例。
[0039] 通过其它无机手段形成固定，诸如举例而言，嵌入在玻璃涂层中。
[0040] 从上文中清楚可知，优选地，无机固定层实际上是金属的，其中使用不同层用于实现不同的功能。对于嵌入层优选的金属是软的，诸如锌、铜、黄铜、低碳钢，用于固定磨料微粒的金属主要是镍或镍合金（磷酸镍、镍钴等）。
[0041] 最优选地是电解沉积的固定磨料层，因为金刚石的突起基本上引起了高切割效率。然而，该高水平的突出导致了高风险的自损伤，其可以如下所述地加以解决。
[0042] 该在无机涂层中具有附于其上的磨料微粒的固定磨料锯线，还覆盖了有机涂层。有机涂层并不意图将磨料微粒固定在合适的位置。该有机涂层意图保护固定磨料锯线防止自损伤。由于在使用之前有机层位于锯线上，但是在使用之后消失，缠绕回至新金属线上的已使用金属线将不会受新锯线的损伤，因为该使用过的金属线位于由新金属线的有机涂层形成的“垫”之上。相反地，位于线轴上的新金属线由有机涂层保护以防止受到以高张力位于其上的基本无有机涂层的已使用金属线的损害。
[0043] 由于有机涂层的功能仅仅是用于在运输期间保护锯线，其对于锯线的锯割功能毫无用处，并且不会妨碍该功能。出于本发明的目的，“运输锯线”应当广义地认为，不仅意味着整体地物理运输锯线圈，还意味着如果仅将一部分锯线运输至载体上或离开载体，即缠绕或卷开的锯线也认为是“运输”锯线。因而，有机涂层的主要功能是“在运输期间防止锯线自损伤”。由于有机涂层基本上具有高自摩擦系数，有机涂层的另一优点是维持线轴中的不同线圈相对彼此固定。这样，防止了运输期间或者穿过锯线网期间锯线之间的纠缠。因而，优选是有黏性的、粘滞性的有机涂层。这种涂层的优点是防止了锯线相对于彼此的横向移动：精确地是磨料微粒擦伤倾斜于该锯线的轴，这是对于锯线最有害，并且使其永久地断裂。
[0044] 为了使得有机涂层不妨碍锯割过程，一些选择仍然维持开放：
[0045] 首先，可以仅在使用固定磨料锯线之前移除有机涂层。在该情况下，应当在放线线轴或者放线线轴和锯线网之间提供移除方法步骤，其将其第一入口上的有机涂层移入网中。因而，在每个循环中，由于其剩余长度BL已经在前一循环中清除，需要仅从有机涂层中释放长度（FL-BL）。
[0046] 当然，选择用于有机涂层的有机材料非常重要。涂层应当便宜的、容易使用、柔软、非粘附或者极微小地粘附至金属并且最重要地是易于移除，并且优选这是以环境友好的方式。
[0048] 尤为优选可以用作为有机涂层的聚合物是聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚（丙烯酸）、聚（丙烯酸甲酯）、甲基纤维素、聚乙烯醇或者乙烯/乙烯醇共聚物、聚乙烯噁唑啉或其混合物，因为它们容易溶解在如上所述的极性介质中。最优选的是聚乙烯醇和甲基纤维素。聚乙烯醇易于溶解于水，并且具有卓越的薄膜成形能力，并且无毒。甲基纤维素当介质被加热时在极性介质中形成沉淀，这提供了移除其的便利方法。
[0050] 备选的聚合物是不溶于极性介质中的聚合物，诸如热塑性聚合物、热熔性聚合物或热固性聚合物。虽然本质上并非不可能，但是对于预期用途，它们较不优选。
[0051] 固定磨料锯线上的有机涂层的量不能多。其必须足以覆盖金刚石，并且防止锯线在彼此上滑动。其足以使得包含所述有机涂层在内的所述固定磨料锯线的最小外周圆的直径大于仅围绕所述磨料微粒的最小外周圆的直径。过多的涂层将形成过多的废物（在移除装置中或在冷却液中）。涂层不足将不会带来保护固定磨料锯线的有利效果。
[0052] 确定聚合物量的备选方法是通过碳高温分解而确定锯线表面上的有机碳残余含量。本文中，仅需要有限的样本（1至2克）。将样本加热至480℃，直至样本上的有机残余物（而非钢中的碳）分解成一氧化碳和二氧化碳。在850℃的催化剂中，所有一氧化碳转换成二氧化碳。根据二氧化碳的红外吸收而计算得到碳的总量。残余的碳总量必须至少大于每克锯线含400μg碳残余。其应当不大于每克锯线含有5mg碳残余。由于有机涂层的聚合物不仅包括碳（还包括氢和氧），数值小于诸如交换称量法的其它方法所确定的。
[0053] 根据本发明的第二方面，要求了一种在运输期间保护固定磨料锯线的方法。该方法包括如下步骤：
[0054] 提供固定磨料锯线，在其上的磨料微粒固定在无机涂层中；
[0055] 在使用之前或使用锯线期间用可移除的涂层涂覆固定磨料锯线。
[0056] 任选地，涂覆的固定磨料锯线被收集在诸如线轴的载体上，打包并转移至锯床。
[0057] 在锯床上执行另一方法步骤，其中：
[0058] 在使用固定磨料锯线之前或使用期间移除有机涂层。
[0059] 可以以各种方式涂覆锯线：可以通过模压、粉末涂覆、粉末静电涂覆、帘幕涂覆、刷、浸渍或它们的组合而进行涂覆。这些方法是本领域技术人员已知的。挤压可以通过挤压头，但是也可以非常基本的，通过引导固定磨料锯线通过包含聚合物的罐，随后在（直径大于最小外周圆的）橡胶模中剥离多余材料。“帘幕涂覆”是引导锯线通过层流帘幕的纯或溶解的聚合物的方法。静电涂覆已经相当复杂。
[0060] 可以在生产锯线期间在单个锯线上应用这些方法，但是也有其它更有效的可能性。可以例如是随着固定磨料锯线缠绕在例如线轴或绕线筒的载体时涂覆固定磨料锯线：可以对形成在绕线筒上的每层均施加该涂层，很像例如借助于刷子进行刷漆。这样，所有的锯线均涂覆良好，并且在线圈之间具有足够的保护。作为选择地，通过将压迫聚合物通过锯线包并且将空气泵出线轴的芯外，可以使用聚合物涂层从外侧向内挤入载体。这样，在运输期间较好地保护了固定磨料锯线。
[0061] 用于移除有机涂层的可能方法是：
[0062] 例如借助于螺旋刷而刷落有机涂层，锯线穿过所述螺旋刷。可以使用溶剂流持续地清洁刷，以便于使其没有碎屑；
[0063] 通过剥离，例如通过首先滚动锯线抵靠辊，从而涂层裂口自行撕裂。剥离的另一优选方法是，有机涂层对于其自身也是黏性的，但是对于锯线的黏性较小。在缠绕期间，不同绕组的有机涂层将彼此粘结。在退绕时，有机层将优选维持连接至其它有机层，而将撕掉锯线的涂层。随后，有机涂层保留在线轴上，并且必须在线轴上移除。
[0064] 通过由环形旋转刷而抛光。
[0065] 通过剥去涂层，例如，通过引导其通过狭窄的匹配裂缝。通过在机器启动时使得锯线通过薄片材料，可以容易地形成该裂缝，优选薄片材料是将锯割的材料。一旦已经形成了该裂缝，可以开始切割工件。
[0066] 通过加热或燃烧涂层。
[0067] 通过引导锯线通过溶剂罐而溶解涂层，该溶剂移除涂层。
[0068] 当然还可以考虑上述方法的任意组合。
[0071] 图1示出了本发明的固定磨料锯线的横截面。
[0072] 图2示出了具有锯线的线轴的横截面，正如它们在锯割期间使用的。
具体实施方式
[0073] 图1示出了具有芯部金属线102的固定磨料锯线100，在该情况下，芯部金属线2
102是具有高张力（3995N/mm）、直径120μm的高碳素（0.85%C）钢线。金属线已经电解涂覆有镍106，并且磨料微粒104是范围从6至12μm（微粒尺寸分布的上下限是5%和95%）、中值粒径9μm的微金刚石。这种金属线是商业可获得的。磨料微粒的突出量约为7μm，其相对于金属线的整体直径较大。
102是具有高张力（3995N/mm）、直径120μm的高碳素（0.85%C）钢线。金属线已经电解涂覆有镍106，并且磨料微粒104是范围从6至12μm（微粒尺寸分布的上下限是5%和95%）、中值粒径9μm的微金刚石。这种金属线是商业可获得的。磨料微粒的突出量约为7μm，其相对于金属线的整体直径较大。
[0074] 圆108示出了具有围绕金属线所有磨料微粒的最小直径D0的圆。金属线已经涂覆有获自于Kuraray的一层聚乙烯醇 Mowiflex TC 110，这是通过使其通过浸槽并且将其绕在金属线线轴上而实现的。PVA在金属线之间形成软层，由此将层更容易地固定在合适的位置，如图2中206所示。
[0075] 在涂覆之后，可以由围绕包括有机涂层110的固定磨料锯线的最小直径D1限定圆112。D1大于D0。圆112并非必须与圆108同心。在碳高温分解测试中，测得每克金属线约有1mg的残余碳。
[0076] 在退绕线轴202期间，观察得到，由于PVA层之间的粘合力大于PVA和金属线之间的粘合力，由仍然维持在线轴上的金属线保持了大部分PVA。随着金属线进入网中，仅一小部分维持在金属线上，其随后溶解于在锯割期间使用的水基冷却剂中。在退绕期间，现在无涂层的金属线208、208’、208”落在仍然有涂层的金属线上，由此减少了固定磨料锯线的自损伤。
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