专利名称:芳纶芯线线锯及其制备方法
技术领域:
本发明属于超硬材料切割材料技术领域,具体涉及一种以芳纶丝为芯线、表面涂敷树脂金刚石或立方氮化硼涂层的线锯,用于单晶硅、多晶硅、玉石、蓝宝石、玻璃、石英等高硬、 高脆性、高耐磨性材料的切割加工,具有高效率、高寿命、高光洁度的特点。
背景技术:
硬脆材料包括宝石、玻璃、石材、硅晶体、石英晶体、陶瓷、硬质合金等。硬脆材料大多为半导体或非导电体,具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高电阻率等性能。硬脆材料因具有许多金属材料难以比拟的优良特性,而被广泛应用于声、光、电磁、机械和化工等行业。随着其被广泛应用,对硬脆材料的加工也提出更高的要求。硬脆材料加工的关键工序是切割加工,该工序要求高效率、低成本、高材料利用率、无损伤、无污染等。目前,硬脆材料的切割方法主要有金刚石锯片切割、激光切割、钢丝加高硬刃磨料(如碳化硅)切割和近年渐成主流的多线锯切割。金刚石锯片由于切缝宽,成材率低不能切割曲线,不适于贵重材料的切割。激光切割由于切割深度有限而受到限制。金刚石线锯切割高脆高硬材料目前处于起步阶段。钢丝多线锯切割在硅材料和蓝宝石切割中占主要地位。钢丝多线锯切割主要是通过拉动钢丝,镀铜钢丝带入预先混有细粒度碳化硅微粉的磨削液,微粉在钢丝的带动下游离切割硬脆材料。由于多线锯的引入,使得大型的多线锯可以同时切割出数百切片,加工效率得以提高。但也存在着一些缺点如镀铜钢丝表面较光滑, 对沙浆黏度和碳化硅浓度要求较高,使用后废弃物污染严重;镀铜钢丝耐磨性差,切割时磨损较严重,对磨料的带料能力差,切割加工时游离刃料容易与钢丝发生滑移,使得切割加工效率偏低。另外,采用钢丝做芯线,钢丝的使用会受到限制,过粗切割时浪费被加工物料,过细则不仅细钢丝本身的强度到不到使用要求,且加工工艺难度加大和成本也随之提高。
发明内容
本发明目的在于提供一种以芳纶丝为芯线的线锯,该线锯耐磨性好、强度高、韧性好、质量轻、可以做得更细,用于硬脆材料切割加工可显著提高加工效率和被加工材料的利用率,降低生产成本。为实现上述目的,本发明采用如下技术方案
一种芳纶芯线线锯,其包括芳纶芯线(也就是以芳纶丝线作为芯线,替代现有的用钢丝作为芯线)和涂敷到所述芯线的树脂金刚石或立方氮化硼涂层。所述芯线为经过表面处理的高强度芳纶III芯线,芳纶III属于杂环芳纶。所述芳纶芯线由芳纶纤维紧密平行排列或经加捻处理制成,加捻度为75 - 800 圈/米,加捻方式为S型或Z型。所述树脂金刚石或立方氮化硼涂层选用的树脂粘结剂具有150°C以上的软化温度,如酚醛树脂、聚酰胺树脂或聚酰亚胺树脂等。该涂层含有固定到涂层、露出高度不大于自身高度三分之一的磨料,所述磨料为金刚石微粉或立方氮化硼微粉,磨料含量为涂层体积的10 - 35% ;该涂层含有固定到涂层、直径小于固化后树脂层厚度的填料,填料含量小于涂层体积的65%。所述填料可以选用有机短切丝,其直径为0. 1 50微米,长度为0. 1毫米 2厘米。有机短切丝最好选用芳纶短切丝,
所述填料还可以选用粒径小于40微米的碳化硅微粉、三氧化二铝微粉、炭黑微粉、铜粉、金刚石微粉和立方氮化硼微粉中的一种或两种以上。铜粉可以起到快速导热的作用,碳化硅和三氧化二铝微粉可以提高涂层的耐磨性能,炭黑和立方氮化硼微粉可以提高涂层的强度,有机短切丝形状不规则,添加后可对填料起把持作用,使其结合的更牢固。一种芳纶芯线线锯的制备方法,其包括如下步骤
①制备涂层复合剂将用作磨料的金刚石或立方氮化硼微粉净化处理后与树脂粘结剂混合,再加入填料、溶剂(常用溶剂有酒精、丙酮或二甲基乙酰胺等)和固化剂混合均勻得浆料,浆料也就是涂覆所用的涂层复合剂;
②芯线净化处理把芳纶纤维紧密平行排列或作加捻处理成芳纶丝线,然后将芳纶丝线进行表面清洗净化处理后烘干即为芳纶芯线,备用;
③将浆料涂敷于芳纶芯线表面,经限径、固化后即得。浆料(即涂层复合剂)涂敷于芳纶芯线表面,经限径、固化后即在芯线表面形成一涂层(即树脂金刚石或立方氮化硼涂层)。其中,在加热固化过程中,溶剂被挥发掉,其它组分未发生损失。作为芯线的芳纶丝经过表面净化处理以增加与树脂金刚石或立方氮化硼涂层的结合强度。所述芳纶丝表面净化处理方法有预除油或真空脱脂处理等。预除油处理选用挥发性较好的有机物溶剂,如乙醇、丙酮或汽油等。用作磨料的金刚石或立方氮化硼微粉净化处理一般采用先碱处理再水洗后酸洗的方式,用以去除杂质和提高微粉表面的活性。常用的碱液使用10 - 25%氢氧化钠溶液、 5 - 25%碳酸钠溶液等;常用的酸液有盐酸、硫酸、王水等。可以采用常规的喷涂或浸涂方法把浆料涂敷于芳纶芯线表面,通过限径模具限径,然后经加热固化或紫外线照射固化,即生产出线锯。该线锯用芳纶作芯线,芯线表面涂敷有树脂金刚石或立方氮化硼涂层。本发明的特点(1)用芳纶III来替代钢丝作为芯线,芳纶III丝线强度高,耐切割 其强度是钢丝的10 15倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2 3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560°C以下的温度不分解,不熔化。它具有良好的耐磨性和抗疲劳性。(2)芳纶丝线的直径最细可以作到0. 01微米,其密度仅为钢线的五到六分之一,而钢丝由于加工工艺和成本问题,更细的钢线很难实现或无实用性。(3)现有技术需在钢丝表面镀铜或镍,而本发明线锯无需镀铜或镍,通过在芳纶表面涂敷含有填料和金刚石微粉磨料的树脂金刚石涂层即可实现切割,因此可以节约大量的贵重金属。(4)本发明线锯相对电镀法制造金刚石线锯更具环保性;用于硬脆材料切割比游离切割更高效、环保。(5)本发明线锯具有比其它有机丝更高的耐高温使用性能,被加工材料表面粗糙度低,降低了被加工件后期的制造成本和加工难度。和现有技术相比,本发明的有益效果
本发明线锯以芳纶III丝线为芯线(芳纶细且环保),通过在芳纶芯线表面涂覆树脂金刚石或立方氮化硼涂层制备而成。该线锯具有强度高、韧性好、耐磨性高、质量轻等优点,用于硬脆材料切割加工时,可以大幅度提高加工效率,提高被加工材料的利用率,降低生产成本。本发明线锯在抗拉强度、柔韧性、疲劳强度方面均好于同规格的钢丝电镀镍金刚石线锯。
图1本发明实施例1线锯的结构剖视示意图,其中1为填料,2为金刚石,3为涂层, 4为芳纶单丝,5为芳纶芯线;
图2是芳纶纤维单丝6平行排列的示意图; 图3是芳纶纤维单丝6加捻排布的示意图。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明进行详细说明,但本发明的保护范围不限于此。实施例1
芳纶芯线线锯,按以下方法制备
①制备涂层复合剂将用作磨料的金刚石微粉净化处理后与树脂粘结剂混合,再加入填料、溶剂和固化剂混合均勻得浆料,具体如下
把粒径在纩12微米用作磨料的金刚石微粉加入到由10%氢氧化钠和5%碳酸钠组成的混合溶液中,在90-100°C处理10 20min后,用去离子水冲洗至中性,再放入10%硫酸溶液中处理20 30min,用去离子水冲洗至中性,干燥后加入占浆料体积28%的酚醛树脂中混合15min,再加入填料(所述填料由铜粉、碳化硅、三氧化二铝和立方氮化硼微粉组成)混合45 60min,加入占浆料体积30%的丙酮溶剂和占浆料体积3%的NL酚醛树脂固化剂混合60min得浆料,待用。该浆料中含有体积含量24%的金刚石微粉磨料、体积含量7%直径 1微米的铜粉、体积含量3%直径2微米的碳化硅、体积含量21直径0. 1微米的三氧化二铝和体积含量3%直径1微米立方氮化硼。②芯线净化处理将芳纶III纤维S型加350捻处理成直径0. 1毫米芳纶丝线,然后用酒精清洗,净化处理后80°C烘干即为芳纶芯线,备用;
③用带张力电机的牵引机构牵引芳纶丝通过喷头,喷头把浆料喷涂于芳纶III芯线表面,再通过直径0. 13mm的限径模具进行限径,最后经过固化管165°C加热固化形成线锯。该线锯用芳纶III作芯线,芯线表面涂覆有树脂金刚石涂层。该线锯的生产速度可达16米/秒。生产的线锯具有0. 125毫米的直径和约11微米的树脂金刚石涂层。实施例2
本实施例中,芳纶芯线线锯与实施例1不同之处为所使用的磨料为直径1(Γ15微米的立方氮化硼微粉;所用填料由铜粉、碳化硅和碳黑微粉组成。制成的浆料中含有体积含量 25%的立方氮化硼微粉磨料、体积含量8%直径1微米的铜粉、体积含量3%直径2微米的碳化硅和体积含量3%直径0. 5微米的碳黑。生产的线锯具有0. 125毫米的直径和约11微米的树脂立方氮化硼涂层。实施例3
本实施例中,芳纶芯线线锯与实施例1不同之处为用占浆料体积31%的聚酰亚胺树脂替代占浆料体积28%的酚醛树脂(使用聚酰亚胺树脂时不需要添加NL酚醛树脂固化剂),用占浆料体积30%的二甲基乙酰胺替代丙酮溶剂;所用填料由铜粉、碳黑、立方氮化硼和芳纶短切丝组成。制成的浆料中含有体积含量25%的金刚石微粉磨料、体积含量5%直径1微米的铜粉、体积含量3%直径0. 5微米的碳黑、体积含量3%直径1微米立方氮化硼和体积含量 3%直径3微米长度1. 5毫米的芳纶短切丝。步骤③中固化管加热固化所用温度为375°C。生产的线锯具有0. 125毫米的直径和约11微米的树脂金刚石涂层。实施例4
本实施例中,芳纶芯线线锯与实施例1不同之处为用占浆料体积31%的聚酰亚胺树脂替代占浆料体积28%的酚醛树脂(使用聚酰亚胺树脂时不需要添加NL酚醛树脂固化剂),用占浆料体积30%的二甲基乙酰胺替代丙酮溶剂;所用磨料为直径1(Γ15微米的立方氮化硼微粉;所用填料由铜粉、碳黑、立方氮化硼和芳纶短切丝组成。制成的浆料中含有体积含量 25%的立方氮化硼微粉磨料、体积含量5%直径1微米的铜粉、体积含量3%直径0. 5微米的碳黑、体积含量3%直径1微米立方氮化硼和体积含量3%直径3微米长度1. 5毫米的芳纶短切丝。步骤③中固化管加热固化所用温度为375°C。生产的线锯具有0. 125毫米的直径和11微米的树脂立方氮化硼涂层。各实施例生产的线锯的切割测试如下
对上述实施例1制成的线锯(金刚石)进行切割多晶硅块的测试。使用的多晶硅块是边长156毫米的正方形,厚80毫米,切割面积156毫米X 156毫米。所用金刚石线锯长65 米,工作条件金刚石线锯以19米/秒的线速度往复运动,单片切割,线张力为30牛,用水作工作介质,进给速度稳定在20微米每秒。切割缝宽度0. 13毫米,切割1 分钟后金刚石线锯完成第1片切割,完成切片137片后不能再有效使用。对上述实施例2制成的线锯(立方氮化硼)进行切割多晶硅块的测试。使用的多晶硅块是边长156毫米的正方形,厚80毫米,切割面积156毫米X 156毫米。所用立方氮化硼线锯长65米,工作条件立方氮化硼线锯以15米/秒的线速度往复运动,线张力25牛, 用水作工作介质,进给速度稳定在10微米每秒。切割缝宽度0. 13毫米,切割260分钟后完成第1片切割,完成切片87片后不能再有效使用。对上述实施例3制成的线锯(金刚石)进行切割多晶硅块的测试。使用的多晶硅块是边长156毫米的正方形,厚80毫米,切割面积156毫米X 156毫米。所用金刚石线锯长 65米,工作条件金刚石线锯以21米/秒的线速度往复运动,线张力为30牛,用水作工作介质,进给速度稳定在17微米每秒。切割缝宽度0. 13毫米,切割153分钟后完成第1片切割,完成切片122片后不能再有效使用。对上述实施例4制成的线锯(立方氮化硼)进行切割多晶硅块的测试。使用的多晶硅块是边长156毫米的正方形,厚80毫米,切割面积156毫米X 156毫米。所用立方氮化硼线锯长65米,工作条件立方氮化硼线锯以17米/秒的线速度往复运动,线张力为30 牛,用水作工作介质,进给速度稳定在13微米每秒。切割缝宽度0. 13毫米,切割201分钟后完成第1片切割,完成切片96片后不能再有效使用。
权利要求
1.一种芳纶芯线线锯,其特征在于,包括芳纶芯线和涂敷到所述芯线的树脂金刚石或立方氮化硼涂层。
2.根据权利要求1所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,所述芳纶芯线为芳纶III。
3.根据权利要求2所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,芳纶芯线由芳纶纤维紧密平行排列或经加捻处理制成,加捻方式为S型或Z型,加捻度为75 — 800圈/米。
4.根据权利要求1至3任一所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,所述树脂金刚石或立方氮化硼涂层使用的树脂粘结剂具有150°C以上的软化温度,该涂层含有固定到涂层、露出高度不大于自身高度三分之一的磨料,所述磨料为金刚石微粉或立方氮化硼微粉,磨料含量为涂层体积的10 - 35% ;该涂层含有固定到涂层、直径小于固化后树脂层厚度的填料,填料含量小于涂层体积的65%。
5.根据权利要求4所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,所述填料为有机短切丝,其直径为0. 1 50微米,长度为0. 1毫米 2厘米。
6.根据权利要求5所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,所述填料为芳纶短切丝。
7.根据权利要求4所述的芳纶芯线线锯,其特征在于,所述填料为粒径小于40微米的碳化硅微粉、三氧化二铝微粉、炭黑微粉、铜粉、金刚石微粉和立方氮化硼微粉中的一种或两种以上。
8.权利要求1所述的芳纶芯线线锯的制备方法,其特征在于,包括如下步骤①制备涂层复合剂将用作磨料的金刚石或立方氮化硼微粉净化处理后与树脂粘结剂混合,再加入填料、溶剂和固化剂混合均勻得浆料;②芯线净化处理把芳纶纤维紧密平行排列或作加捻处理成芳纶丝线,然后将芳纶丝线进行表面净化处理后烘干即为芳纶芯线,备用;③将浆料涂敷于芳纶芯线表面,经限径、固化后即得。
9.根据权利要求8所述的芳纶芯线线锯的制备方法,其特征在于,所述芳纶芯线表面净化处理包括预除油或真空脱脂处理。
10.根据权利要求9所述的芳纶芯线线锯的制备方法,其特征在于,所述的预除油处理选用的有机物溶剂为乙醇、丙酮或汽油。
全文摘要
本发明涉及一种芳纶芯线线锯,其包括芳纶芯线和涂敷到所述芯线的树脂金刚石或立方氮化硼涂层。所述芳纶芯线为芳纶Ⅲ。本发明线锯具有强度高、韧性好、耐磨性高、质量轻等优点,用于硬脆材料切割加工时,可以大幅度提高加工效率,提高被加工材料的利用率,降低生产成本。
文档编号B28D5/04GK102172999SQ20111005190
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者孙斌, 张建华, 杨晋中, 王秦生, 赵清国, 郭留希 申请人:郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司