固定磨料锯线
阅读：658发布：2020-07-08
专利汇可以提供固定磨料锯线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种固定 磨料 锯线(40)，其包含 钢 丝和固定于其上的磨料颗粒(42)。该钢丝具有高 碳 钢，高强度珠光体芯(14)和低碳 铁 素体钢表层(12)。颗粒压印在表层(12)中并且进一步通过粘结剂层(18)保持在原位。已获得好的锯切结果，推测这是由于低碳(或甚至铁)表层(12)的使用。固定磨料锯线(40)可方便地用在现存的用于切割 硅 晶片( 太阳能 和 半导体 )或其它高成本材料的线锯上，但是不需要磨料浆料。，下面是固定磨料锯线专利的具体信息内容。
1.一种包含钢丝的锯线，所述钢丝具有芯和表层，固定在所述表层中的磨料颗粒，以及在所述表层上用于粘结所述表层中的所述颗粒的粘结剂层，其特征在于所述表层具有用于实现所述颗粒的压痕的基本为铁素体的金相组织，同时所述芯具有用于向所述锯线提供强度的基本为珠光体的金相组织。
2.根据权利要求1的锯线，其中所述钢丝具有加权平均维氏微观硬度，所述表层具有低于所述平均值的局部维氏微观硬度，所述芯具有高于所述平均值的局部维氏微观硬度，所述芯和所述表层在边界处相遇。
2
3.根据权利要求2的锯线，其中所述加权平均维氏微观硬度为至少500N/mm。
4.根据权利要求1-3中任一项的锯线，其中从所述芯到所述表层的过渡在所述边界处是突兀的，并且没有混合相是金相学上可辨别的。
5.根据权利要求1-3中任一项的锯线，其中从所述芯到所述表层的过渡在所述边界处是平滑的，并且包含铁素体和珠光体的混合金相。
6.根据权利要求5的锯线，其中所述过渡的宽度大于5微米，所述宽度定义为其中局部
2
维氏微观硬度从400变化到650N/mm 的径向距离。
7.根据权利要求1-6中任一项的锯线，其中所述钢丝具有至少0.40重量％碳的平均碳含量。
2
8.根据权利要求7的锯线，其中线的总拉伸强度大于2000N/mm。
9.根据权利要求2-8中任一项的锯线，其中所述表层具有以从外周到所述边界测量的径向距离定义的表层厚度，所述颗粒具有相对于所述线的外周的压痕深度，所述表层厚度至少是最大的压痕深度从而避免对所述芯的损坏。
10.根据权利要求9的锯线，其中所述表层厚度至少为d90，用于改善所述颗粒在所述表层中的锚定，其中d90是100个颗粒中有90个具有低于d90的尺寸的颗粒尺寸。
11.根据权利要求10的锯线，其中所述表层厚度至少为所述颗粒中值尺寸的一半。
12.根据权利要求9-11中任一项的锯线，其中所述钢丝具有直径并且所述表层厚度大于所述直径的7％。
13.根据权利要求1-12中任一项的锯线，其中颗粒覆盖面积除以总的线面积的分数为
1-50％。
14.根据权利要求1-13中任一项的锯线，其中所述粘结剂层是金属粘结剂层，所述金属为选自铁、镍、铬、钴、钼、钨、铜(cupper)、锌及其合金中的一者。
15.根据权利要求1-14中任一项的锯线，其中所述磨料颗粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钨或其混合物。
固定磨料锯线
[0001] 描述
技术领域
[0002] 本发明涉及锯线(sawing wire)，更特别地涉及在碳钢丝的外表层锚定有固定磨料颗粒并且固定有粘接层的锯线。特别关于线是在高碳含量钢丝芯上采用低碳含量钢作为表层。这样的线可用于切割硬而脆材料如石英(用于例如石英晶体振荡器或掩模基板(blancs))、硅(用于例如集成电路晶片或太阳能电池)、砷化镓(用于高频电路)、碳化硅或蓝宝石(例如用于蓝光led衬底)、稀土磁性合金(例如用于记录磁头)或者甚至天然或人工钻石。
背景技术
[0003] 用于锯切大小物件(此后称之为工件)的由硬而脆材料制得的线已经为人们熟知多个世纪。在该领域中使用不同的名称来命名实际接触和锯切工件的构件：术语“线锯”(即为线的锯，尽管采用线的锯切设备也用其表示)、“锯线”(用于锯切的线)和“锯切线材(saw wire)”(用作锯的线)均出现了。在下文中，将坚持术语“锯线”。
[0004] “锯绳(sawing rope)”或“锯缆(sawing cable)”是包含由在其上固定有磨料珠的多根纤丝制得的绳的绳索，其有时被称为“锯线”，但其不落入本申请的范围。
[0005] 基本上，锯线作为将材料从要锯切的物件上磨掉的磨料构件的载体。这些磨料构件：
[0006] -可以从载体分离并且通过一种或另外一种方法将其注入线和要锯切的物件之间。该方法有时被称为“第三本体磨损”(第三本体是磨料构件)或“松散的磨料切割”。一个众所周知的例子是通过普碳钢丝切割硅锭，所述钢丝带着浆料进入切口。该浆料包含细的磨料颗粒，其在线和工件之间滚动粘贴，局部压碎材料并且因而进一步深化切口，或者[0007] -可以由与线(如在木锯中)相同的材料制得的以突出齿的形式附着在载体线上，或者
[0008] -可以以除了线以外的另一材料的磨料颗粒形式附着在载体线上。在后者情况中，颗粒必须是硬的并且应该牢固地附着在载体线上。
[0009] 本申请所关注的是最后一种类型的线，将其称为“固定磨料锯线”。
[0010] 对固定磨料锯线所期望的是以下：
[0012] -此外，往复(thro and fro)运动倾向于将磨料颗粒摆动出线，由于颗粒的损失导致线过早的磨损。因此有必要将磨料颗粒在线里或线上固定好。固定好不仅意味着磨料颗粒必须保持在原位，而且意味着它们相对于线的弹性运动保持为低的。
[0013] -线越薄越好。较薄的线意味着较少的锯口损失。锯口损失是磨损掉并损失的工件材料的量。较少的锯口损失意味着较好的利用材料。对于贵重的材料(例如硅、砷化镓或稀土磁性合金)，在锯口损失方面的小的减少导致大的财政获利。基准以松散的磨料切割设定，其中120μm标准的线是惯例，并且采用80μm的线进行测试。这导致130-140μm和90-100μm的锯口损失，因为浆料载体中的磨料颗粒也在线和工件之间占据了一些空间。
[0014] -由于在锯切过程期间必须将线拉紧以便将磨料颗粒压入物件中，因此线必须能够维持一定的张力。可维持的较高张力导致在磨料颗粒上较大的接触力并且因而较高的锯速(尽管存在对此的限制)。该张力通常为20N以上。
[0015] -对低锯口损失的需求即小宽度的固定磨料锯线与需要高张力的高锯速相结合，使得高拉伸强度线的使用是不可缺少的。线的拉伸强度以断裂载荷来确定-线断裂时的力2
与线的横截面积相除，并以N/mm 表示。为了安全可靠，线的最小断裂载荷应该至少是张力
2
的约两倍。在例如200μm的固定磨料锯线的情况下，这导致1300N/mm 的最小拉伸强度，
2
并且在140μm的固定磨料锯线的情况下导致2600N/mm 的最小拉伸强度。
与线的横截面积相除，并以N/mm 表示。为了安全可靠，线的最小断裂载荷应该至少是张力
2
的约两倍。在例如200μm的固定磨料锯线的情况下，这导致1300N/mm 的最小拉伸强度，
2
并且在140μm的固定磨料锯线的情况下导致2600N/mm 的最小拉伸强度。
[0018] EP0243825描述了从钢丝杆和围绕杆的管开始制备固定磨料锯线的方法，其中杆和管之间具有空隙。采用金属粉末和磨料颗粒的混合物填充该空隙。在通过将其蚀刻掉而移除外部管后，密封末端并将该杆在重复的步骤中热处理和冷拉拔，以获得固定磨料锯线。缺点是该方法不允许制备可观长度(高于100米)的固定磨料锯线，所得线的拉伸强度较
2
低(比如低于1800N/mm)并且所得的线太厚(1mm)。
2
低(比如低于1800N/mm)并且所得的线太厚(1mm)。
[0019] EP0982094描述了具有一种固定磨料锯线，该锯线具有不锈钢芯、用于防止芯线氢脆的中间层和在其中结合有金刚石颗粒的粘结层。通过从包含金刚石的沉积液电镀或化学镀来沉积在其中具有金刚石的粘结层。给出的实施方案描述了镍作为中间层以及粘结层。
[0020] WO99/46077描述了一种固定磨料锯线，该锯线包含金属线和通过硬钎焊或软钎焊金属结合固定于线的超级磨料晶粒，其中优选在具有预先选择的表面分布的表面上布置所述晶粒。该申请提到由于硬钎焊和软钎焊所需要的热处理使钢丝可能损失强度。这是满足拉伸强度要求所不期望的。
[0021] EP0081697描述了采用金刚石颗粒包覆线的方法和装置。在硬化轮之间包覆金刚石颗粒之前，一个离开涂覆有铜或镍层的线，所述轮绕着其轴向通过一个或两个轮的重复轴向运动轧制该线。此后，通过电解施加的覆层将金刚石固定到位。
[0022] JP5016066A2的摘要描述了通过高碳钢丝的受控脱碳来制备具有高碳钢芯和低碳钢表层的锯线。然而，打算将该线用于松散的磨料浆料工艺。因而，松散的磨料浆料中的磨料颗粒没有被固定于碳表层中，而以连续的方式再次变得粘着和变得松散。此外，脱碳通常导致碳的损失，因而导致线强度的损失。
发明内容
[0023] 本发明的主要目的是提供具有改善性质的固定磨料锯线。本发明的又一个目的是提供一种线，其中磨料颗粒不仅被良好地固定并且在锯切期间显示较少的弹性运动。另一个目的是提供具有足够高的拉伸强度的固定磨料锯线，从而使低的锯口损失与高锯速相结合成为可能。描述了一种制备长度大于如一千米的这种线的方法，这也是本发明的又一个目的。
[0024] 根据本发明的第一方面，公开了一种固定磨料锯线形式的产品。该锯线包含由钢制得的中心线。由于钢是铁和碳以及其它元素的合金，其通常包含一定数量的碳。所述线的外围具有不同于线的内芯的成分。在下文中将该外围称为表层。在表层中固定磨料颗粒。在所述表层上施加粘结剂层从而更好地在表层中保留颗粒。
[0025] 线的横截面可具有任何合适的形状。该形状由锯切的方法所确定。例如在多线锯(其中单根线在两个或更多个导辊间重复地并行穿成串，给予机器的名称因而在一定程度上误解为仅使用一根线)中横截面优选圆形。事实上，在这样的多线锯中由于在滑轮和导辊之间的多处弯曲，所述线倾向于旋转，因而旋转对称的线即圆线是最适合的。
[0026] 这样的圆形的固定磨料锯线的总直径(即包括磨料颗粒)可为80微米到至多300微米，再次通过其使用的机器确定。例如，在适合从描述于例如专利CH692489中的多晶硅2
块料(例如1乘1米)切割方形块料(12.5×12.5cm)的锯切机器中，约250微米的线会更合适，因为需要很多的力在1米长的长度上拖拉线。在用来于低的力下切割小样品的实验室锯切机器的情况下，80微米的线即可。对用于半导体行业的多线锯的切片，100-200微米的线似乎最合适，其中使用者当然将喜欢最薄的线。
块料(例如1乘1米)切割方形块料(12.5×12.5cm)的锯切机器中，约250微米的线会更合适，因为需要很多的力在1米长的长度上拖拉线。在用来于低的力下切割小样品的实验室锯切机器的情况下，80微米的线即可。对用于半导体行业的多线锯的切片，100-200微米的线似乎最合适，其中使用者当然将喜欢最薄的线。
[0027] 作为替代，横截面可以是椭圆或甚至矩形形状。当使用框锯(在框锯中单根线在框中被拉紧彼此平行，该框在工件上相互运动)时例如公开于US5438973中的泪珠形状是最优选的。泪珠形状允许进一步地减少锯口损失而不损失强度。当在较长侧的平面内弯曲时，高的抗弯劲度也允许在切割中的较高锯切压力。
[0028] 另一个替代方案是使用绕着它们自身的轴向拧在一起的变平的线。甚至星状的横截面可在特定情况下例如在手工操作的锯中有用。
[0029] 固定磨料锯线不同于现有技术，在于：钢丝芯具有珠光体金相组织而表层具有铁素体金相组织。钢金相组织的确定是标准化技术：将线镶嵌入环氧块料中，将其垂直于线的轴切穿并且随后抛光。然后在硝酸醇溶液中蚀刻横截面的光亮表面，该硝酸醇溶液是约3体积％的硝酸(HNO3)和醇例如乙醇(C2H5OH)的混合物。由于蚀刻，钢的晶粒组织于金相显微镜下在约100-500倍下变得可见。
[0030] 在下文中当以占其总重量的分数的成分形式给出材料组成时，将显示为“wt％”并且应该将其读作“重量百分比”，除非它有其它清楚的意思。
[0031] 珠光体组织(或简称珠光体)在显微镜下显示褐灰的珍珠似的面貌(其名称来源于此)。纯珠光体组织在钢的合适热处理(在高于723℃的温度下奥氏体化并接着慢冷却)后形成。珠光体是88wt％的铁素体(几乎不包含碳的铁)和12wt％的渗碳体(Fe3C)的混合物，导致0.80wt％碳的共晶浓度。当钢的碳含量低于0.80wt％例如为0.40wt％时，钢被称为亚共析的，并且形成的珠光体在由铁素体围绕的区域中可见。当碳含量高于0.80wt％比方为1.2wt％时，钢被称为过共析的，并具有包含珠光体和渗碳体(‘晶界渗碳体’)的显微组织。有经验的分析师在约0.2wt％碳的步骤(step)中通过金相照片可确定以重量计的碳含量。
[0032] 因为具有精确0.80wt％碳的纯珠光体组织是虚构的，所以主要的权利要求引用“基本上为珠光体的金相组织”。出于本申请的目的，为了获得具有高于0.40wt％碳含量的这种组织，认为被正确处理的钢显示了“基本上为珠光体的金相组织”。
[0033] 固定磨料锯线的表层显示了基本上为铁素体的金相组织或简称“铁素体”。铁素体在金相照片中是清晰地可识别的，因为其显示出显著较亮并且不是着色的。出于本申请的目的，铁素体在具有0.04wt％-0.20wt％碳含量的钢中形成。
[0034] 实际的钢组成不仅包含铁和碳，而且包含很多其它的合金和痕量元素，其中一些在强度、韧性、可成形性和耐腐蚀性等方面对钢的性质有深远的影响。由于对于本申请强度重要，优选下列元素组成用于钢丝的芯：
[0035] -至少0.70wt％的碳，上限取决于形成线的其它合金化元素(见下文)[0036] -0.30-0.70wt％的锰含量。锰与碳类似，增加线的应变硬化并且也在钢的制备中起到脱氧剂的作用。
[0037] -0.15-0.30wt％的硅含量。在制备中将硅用于使钢脱氧。类似碳，硅帮助提高钢的应变硬化。
[0039] -钢的余量是铁和其它元素
[0040] 对于碳含量高于共析组成(0.80％wtC)，铬(0.005-0.30％wt)、钒(0.005-0.30％wt)、镍(0.05-0.30％wt)、钼(0.05-0.25％wt)和痕量硼的存在可减少晶界渗碳体的形成，并且因而改善线的可成形性。这样的合金化使碳含量能为0.90-1.20wt％，导致可高于如拉拔线的4000MPa的拉伸强度。这样的钢是更优选的，其存在于US2005/0087270中。如果在下文提到“高碳含量”或“高碳钢”，应该将其理解为钢丝芯的碳含量。
[0041] 所述线 表层 的钢组 成不太 关键，因 为它 主要为 铁，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“低碳钢”时，应该将其理解为钢丝表层的碳含量或钢。
[0042] 以上所有钢组成均以“普碳钢”的组成为特征，因为主要的合金化成分是碳。赋予高强度的钢因而是最优选的，因为线的芯必须承受所有的力，表层为低强度，由于磨料颗粒的存在低碳钢的强度甚至进一步减少。此外，由于在圆的横截面中大部分区域位于圆的边界处，因此许多区域是低碳钢，因而对固定磨料锯线的总断裂载荷无贡献。这使得具有足够强度的细直径的固定磨料锯线成为非明显的挑战。
[0043] 根据本发明的固定磨料锯线，通常对于小于250μm的直径具有超过2000N/mm2的2
拉伸强度，对于小于150μm的直径具有超过2250N/mm 的拉伸强度，对于小于120μm的直
2
径具有超过2500N/mm 的拉伸强度。拉伸强度定义为固定磨料锯线的断裂载荷除以其金属表面(不包括由磨料颗粒占据的面积)。在用于金相组织确定的线的横截面上确定金属表面。任何金属层均计入表面。
拉伸强度，对于小于150μm的直径具有超过2250N/mm 的拉伸强度，对于小于120μm的直
2
径具有超过2500N/mm 的拉伸强度。拉伸强度定义为固定磨料锯线的断裂载荷除以其金属表面(不包括由磨料颗粒占据的面积)。在用于金相组织确定的线的横截面上确定金属表面。任何金属层均计入表面。
[0044] 从芯到表层的径向测量的局部碳含量将显示递减的函数。这示意性地说明于图2a或2b中，其中以重量百分比计的径向局部碳分布‘Γ(r)’显示为离中心的距离‘r’的函数。钢丝具有半径‘R’并因而有直径2R。可通过从‘0’到‘R’积分Γ(r)得到平均 含量：
[0045]
[0046] 实验上，最容易确定的当然是平均碳含量 例如通过LECOCS230碳和硫测试仪。为了不干涉这些，碳含量应该在移除颗粒和固定层后确定。平均碳含量应该至少为0.40重量％。如果其高于0.55wt％的碳或甚至0.60wt％以上的碳，则是更优选的。
[0047] Γ(r)的测量是困难的，但可以以许多方式来进行：
[0048] -存在金相评估的方法。如前所述，有经验的分析师可评估单独约0.2wt％碳等级的碳含量。在任何情况下，铁素体和珠光体的存在用标准程序来确定。
[0050] 相对碳分布的间接测量可通过维氏微观硬度测量而获得。在该公知的方法(参见ISO 6507-3‘Metallic Hardness Test：Vickers Test less than HV 0.2’)中，将具有136°面角的四方基金刚石金字塔的微压头以特定的力(0.9807N，硬度标记HV 0.1)在特定的时间(10秒)内推入材料。此后，测量压痕的几何形状，并可由此计算局部微观硬度2
(以N/mm 表示)。为了提高本方法的空间分辨率，将线包覆在环氧树脂中，以与线的轴向成一定角度切割并将其抛光。测量沿着形成的椭圆长轴的规则的点处的硬度，并且计算相对于线轴向的正确的径向位置。测量的硬度是钢金相组织、赋予线的应变硬化量(其在线的横截面上相等)以及碳含量的函数。维氏微观硬度的测量特别重要，这是因为它给出了磨料颗粒是多么容易被压入表层中的测量。
(以N/mm 表示)。为了提高本方法的空间分辨率，将线包覆在环氧树脂中，以与线的轴向成一定角度切割并将其抛光。测量沿着形成的椭圆长轴的规则的点处的硬度，并且计算相对于线轴向的正确的径向位置。测量的硬度是钢金相组织、赋予线的应变硬化量(其在线的横截面上相等)以及碳含量的函数。维氏微观硬度的测量特别重要，这是因为它给出了磨料颗粒是多么容易被压入表层中的测量。
[0051] 以与碳含量相同的方式，可通过由局部维氏微观硬度取代‘Γ(r)’作为径向距离‘μ(r)’的函数来计算加权平均维氏微观硬度‘HVavg’：
[0052]
[0053] 在实验的结果上，可方便地通过采用在这些点之间的环形表面上权衡的离散测量点的下限和上限总和的平均值估算积分。
[0054] 优选该平均硬度高于500，或更优选550-650N/mm2。平均硬度太低将不允许足够的强度，平均硬度太高将不允许合适的颗粒压痕。参见图2a和2b的示意图。可将表层定义为具有低于平均硬度的那部分线，而可将芯定义为具有高于平均硬度的那部分线。表层和芯在边界处相遇。在边界处，局部维氏微观硬度与加权平均微观硬度相交。该边界位于在大约半径‘b’处。表层的厚度‘△’因而可方便地定义为在边界和线外围之间的径向距离或‘△＝R-b’。
[0055] 表层必须通过磨料颗粒的压痕来防止钢丝芯的微裂纹损坏。事实上，随着增加的拉伸强度，钢丝变得更易受表面损坏。这以疲劳强度的损失(由于损坏是裂纹的开始)和/或强度的损失来表示。表层还应该保留颗粒在原位。因此，颗粒的压痕深度(dept)应该不比表层厚度‘△’大。
[0056] 根据第一个优选的实施方案，从高碳芯到低碳表层的过渡如图2a所示可以是突兀的。尽管于纳米水平下在芯和表层之间存在碳交换，但是在微观水平下没有金相的混合相是可辨别的。
[0057] 根据第二个优选的实施方案，从高碳芯到低碳表层的过渡可以是平滑的，并且包含混合的金相，当从芯到表层观察时该金相显示增加的铁素体存在和减少的珠光体存在。由于加工，该过渡变得平滑，这是将在随后解释。碳含量分布因而如图2b描绘的那样。过
2
渡的宽度‘δ’可定义为μ(r)从350变化到650N/mm 的距离。该数值对应于可从具有少于0.2wt％C的硬拉拔低碳钢和具有高于0.40wt％C硬拉拔高碳钢期望得的。该过渡具有优点：磨料颗粒满足恒定增加的压痕力，而不是当达到线芯时当被推入表层的突兀的变化。
过渡区还具有优点：表层扩散连接到芯，并且在表层和芯之间附着力的损失实际上是不可能的。因此，为了具有优异的结合，过渡层宽度‘δ’应该至少大于5微米，优选大于10微米。
2
渡的宽度‘δ’可定义为μ(r)从350变化到650N/mm 的距离。该数值对应于可从具有少于0.2wt％C的硬拉拔低碳钢和具有高于0.40wt％C硬拉拔高碳钢期望得的。该过渡具有优点：磨料颗粒满足恒定增加的压痕力，而不是当达到线芯时当被推入表层的突兀的变化。
过渡区还具有优点：表层扩散连接到芯，并且在表层和芯之间附着力的损失实际上是不可能的。因此，为了具有优异的结合，过渡层宽度‘δ’应该至少大于5微米，优选大于10微米。
[0058] 在其它的极端，对于高强度芯，太厚的过渡区将会导致表面积不可接受的损失，且因此线将会释放(loose)太多的总强度。加以必要的变更，其会导致太硬的外表层。因此，过渡宽度应该维持在低于40微米，更优选低于30微米甚至更优选低于20微米。
[0059] 与常规的铜包层类型的固定磨料锯线(如公开于EP0081697中的)相比，使用低碳包层具有额外的优点：低碳包层仍然增加线的总强度。这是因为低碳比铜具有更高的冷变形硬化能力。这样可制得具有与常规锯线相同强度的更细的固定磨料锯线。这在锯切期间可减少锯口损失。
[0060] 磨料颗粒可以是超级磨料颗粒，例如金刚石(天然或人工的，在一定程度上优选后者，由于它们更低的成本和它们的晶粒易碎性)、立方氮化硼或其混合物。对于要求较低的应用，可以使用颗粒如碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)：尽管它们较软，但是它们比金刚石便宜很多。最优选的是金刚石。
[0061] 磨料颗粒的尺寸在一定程度上根据线的直径调整。确定颗粒自身的尺寸和形状是本技术领域自身的权利。由于颗粒不具有并且不应该具有球形形状，因此出于本申请的目的，将提及颗粒的“尺寸”而不是它们的“直径”(因为直径暗示为球形)。通过本领域已知的任何测量方法线性测量(以微米表示)确定颗粒的尺寸，并且该颗粒尺寸通常在连接最远的颗粒表面上的两点的线长度和连接彼此最近的颗粒表面上的两点的线长度之间。
[0062] 想象用于固定磨料锯线的颗粒尺寸落入‘微观磨粒(microgrit)’级别。微观磨粒的尺寸不再通过习惯用于宏观磨粒(macrogrit)的标准筛分技术来确定。取而代之，它们必须通过其它的技术例如激光衍射、直接显微镜、电阻法或测光沉淀法(photosedimentation)来确定。标准ANSI B74.20-2004更详细地描述了这些方法。出于本申请的目的，当提及颗粒尺寸时，是指由激光衍射方法(或也被称为“低角度激光散射”)确定的颗粒尺寸。这样程序的输出是具有中值d50尺寸(即一半的颗粒小于该尺寸，一半的颗粒大于该尺寸)的累积或微分的颗粒尺寸分布或在通用的‘dp’中，其中百分之‘P’的颗粒小于该‘dp’而剩余部分百分之(100-P)大于该‘dp’尺寸。
[0063] 超级磨料通常由该标准而不是由筛号确定在尺寸范围内。例如在20-30微米级的颗粒分布具有90％的颗粒在20微米(即‘d5’)和30微米(‘d95’)之间和小于千分之一的颗粒大于40微米，同时中值尺寸d50必须在25.0+/2.5微米之间。
[0064] 根据经验，中值尺寸(即一半的直径具有比它小的尺寸和另一半具有比它大的尺寸的颗粒尺寸)应该小于钢丝周长的1/12，更优选应该小于钢丝周长的1/18，从而在表层中良好的容纳颗粒。在另一个极端，颗粒不可太小，因为那时材料移除率(即单位时间磨损掉的材料的量)变得太低。
[0065] 当它们压印入表层超过它们中值尺寸的一半时，磨料颗粒得到最好的保持。因此，压痕深度应该至少大于颗粒的中值尺寸的一半。由于表层厚度应该大于最大的压痕深度，由此得出结论：表层厚度必须至少大于中值颗粒尺寸的一半从而良好地保留颗粒。
[0066] 如果表层厚度大于‘d90’(90％的颗粒具有小于d90的尺寸)，则这是更优选的。因此，芯微裂纹损坏的机会变得非常小，因而避免了在使用中断裂。在实践中表层厚度将必须为钢丝直径的约10％，并且应该为直径的至少5％或至少7％。因此对于80-150μm的非常薄的线为8μm-15μm，对于210μm的线为约20μm。注意到对于10％直径的表层厚度，线的横截面积的36％已被低拉伸表层材料所占据。
[0067] 无论颗粒是否合适地压印，可容易地在线的横截面上评估，其中磨料颗粒被移除因而裂缝保留在表层中。在压痕处这样的横截面将在线的外周长上显示两个可通过线连接的极点。将点到点的距离称为压痕宽度‘Win’。将垂直于到达钢丝的线条的最长距离称为压痕深度‘Din’。为了良好的固定，两倍的压痕深度必须大于压痕宽度。当测量许多裂缝时，良好的压痕通过大于1的平均比例(2×Din/Win)来表征。至少应该测量20个裂缝。
[0068] 关于多少颗粒必须存在于锯线的表面处，非常取决于要切割的材料类型。太高的密度将会诱发在颗粒上太小的力，这将抛光颗粒，导致它们切割能力下降。另一方面，太低的密度可导致颗粒从表层撕下，因为力变得太大，或导致太小的切割速率，因为单位时间内没有足够的颗粒通过材料。可通过由颗粒占据的面积与线总圆周面积的比例“覆盖比例”来量化的颗粒的存在。通过从整体照片中选择具有典型组成的颗粒并计算相对于总面积由颗粒占据的面积，这可由SEM完成。仅应使用线的照片的中心部分，因为侧面倾向于高估颗粒表面(这是由于避开线表面)。一个实施例于图4中给出。
[0069] 颗粒的目标覆盖比例取决于想要切割的材料、想要达到的切割速度或想要获得的表面抛光。本发明人已经发现为了对于所设想的材料具有最好的锯切性能，颗粒面积与总面积的比例应该为1-50％，或2-20％或甚至2-10％。
[0070] 将粘结剂层施加到线的外表面上，并且其帮助保持颗粒固定在表层中，或换句话说在表层中粘结颗粒。优选粘结层是金属层。特别有利的金属是镍和铁。作为替代，也优选的金属是铬、钴、钼、钨和锌及其合金。该层的厚度优选为1-5μm。
[0071] 从上面可清楚发明的固定磨料锯线基本上不含铜。没有故意添加的铜存在于线或涂层中。因此，在拉拔中避免了铜对硅工件的污染。扩散入硅的铜原子在硅的能隙中形成电活性缺陷。这样也可避免流出物流(例如来自冷却剂或成品晶片的清洗)中铜的消除。
[0072] 根据本发明的第二方面，公开了制备所述线的方法。整体上，该方法包括三个主要步骤：
[0073] 第一，必须提供具有高碳芯和低碳表层的足够细直径的钢丝。
[0074] 第二，采用优选的尺寸和类型的磨料颗粒压印表层。
[0075] 在第三步中用粘结层固定磨料颗粒。
[0076] 优选第二步和第三步在线性概念(line concept)中实施，其中将线从一个工艺步骤连续地供给到下一个工艺步骤。然而，这些步骤的分离不排除那些：例如用于第三步的如EP 1375043中所描述的批次工艺是可能的。存在很多的方式可制备第一步的初始钢丝：
[0077] 在第一方法步骤的第一实施方案中，从电解质浴用纯铁涂覆高碳钢丝(参见例如US5014760)。一些作为替代的方法也变得可能。
[0078] 第一种替代方法是采用铁涂覆最终直径的钢丝。铁表层和高碳芯之间的过渡是突兀的并且在芯和表层之间将没有混合相形成。因而获得如图2a描述的实施方案。该方法的优点是必须将相对少的铁放置在线上以达到合理的层厚度(厚度大于钢丝直径的7％)。
[0079] 第二种替代方法是在进一步湿法拉拔线之前以合适的中间直径用铁涂覆钢丝。中间直径意指在线杆直径和线最终直径之间的直径(中间直径将通常位于2.70和0.90mm之间)。由于碳扩散入铁，在拉拔期间产生的热将会导致约5微米以上的小过渡区。
[0080] 在第三种替代方法中，以中间直径水平用铁涂覆线-可能重复地-铅淬和拉拔。在这种情况下，由于表层的单一热处理，转变区较高，这导致碳更多的扩散入铁。因而过渡区为5-30微米。
[0081] 根据第一方法步骤的第二优选实施方案，用低碳钢条带或铁箔缠绕高碳钢芯，通过焊接将其密封从而形成表层。再次类似于第一优选实施方案，作为替代的方法是可能的：
[0082] 在第一个替代方法中，在进一步湿法拉拔线前用铁箔或低碳条带缠绕直径2.40-0.90mm的中间钢丝。再次，由于碳扩散入铁，在拉拔期间产生的热将会导致约5微米的小过渡区。
[0083] 在第二个替代方法中，以中间直径水平用低碳或铁条带或箔缠绕涂覆高碳钢芯，并且随后-可能重复地-铅淬和拉拔至最终直径。再次，由于线的单个或可能两个或三个热处理诱发了更多的碳扩散入表层中，过渡区在一定程度上得到宽化。因而过渡区为5-30微米。过渡区随着铅淬步骤的数量增加。
[0084] 第一方法步骤的第一和第二优选实施方案导致了在表层表面处翘尾(tail up)而不是显示连续减少的硬度分布。
[0085] 根据第一方法步骤的第三优选实施方案，通过高碳钢丝的脱碳形成表层。在US5014760中给出了脱碳的实例。钢丝的外层因此损失了其大部分的碳并形成低碳表层，同时芯保留了大部分的碳。由于脱碳需要于氧化性气氛炉中将线通过700℃-1000℃的提高的温度，因此不可能将最终直径的线进行脱碳，因为这会导致不可接受的强度损失。
[0086] 因此，脱碳优选在直径大于约0.90mm的中间线上实施。脱碳步骤可在杆直径水平实施并继之以一个或两个规律(即在还原气氛下)的铅淬步骤，在其间或其后具有线拉拔操作。作为替代，脱碳步骤可以是在最终线拉拔前的最后热处理。后者在一定程度上是更优选的，因为随后的规律铅淬(在还原气氛下)导致线中碳的重新分布。这样的重新分布导致过渡区的宽化。
[0087] 通常，高碳钢丝的脱碳不可避免地导致碳的损失，即总强度的损失，这妨碍了需要强度的要求。为了达到最终产品上所需的总强度，高碳初始线的碳含量可能必须高的惊人。此外，碳的外扩散导致可引起太软的外层的碳分布。因此硬度分布将稳定地减少并在表层处不显示翘尾。碳分布也难控制，因为表层厚度由扩散定律来确定。
[0088] 在第二方法步骤期间，采用磨料颗粒压印线的表层。这可在通过辊将磨料颗粒轧入表层之前通过暂时地将它们固定于线而方便地完成。这可如何完成的例子公开于EP008169。对该现有技术的改进是例如通过施加粘性物质暂时地固定颗粒，其中颗粒粘附在粘性物质中，随后可被清洗掉(优选在水中)。进一步的改进在于，轧制是在具有匹配的半圆槽的硬化辊之间进行的，通过该硬化辊引导线。另一个改进是在不同角度下的不同对轧辊可一个接一个。
[0089] 在第三工艺步骤中，通过优选实质上是金属的固定层来固定颗粒。固定层的施加应该在低温条件(低于约200℃)下完成，从而避免线拉伸强度的退化。因此，最优选的方法是使用电解沉积技术从金属盐电解质将金属离子沉积到线上，该线相对于电解质保持为负电势。甚至需要注意不能对钢丝过度的电阻加热，因为钢是不太好的电导体并且线是细的。颗粒的存在也使得与线的电接触困难，因为颗粒本质上是绝缘体并且简单的滚动接触将会导致火花。因此，例如描述于WO2007/147818中的非接触的方法是优选的，其中与线的接触是通过与金属沉积电解质浴分离的浴中的第二电解质实现的。附图说明
[0090] 图1‘a’和‘b’是相同线的不同金相横截面，其中已经从它们的压痕中将压印的颗粒移除。
[0091] 图2‘a’示意性地描述了在从高碳芯到低碳表层具有突兀过渡的钢丝的情况下按重量计的碳含量Γ(r)的径向浓度或局部微观维氏硬度μ(r)。
[0092] 图2‘b’示意性地描述了在从高碳芯到低碳表层具有平滑过渡的钢丝的情况下按重量计的碳含量Γ(r)的径向浓度或局部微观维氏硬度μ(r)。
[0093] 图3‘a’显示了第一实施例的局部微观维氏硬度的实际测量。
[0094] 图3‘b’显示了第二实施例的局部微观维氏硬度的实际测量。
[0095] 图4显示了可如何确定磨料颗粒的覆盖百分比。
[0096] 图5显示了可如何测量颗粒的压痕宽度和深度。
具体实施方式
[0097] 根据本发明的一个实施例，高碳钢丝杆(名义直径5.5mm)用现有技术中已知的方法化学地去除氧化皮，该高碳钢丝杆具有0.8247wt％的碳含量、0.53wt％的锰含量、0.20wt％的硅含量以及低于0.01wt％的Al、P和S含量。
[0098] 随后采用具有0.03wt％碳和0.60mm厚度的低碳条带缠绕该线。将接缝焊接。缠绕线的总直径因而为约6.7mm。该条带的厚度是总的线厚度的8.96％。
[0099] 将该复合线以现有技术中已知的方式干法拉拔至2.40mm的总直径(即芯线加上条带缠绕)。所述材料分为两个单独的批次。
[0100] 将第一批材料(称为实施例1)进一步干法拉拔至1.20mm的总直径。低碳条带的厚度因此减少到105μm(即总的线厚度的8.75％)。随后以通常的方式(铅淬火)铅淬该材料。在铅淬后已经存在低碳条带碳化的明显迹象并且该条带完全熔合到芯。此后，进行另一干拉拔步骤到0.90mm的总直径。随后将该线湿法拉拔至210μm的总直径。由于铅淬，低碳条带得到碳化，并且从芯到表层的过渡不再清晰地可辨别。该样品仅经历了一次铅淬操作。
[0101] 在铅中第一次铅淬第二批材料(称为实施例2)，随后将其干法拉拔至0.90mm直径，并且再次在铅中铅淬。此后，再次将其湿法拉拔至210μm。该样品经历了两次铅淬操作。
[0102] 在表I中给出两个实施例之间的对比：
[0103]性质 实施例1 实施例2
断裂载荷(N) 78 73
拉伸强度(N/mm2) 2284 2102
表层μHV(N/mm2) 274 283
铅淬步骤数量 1 2
最后铅淬后的总压下 1.20mm到210μm 0.90mm到210μm
断裂载荷(N) 78 73
拉伸强度(N/mm2) 2284 2102
表层μHV(N/mm2) 274 283
铅淬步骤数量 1 2
最后铅淬后的总压下 1.20mm到210μm 0.90mm到210μm
[0104] 表I
[0105] ‘表层μHV’意指如在拉拔线上所测量的测得维氏微观硬度。
[0106] 低碳钢条带的初始维氏微观硬度是143N/mm2。这似乎有了相当大的增长，由于：
[0107] 在拉拔期间高程度的冷加工，已知这导致了较硬的材料。
[0108] 表层材料的碳化：已知较高的碳含量导致较硬的材料。
[0109] 看似碳化对表层的硬化起到更重要的作用，因为实施例1已经经历了较大的压下量但是只有一个铅淬步骤，而实施例2已获得较低的最终压下量而被两次铅淬。
[0110] 测量实施例1的线的硬度分布并且描绘于图3a中。在椭圆横截面上测量硬度，使得单个压痕(用‘◆’表示)离得足够远。外部点(‘■’)是在外表层上测量的点(见表I)。用‘HVavg’标记的点划线指示了以表面积加权的平均微观硬度，并且在这种情况下其等2
于597N/mm(下限和586，上限和606)。表层的厚度‘△’是从外圆周到硬度等于平均维氏微观硬度的地方的距离。在这种情况下，表层和芯之间的边界为80-84μm(径向)，因此表层厚度‘△’为约21-25μm。表层因而是钢丝直径的约8.5-12％。过渡区‘δ’为约17μm厚。
于597N/mm(下限和586，上限和606)。表层的厚度‘△’是从外圆周到硬度等于平均维氏微观硬度的地方的距离。在这种情况下，表层和芯之间的边界为80-84μm(径向)，因此表层厚度‘△’为约21-25μm。表层因而是钢丝直径的约8.5-12％。过渡区‘δ’为约17μm厚。
[0111] 实施例2的线的硬度分布描绘于图2b中。不同的标记(‘◆’和‘▲’)代表重复2
的测量。平均的加权微观硬度分别是577N/mm(‘▲’，用点划线指示；下限和559，上限和
2
595)和589N/mm(‘◆’，用双点划线指示；下限和571，上限和607)。表层的厚度‘△’为约
22μm，而过渡区‘δ’较宽化，即23μm。
的测量。平均的加权微观硬度分别是577N/mm(‘▲’，用点划线指示；下限和559，上限和
2
595)和589N/mm(‘◆’，用双点划线指示；下限和571，上限和607)。表层的厚度‘△’为约
22μm，而过渡区‘δ’较宽化，即23μm。
[0112] 将实施例1和2的硬度分布对比，清晰地说明两次铅淬导致更硬的总表层硬度，尽管在表面处的硬度没有那么大差别。清楚地，碳从高碳芯发展到低碳表层。
[0113] 选择实施例2用于进一步的加工。用中值尺寸‘d50’25.3μm(d10＝15.1μm，d90TM＝40.6μm)的金刚石颗粒压印实施例1的钢丝。这通过用水溶性黏结剂(可从Aquabond获得)浸渍涂覆该线来完成。此后立即将有颗粒的线引入半径为109μm的匹配的半圆槽的两对轧辊之间。两对轧辊的轴相互垂直。
[0114] 在随后的沉积中，在热水中清洗掉黏结剂后用镍粘结层涂覆线。这可在WO2007/147818中描述的装置中完成。该层的厚度为约3微米。
[0115] 线的覆盖程度为约5-8％，并且在SEM中于背散射电子探测模式下确定。图4显示了在固定磨料锯线40的表面上具有金刚石颗粒的所得照片，如在其它灰背景44上的黑色区域42。通过光电分析软件，可容易地评估黑色区域与黑色和灰色区域的比例或覆盖程度。
[0116] 金相横截面显示于图1a和1b中，其是相同的线10但是不同部位的横截面。当通过双眼观看时清楚的是，线10的芯14显示了不同于表层12的组织。芯14显示了高碳、拉拔的珠光体金相组织，而表层12显示了基本为铁素体的组织即具有低碳含量。线的原始圆横截面已用颗粒压印，所述颗粒随后在样品抛光期间被取出。它们留下了压痕16。清楚的是，压痕发生在用镍粘结层18涂覆前，因为在金刚石留下的裂缝里没有镍层是可见的。裂缝为约20μm深(从外部的镍表面测量)并且不进入芯。
[0117] 颗粒的压痕没有负面地影响锯线的强度，这由成品线的断裂载荷测试所确定：与钢丝上获得的结果(表I)相比，没有观察到断裂载荷的明显损失。因此，压痕并不损坏高强度钢芯。
[0118] 可通过对比裂缝的宽度与其深度来估计压痕的品质。在图5中说明了这可如何完成，其中复制了如图1‘a’或‘b’的横截面50。当连接裂缝52的外部点‘A’和‘B’时，可确定宽度‘Win’。同样地，通过测量垂直于线AB的最大深度来确定最大深度‘Din’。测量值(2×Din/Win)与精确地选取横截面的地方无关。
[0119] 为此，在垂直于类似1图中描述的线轴的横截面(尽管纵向的横截面同样好的适合)上测量20压痕的宽度和深度。最小比例(2×Din/Win)为0.45以及最大比例为2.57，平均值为1.17，这大于1，意味着压痕是充分的。
[0120] 固定磨料锯线的性能在Diamond Wire Technology CT800对向实验室锯切机器上得到证实。多次用本发明的线切割10cm宽度和5cm高度的单晶硅半方形的一半。该机器在‘恒定弯曲模式’中设定为3°，线张力保持恒定为约15N，在7秒内循环(往复)30m的线，导致(2×30/7＝)约8.6m/s的平均速度。将具有添加剂的水用作冷却剂。
[0121] 在表II中给出了如现有技术(仅考虑硅样品)中公开的锯速与由本发明实施例获得的锯速的比较：
[0122]
[0123] 表II
[0124] 在另一个系列的实验中，通过使用低碳包层线取代使用另一种包层材料例如铜，评价了强度的增加。由0.80％的碳钢开始，制得两个0.30mm的线样品：一个具有低碳包层，一个具有电解铜包层。所得的线由表III中的数据来表征：
[0125]低碳包层 铜包层
1 总的线直径 300μm 300μm
2 芯线直径 250μm 244μm
3 表层厚度 25μm 28μm
5 芯拉伸强度 2984N/mm2 2720N/mm2
6 芯断裂载荷 146N 128N
7 总断裂载荷 188N 145N
1 总的线直径 300μm 300μm
2 芯线直径 250μm 244μm
3 表层厚度 25μm 28μm
5 芯拉伸强度 2984N/mm2 2720N/mm2
6 芯断裂载荷 146N 128N
7 总断裂载荷 188N 145N
[0126] 表III
[0127] 芯拉伸强度和钢横截面积的差别可说明观察到的断裂载荷的43N(＝188-145N)差别中的18N(＝146-128N)。剩下的25N(＝43-18N)的差别可仅归因于低碳与铜之间的材料差别。在固定磨料锯线中用低碳取代铜可导致断裂载荷增加17％，保持所有其它项相同。因而可进一步减少固定磨料线的直径并因而减少锯口损失，同时保持相同的断裂载荷。
[0128] 用金刚石颗粒进一步压印低碳包层线，并且这些颗粒通过镍层得到固定。制得两种不同程度的覆盖度：一个具有约0.60％覆盖，一个具有约2％的覆盖度。根据如前所述相同的方案([0088]段)但改变了张力，在一片单晶硅上测试所述样品。对于2％的覆盖比例，2 2
在18N的张力下，获得133mm/min的锯速，其在27N的张力下增加到164mm/min。0.60％覆盖比例的样品显示劣等的切割结果。
在18N的张力下，获得133mm/min的锯速，其在27N的张力下增加到164mm/min。0.60％覆盖比例的样品显示劣等的切割结果。
[0129] 因此，令本发明人很惊奇的是，对于固定磨料锯线的表层，使用低碳钢证明是用于保留磨料颗粒的非常好的选择。虽然现有技术中其它的金属用在钢芯的顶上作为表层(像铜和镍)，但是低碳钢用作表层材料证明是具有假设(hypothised)是与表层材料相关的很多优点：
[0131] -表层材料很好地附着到芯材料上。当将低碳钢放置在高碳钢上时，材料是兼容的，因此彼此附着较好。
[0132] -此外，当在高碳芯和表层之间可发生一些碳的扩散时，表层和芯如同彼此焊接到一起。
[0133] -当在其中形成氢的腐蚀性环境中重复地机械加载线时(通过弯曲或拉紧)，线将会过早地断裂，这被称为氢致腐蚀开裂。这种现象发生是因为氢进入钢组织并使得钢变脆(氢脆)。例如用冷却剂液不断地充满的固定磨料锯线倾向于这种腐蚀。如在US5014760中解释的那样，已知封闭的铁素体层减少线的氢致腐蚀开裂。
[0134] -进一步推测：在颗粒是金刚石颗粒的情况下，金刚石的碳将至少以某种方式扩散入铁，因而硬化了在其中镶嵌有金刚石的经压印的低碳钢。此外，这样的扩散可导致金刚石在表层中更好的附着。
[0135] 这些假说在所描述的测试之后形成，并试图解释大量的结果，不应该被用于使本发明成为显而易见的，因为它们仅仅是在事实之后形成的假说而已。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 用于车辆的车体集成型太阳能电池 | 2020-05-22 | 566 |
| 染料敏化太阳能电池的串/并联混合模块及其制造方法 | 2020-05-22 | 908 |
| 用于显示装置的支撑器件 | 2020-05-24 | 677 |
| 包含多孔薄膜的固体电解质的制备方法和使用其的染料敏化太阳能电池 | 2020-05-24 | 143 |
| 制造由碳纳米管和金属组成的纳米复合材料粉末的方法 | 2020-05-25 | 56 |
| 脚轮 | 2020-05-27 | 96 |
| 用于显示装置的支撑器件 | 2020-05-17 | 575 |
| 投影电视 | 2020-05-19 | 660 |
| 显示装置 | 2020-05-23 | 203 |
| 用于显示设备的提升装置 | 2020-05-25 | 442 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
金相学热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈