帶有可移除保護塗層的固定磨料鋸線的製作方法

2023-07-01 11:27:11 1

專利名稱：帶有可移除保護塗層的固定磨料鋸線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在鋸割硬脆材料期間使用的固定磨料鋸線。
背景技術：
當前，鋸割例如矽、石英、砷化鎵、碳化矽、藍寶石、磁材料或切割長度小於一至兩米的任何其它昂貴材料的硬脆材料的主要技術是藉助於多環單鋸線。在這種鋸中，通過圓形、細、高張力鋼線，將包括懸浮在載體液體(通常是聚乙二醇)的磨料微粒(主要是碳化矽)的懸浮液被拖入工件的切口中。由帶有凹槽的絞盤引導金屬線形成彼此平行的環，因而形成金屬線網。由在金屬線和工件之間滾動的磨料微粒的滾壓-嵌入作用來切割工件。由於在使用期間漿液成分的改變，該過程是棘手的，由於金屬線和磨料都逐漸磨損並且被持續補充，其是昂貴的，由於漿液被絞盤濺到四周而顯得髒亂，並且由於使用的漿液(其中在其中具有工件材料碎片和鋼砂)和金屬線必須以受控的方式丟棄，其具有高環境成本。因而，該產業一直尋求方法以免除漿液製備、漿液控制和丟棄。所建議的一種方法是免除使用磨料微粒的載體液體，而將磨料微粒直接固定在金屬線上。那麼，僅還需要冷卻液以冷卻工件，並且將可能聚集在金屬線上的碎屑洗淨。這導致:更好的鋸割作用，因為傳遞了磨料微粒的整個衝量以切割工件(不再有微粒的滾動)，更純淨的副產品，因為冷卻液主要包含工件碎屑，以及更好地使用消費品，因為更好地使用磨料，而金屬線的磨損少得多(由於磨料相對於金屬線固定)。這種類型的金屬線稱為「固定磨料鋸線」。磨料微粒牢固地連接至載體金屬線。通常，使用精細的金剛石微粒(通常10至50 μ m尺寸)作為磨料微粒。這種金屬線維持其切割作用更長時間，因為金屬線未被磨料磨損-磨料固定在金屬線上-與鬆散的磨料鋸割處理相反，其中金屬線也磨損，正如正鋸割的工件。鋸線鋸割固有地導致(有時珍貴)工件材料的損失。因而，還需要持續努力以保持「鋸痕損耗」(損失為鋸割碎屑的工件材料量)儘可能低。當前使用的固定磨料鋸線最小的外接外徑(即，圍繞磨料微粒的虛擬圓的最小直徑)範圍在用於切料和錠成形的310 μ m至用於切片的145 μ m之間。而且，在鋸線鋸割中，鋸線必須拉緊。隨著將鋸線推壓工件，將縱向施加的張力轉換成在切割平面內的橫向力。該橫向力-結合鋸線的縱向移動-使得鋸線切割工件。因而，在鋸割期間，鋸線呈弓形。張力越大，弓越小，切割越快。在實踐中，張力在切片網中約為25牛頓，但是在切料和錠成形的情況下更大(>70N)。在自由磨料切割具有幾何形狀續期的工件時-諸如太陽能電池晶片-可以單向地驅動鋸線，即在切割期間，鋸線始終在同一方向上移動。作為選擇地，為了更多要求鏡片參數用途-諸如用於半導體工業-可以雙向地驅動該過程。在該情況下，在向前方向上從線軸在向前長度FL上拉動新鋸線，隨後鋸割方向在向後長度BL上反向。FL大於BL。「雙向鋸割」有時也稱為「後-前鋸割」、「往復鋸割」或「朝聖模式鋸割」。目前，在朝聖模式中僅適用固定磨料鋸線，其中向後長度BL略小於向前長度FL。因而，多次使用同一鋸線長度，即具有高使用率。該前後鋸割具有一些特別問題。在向後方向期間，將鋸割使用的可能受金屬屑(即來自工件的碎屑)弄髒的鋸線繞回在乾淨的鋸線上距離BL。在該繞回期間，張力處於切割頭部張力，即25N或者更大，而通常在生產鋸線期間，線軸的纏繞力僅為2至5牛頓。這可能導致諸如將已使用的鋸線「切割」進入新的鋸線捆中的問題，在將已使用的鋸線端部從新鋸線中抽離時引起鋸線的斷裂。由於鋸線塗覆有磨料，一些磨料微粒可以作為鋸線的橫向切割工具，並且在受張力和使用的相關力的情況下切割或損壞鋸線。鋸線的高使用率暗示著每個周期中僅將非常少的鋸線帶入網中，並且在進入網中之前將其纏繞回至新鋸線上多次。例如，在新長度(FL-BL)的鋸線完全進入網中之前-並且不再返回放線線軸，其已經在放線線軸上再纏繞了 BL/(FL-BL)次。根據所使用的朝聖模式，這易於總計達到在放線線軸上纏繞超過100、甚至200次。應當注意到，出於本發明的目的，從上消耗鋸線的線軸將稱為「放線線軸」(即使其暫時作為纏繞鋸線、即纏繞鋸線的線軸)，而接收已使用的鋸線的線軸稱為「收線線軸」(雖然其間歇地用作為遞送鋸線的線軸)。而且，在大部分當前的機器設計中，約25牛頓或更高的用於鋸割的張力毫無縮小地傳遞至線軸的線圈上。更嚴重的是，磨料微粒突出到鋸線表面之外(否則將不能切割)，並且在許多向後纏繞期間，線軸上和到達線軸上的鋸線彼此往復損傷，這將被稱為「自損傷問題」。由於將鋸線纏繞回仍然需要使用的新鋸線上，該問題在放線側最為嚴重。因而新鋸線以已經損傷的狀態進入網中，由此極大地增加了在鋸割處理期間鋸線斷裂的風險或者降低鋸割性能。通過諸如在EP0261695、US3942508或US5052366中所示的機器設計可以防止「自損傷」問題，所述機器設計將已使用的鋸線收集在導向輪陣列系統中，並且由此還減少了從切割頭部到線軸的鋸線張力，但是這種設計更為複雜和昂貴。在收線側，自損傷問題相對不那麼嚴重，因為鋸線磨損，而磨料已經變鈍:進入收線線軸的鋸線落在已經磨損的鋸線上。因而，收線線軸上的鋸線不能過多損傷落於收線線軸上的鋸線。反之亦然:再進入繞組上切割頭部的鋸線不能被位於其上的鋸線而損傷。已經搜尋嘗試解決該問題，以將鋸線小心地以六邊形或正方形關係纏繞在線軸上的層中(如EP1698433A1中所述)，以便於防止點接觸和傳播接觸壓力。然而，給出固定磨料鋸線的細度，通常約150μπι，這並非容易。已經建議的另一解決方法是使用粘結層，在其上彼此平行地粘結多根磨料鋸線(US6178962)。當前，開發了各種技術以便於將通常是金剛石粉末微粒的磨料微粒固定至載體鋸線上:通過機械結合可以實現固定:通過將金剛石微粒壓在軟外殼高張力鋸線中，諸如，例如在本申請人的申請號為ΕΡ2010/055678的申請中所述的。在這種鋸線中，磨料微粒的部分位於軟外殼中，由此消除了磨料微粒的突出，這有利於避免自損傷。還已經考慮了冶金結合，例如通過將微粒銅焊或錫焊在鋸線的表面，正如例如W099/46077中所述的。對於這種類型的鋸線，預期具有用於機械固定的磨料微粒相同的突出量。還已經廣泛地研究了諸如例如US6070570中所述的樹脂結合。然而，在鋸割期間由於固定很弱，這變得難以將微粒固定在樹脂中。通過電解或無電鍍地固定金剛石微粒。該方法來源於用於切割矽錠的廢棄鋸條，並且也經常地用於其它金剛石切割工具。該磨料微粒從鋸線表面突出非常多，使其易受自損傷問題的影響。一般地，可以在有機結合的磨料微粒(樹脂結合)和無機結合的磨料微粒(嵌入在金屬層中、銅焊微粒、電解或無電鍍鍍微粒)之間有所區別。發明者發現了對該問題的解決方案，下面將對其進行描述。

發明內容
本發明的目的主要是消除自損傷問題。該目的尤其是對過程或機器進行最小可能的改變而消除該問題。本發明的基本原理是通過在固定磨料鋸線周圍提供易於移除且一次性的有機塗層而防止其自損傷。根據本發明第一方面提供了一種固定磨料鋸線。固定磨料鋸線通常形成在高張力元件周圍，其主要是鋼，諸如碳素鋼或不鏽鋼。最優選的是由碳素鋼(最小碳含量是0.70wt%碳)或不鏽鋼製成的鋼芯。在致力於減少固定磨料鋸線的總直徑時，鋸線的張力強度必須相應增加。固定磨料鋸線的芯的優選直徑和張力強度是:
如果直徑小於...那麼張力強度大於...
250 μ m 900N/mm2150 μ m 3600N/mm2140 μ m 3700N/mm2120 μ m 3900N/mm2張力強度是鋸線的斷裂負荷(牛頓)除以橫截面面積(_2)。磨料微粒固定在芯線上。磨料微粒可以是超級耐磨磨料微粒，諸如金剛石(天然或人工，後者略微優選，因為其成本較低且顆粒易碎)、立方氮化硼或它們的混合物。對於較不嚴格的應用，可以使用諸如碳化鎢(WC)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)或氮化矽(Si3N4)的微粒:雖然它們較軟，但是與金剛石相比，它們相當便宜。然而，最優選的仍然是金剛石。藉助於是無機的固定層將磨料微粒牢固地連接或固定至芯線。術語「無機」指的是不依賴於碳或矽化學以固定微粒的任何類型的固定層。在使用樹脂以將磨料微粒固定至芯線的固定磨料鋸線中，固定層是無機的。無機固定層的實例是:通過將磨料微粒嵌入包圍芯線的軟層中、隨後通過諸如W02010/125083和W02010/092151中所述的金屬塗層而形成的固定。優選地是，第一軟層是銅層，而塗層是鎳。通過諸如W02010/071198中所述的焊接而形成的固定。優選地是，所使用的焊料是低溫熔融焊料，諸如錫銀或錫鋅焊料，以限制芯線的熱負荷。作為選擇地，可以使用耐高溫線，諸如US6102024中所述的鎢線。清楚地是，這種金屬層是無機層。通過無電鍍或電解沉積處理而形成的固定。無機塗層是金屬塗層，最優選的是鎳金屬塗層。在US7704127或EP2277660中描述了優選固定磨料鋸線的一個實例。
通過其它無機手段形成固定，諸如舉例而言，嵌入在玻璃塗層中。從上文中清楚可知，優選地，無機固定層實際上是金屬的，其中使用不同層用於實現不同的功能。對於嵌入層優選的金屬是軟的，諸如鋅、銅、黃銅、低碳鋼，用於固定磨料微粒的金屬主要是鎳或鎳合金(磷酸鎳、鎳鈷等)。最優選地是電解沉積的固定磨料層，因為金剛石的突起基本上引起了高切割效率。然而，該高水平的突出導致了高風險的自損傷，其可以如下所述地加以解決。該在無機塗層中具有附於其上的磨料微粒的固定磨料鋸線，還覆蓋了有機塗層。有機塗層並不意圖將磨料微粒固定在合適的位置。該有機塗層意圖保護固定磨料鋸線防止自損傷。由於在使用之前有機層位於鋸線上，但是在使用之後消失，纏繞回至新金屬線上的已使用金屬線將不會受新鋸線的損傷，因為該使用過的金屬線位於由新金屬線的有機塗層形成的「墊」之上。相反地，位於線軸上的新金屬線由有機塗層保護以防止受到以高張力位於其上的基本無有機塗層的已使用金屬線的損害。由於有機塗層的功能僅僅是用於在運輸期間保護鋸線，其對於鋸線的鋸割功能毫無用處，並且不會妨礙該功能 。出於本發明的目的，「運輸鋸線」應當廣義地認為，不僅意味著整體地物理運輸鋸線圈，還意味著如果僅將一部分鋸線運輸至載體上或離開載體，即纏繞或卷開的鋸線也認為是「運輸」鋸線。因而，有機塗層的主要功能是「在運輸期間防止鋸線自損傷」。由於有機塗層基本上具有高自摩擦係數，有機塗層的另一優點是維持線軸中的不同線圈相對彼此固定。這樣，防止了運輸期間或者穿過鋸線網期間鋸線之間的糾纏。因而，優選是有黏性的、粘滯性的有機塗層。這種塗層的優點是防止了鋸線相對於彼此的橫向移動:精確地是磨料微粒擦傷傾斜於該鋸線的軸，這是對於鋸線最有害，並且使其永久地斷
點 ο為了使得有機塗層不妨礙鋸割過程，一些選擇仍然維持開放:首先，可以僅在使用固定磨料鋸線之前移除有機塗層。在該情況下，應當在放線線軸或者放線線軸和鋸線網之間提供移除方法步驟，其將其第一入口上的有機塗層移入網中。因而，在每個循環中，由於其剩餘長度BL已經在前一循環中清除，需要僅從有機塗層中釋放長度(FL-BL)。當然，選擇用於有機塗層的有機材料非常重要。塗層應當便宜的、容易使用、柔軟、非粘附或者極微小地粘附至金屬並且最重要地是易於移除，並且優選這是以環境友好的方式。因而，最優選地是機械性較弱的非金屬粘附塗層，其可以溶解於極性介質中。極性介質的實例是:水、聚乙二醇、乙醇、二乙二醇，或它們的混合物。這些也是用作用於固定磨料鋸線的冷卻劑的基礎的液體。尤為優選可以用作為有機塗層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)、甲基纖維素、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，因為它們容易溶解在如上所述的極性介質中。最優選的是聚乙烯醇和甲基纖維素。聚乙烯醇易於溶解於水，並且具有卓越的薄膜成形能力，並且無毒。甲基纖維素當介質被加熱時在極性介質中形成沉澱，這提供了移除其的便利方法。生物聚合物也是良好的選擇，因為它們生物可降解，並且基本上機械性不是很強，而且其中一些易於溶解於水。顯著的實例是:酪蛋白、澱粉衍生物、水凝膠、聚糖或蛋白基聚合物。備選的聚合物是不溶於極性介質中的聚合物，諸如熱塑性聚合物、熱熔性聚合物或熱固性聚合物。雖然本質上並非不可能，但是對於預期用途，它們較不優選。固定磨料鋸線上的有機塗層的量不能多。其必須足以覆蓋金剛石，並且防止鋸線在彼此上滑動。其足以使得包含所述有機塗層在內的所述固定磨料鋸線的最小外周圓的直徑大於僅圍繞所述磨料微粒的最小外周圓的直徑。過多的塗層將形成過多的廢物(在移除裝置中或在冷卻液中)。塗層不足將不會帶來保護固定磨料鋸線的有利效果。確定聚合物量的備選方法是通過碳高溫分解而確定鋸線表面上的有機碳殘餘含量。本文中，僅需要有限的樣本(I至2克)。將樣本加熱至480°C，直至樣本上的有機殘餘物(而非鋼中的碳)分解成一氧化碳和二氧化碳。在850°C的催化劑中，所有一氧化碳轉換成二氧化碳。根據二氧化碳的紅外吸收而計算得到碳的總量。殘餘的碳總量必須至少大於每克鋸線含400 μ g碳殘餘。其應當不大於每克鋸線含有5mg碳殘餘。由於有機塗層的聚合物不僅包括碳(還包括氫和氧)，數值小於諸如交換稱量法的其它方法所確定的。根據本發明的第二方面，要求了一種在運輸期間保護固定磨料鋸線的方法。該方法包括如下步驟:提供固定磨料鋸線，在其上的磨料微粒固定在無機塗層中；在使用之前或使用鋸線期間用可移除的塗層塗覆固定磨料鋸線。任選地，塗覆的固定磨料鋸線被收集在諸如線軸的載體上，打包並轉移至鋸床。在鋸床上執行另一方法步驟，其中:在使用固定磨料鋸線之前或使用期間移除有機塗層。可以以各種方式塗覆鋸線:可以通過模壓、粉末塗覆、粉末靜電塗覆、簾幕塗覆、刷、浸潰或它們的組合而進行塗覆。這些方法是本領域技術人員已知的。擠壓可以通過擠壓頭，但是也可以非常基本的，通過引導固定磨料鋸線通過包含聚合物的罐，隨後在(直徑大於最小外周圓的)橡膠模中剝離多餘材料。「簾幕塗覆」是引導鋸線通過層流簾幕的純或溶解的聚合物的方法。靜電塗覆已經相當複雜。可以在生產鋸線期間在單個鋸線上應用這些方法，但是也有其它更有效的可能性。可以例如是隨著固定磨料鋸線纏繞在例如線軸或繞線筒的載體時塗覆固定磨料鋸線:可以對形成在繞線筒上的每層均施加該塗層，很像例如藉助於刷子進行刷漆。這樣，所有的鋸線均塗覆良好，並且在線圈之間具有足夠的保護。作為選擇地，通過將壓迫聚合物通過鋸線包並且將空氣泵出線軸的芯外，可以使用聚合物塗層從外側向內擠入載體。這樣，在運輸期間較好地保護了固定磨料鋸線。用於移除有機塗層的可能方法是:例如藉助於螺旋刷而刷落有機塗層，鋸線穿過所述螺旋刷。可以使用溶劑流持續地清潔刷，以便於使其沒有碎屑；通過剝離，例如通過首先滾動鋸線抵靠輥，從而塗層裂口自行撕裂。剝離的另一優選方法是，有機塗層對於其自身也是黏性的，但是對於鋸線的黏性較小。在纏繞期間，不同繞組的有機塗層將彼此粘結。在退繞時，有機層將優選維持連接至其它有機層，而將撕掉鋸線的塗層。隨後，有機塗層保留在線軸上，並且必須在線軸上移除。通過由環形旋轉刷而拋光。
通過剝去塗層，例如，通過引導其通過狹窄的匹配裂縫。通過在機器啟動時使得鋸線通過薄片材料，可以容易地形成該裂縫，優選薄片材料是將鋸割的材料。一旦已經形成了該裂縫，可以開始切割工件。通過加熱或燃燒塗層。通過弓I導鋸線通過溶劑罐而溶解塗層，該溶劑移除塗層。當然還可以考慮上述方法的任意組合。第二，有機塗層可以使得塗層溶解在鋸割過程中使用的冷卻液中。其附加優點時無需進行任何機器修改。隨著有機塗層在冷卻劑中積聚，將需要制定措施以從冷卻劑中移除有機塗層。第三，可以考慮組合「使用前」和「使用期間」移除有機塗層兩者的組合。因為100%的在先清潔將尤為難以實現，將在鋸割期間移除一些殘餘的有機塗層。


圖1示出了本發明的固定磨料鋸線的橫截面。圖2示出了具有鋸線的線軸的橫截面，正如它們在鋸割期間使用的。
具體實施例方式圖1示出了具有芯部金屬線102的固定磨料鋸線100，在該情況下，芯部金屬線102是具有高張力(3995N/mm2)、直徑120 μ m的高碳素(0.85%C)鋼線。金屬線已經電解塗覆有鎳106，並且磨料微粒104是範圍從6至12 μ m(微粒尺寸分布的上下限是5%和95%)、中值粒徑9μπι的微金剛石。這種金屬線是商業可獲得的。磨料微粒的突出量約為7μπι，其相對於金屬線的整體直徑較大。圓108示出了具有圍繞金屬線所有磨料微粒的最小直徑Dtl的圓。金屬線已經塗覆有獲自於Kuraray的一層聚乙烯醇(PVA ) Mowiflex TC 110,這是通過使其通過浸槽並且將其繞在金屬線線軸上而實現的。PVA在金屬線之間形成軟層，由此將層更容易地固定在合適的位置，如圖2中206所示。在塗覆之後，可以由圍繞包括有機塗層110的固定磨料鋸線的最小直徑D1限定圓112。D1大於％。圓112並非必須與圓108同心。在碳高溫分解測試中，測得每克金屬線約有Img的殘餘碳。在退繞線軸202期間，觀察得到，由於PVA層之間的粘合力大於PVA和金屬線之間的粘合力，由仍然維持在線軸上的金屬線保持了大部分PVA。隨著金屬線進入網中，僅一小部分維持在金屬線上，其隨後溶解於在鋸割期間使用的水基冷卻劑中。在退繞期間，現在無塗層的金屬線208、208』、208」落在仍然有塗層的金屬線上，由此減少了固定磨料鋸線的自損傷。
權利要求
1.一種固定磨料鋸線，包括芯部金屬線和使用無機固定層附連至所述芯部金屬線的磨料微粒，其特徵在於，所述磨料微粒和所述無機固定層被塗覆了有機塗層，所述有機塗層能夠在使用之前或使用期間被移除，以致露出所述磨料微粒。
2.根據權利要求1所述的固定磨料鋸線，其中包含所述有機塗層的所述固定磨料鋸線的最小外接圓的直徑大於僅圍繞所述磨料微粒的最小外接圓的直徑。
3.根據權利要求2所述的固定磨料鋸線，其中所述無機固定層是金屬基固定層。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的固定磨料鋸線，其中所述有機塗層能夠溶於極性介質中。
5.根據權利要求4所述的固定磨料鋸線，其中所述極性介質是以下之一:水、聚乙二醇、乙醇、二乙二醇以及它們的混合物。
6.根據權利要求4或5所述的固定磨料鋸線，其中所述有機塗層包括選自包括下列聚合物的組中的聚合物:聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸甲酯)、甲基纖維素、聚乙烯醇或者乙烯/乙烯醇共聚物、聚乙烯噁唑啉或它們的混合物。
7.根據權利要求1至3中任意一項所述的固定磨料鋸線，其中所述有機塗層包括聚合物，所述聚合物選自熱塑性聚合物、熱熔性聚合物或熱固性聚合物。
8.根據權利要求1至3中任意一項所述的固定磨料鋸線，其中所述聚合物是生物聚合物，所述生物聚合物選自包括酪蛋白、澱粉衍生物、水凝膠、聚糖或蛋白基聚合物的組中。
9.一種在運輸期間保護固定磨料鋸線的方法，包括如下步驟: 提供固定磨料鋸線，磨料微粒藉助於無機固定層固定在所述固定磨料鋸線上； 使用有機塗層塗覆所述固定磨料鋸線，所述有機塗層能夠在使用之前或使用期間被移除。
10.根據權利要求9所述的方法，其接著包括在使用所述固定磨料鋸線之前或使用期間移除所述有機塗層的步驟。
11.根據權利要求10所述的方法，其中移除所述有機塗層的步驟通過在使用所述固定磨料鋸線之前或期間將所述有機塗層溶解在溶劑中來實現。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述有機塗層溶解於在鋸割期間使用的冷卻劑中。
13.根據權利要求10所述的方法，其中藉助於機械手段移除所述有機塗層。
14.根據權利要求13所述的方法，其中通過刮刷、削去、拋光、剝離、燃燒或它們組合中的任意一種方法，在使用前移除所述有機塗層。
15.根據權利要求9所述的方法，其中使用有機塗層塗覆所述固定磨料鋸線的步驟通過擠壓、粉末塗覆、粉末靜電塗覆、簾幕塗覆、刷、浸潰或它們的組合中的任意一種方法來實現。
16.根據權利要求9所述的方法，其中在將所述固定磨料鋸線纏繞在載體上的同時，實施用有機塗層塗覆所述固定磨料鋸線的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種鋸線，其上牢固地連接有磨料微粒，並且隨後覆蓋了有機塗層，用於在運輸和使用期間保護鋸線免受彼此損傷。有機塗層易於溶解在優選為水的溶劑中。作為選擇地，有機塗層不牢固，從而通過機械摩擦可以易於移除。最優選的是，在使用期間、即在鋸割期間，有機塗層消失。有機塗層的功能是當在往復鋸割模式中將鋸線再纏繞在自身上時保護固定磨料鋸線在運輸期間、尤其在使用期間免受損傷。
文檔編號B23D57/00GK103180236SQ201180022174
公開日2013年6月26日 申請日期2011年4月26日 優先權日2010年5月4日
發明者C·克洛特, N·森, C·弗羅芒特 申請人:貝卡爾特公司