锯珠的制造方法与工艺

锯珠本申请是名称为“锯珠”、国际申请日为2012年3月2日、国际申请号为PCT/EP2012/053642、国家申请号为201280011622.3的发明专利申请的分案申请。技术领域本发明涉及一种用在锯绳上的珠。所述锯绳用于切割硬且脆的材料，如天然石材(大理石、花岗岩、岩石…)、人造石材(混凝土、砖…)、复合材料或者晶体材料(单晶硅或者多晶硅)。

背景技术：
在金属基体的外部磨料层中嵌入金刚石颗粒而形成的珠看起来是在上世纪五十年代初首次公开的(例如，参见1952年提交的US2,679,839)。这种珠被串在钢丝绳上并且通过弹簧(参见US2,679,839)或者通过塑料材料(例如，参见1958年提交的FR1.203.000)分开。还可以借助于模具将塑料材料注射到珠之间(1959年提交的FR1.203.000，第一版)。还探索了例如通过销钉(1953年提交的GB759,505)、通过钎焊(1960年首次提交的FR1,265,542)或者通过锻压(1968首次提交的US3,598,101)将锯线直接固定到钢丝绳上的构思。最初，这些锯绳用在固定锯上，以与排锯(往复驱动的框架上具有平行安装的钢片，在钢片上安装有包含金刚石的刀头)和圆盘锯竞争。例如在1953年提交的US2,773,495中描述了通过拼接钢丝绳而把锯绳制成闭环。在由电动机驱动的两个大轮上张紧所述环之后，所述锯绳可以用作锯子。在现有技术的可用锯机中，多达80个环被相互平行地驱动，用来将石块分割成一系列的板坯。在一种可选的用途中，在上世纪七十年代初在采石场中开始出现这种金刚石珠锯绳，其被用来开采石块。已经探索出多种可以将磨料(主要是金刚石)固定到珠上的方法。存在通过镍的电解沉积或者化学沉积来将金刚石固着到金属管上的方法(WO2002/40207)。还存在将磨料颗粒嵌入到直接施加于金属套筒上的钎焊料中的方法，正如US7,089,925中描述的。已经最成功的方法是借助于粉末冶金路线(已在US2,679,839中描述)。为此，用金刚石颗粒制成环形的磨料元件，该金刚石颗粒充分地与金属粉末和可选的有机蜡混合以形成浆料。该金属粉末的混合物通常包含高熔化温度的组分例如钴、钨、铁、镍，有时候也结合有低熔化温度的组分例如铜、锡、银以提高固结性。也可以添加例如碳化钨之类的化合物，以影响珠的硬度和耐磨性。将混合物放入到模具中。通过加压(在模具中用压头挤压，或者通过浸入到高压流体中施加等静压)和加热将该坯料烧结成高密度的珠。施加合适的气体以防止粉末在烧结过程中氧化。在烧结过程中，将环形的磨料元件加热至高温，之后缓慢冷却，即，处于准热平衡状态。即使并非合金的所有组分都有机会熔化，但是添加降低熔点的组分将导致通过扩散而在不同组分之间产生金属间相。因此，该环形磨料元件的金相截面显示出球状和/或粒状结构。在传统的珠烧结过程中，通常优选的是晶粒尺寸应该较小，以便获得足够的基体材料硬度。通过改变原料粉末的特性和粉末固结条件可影响该晶粒尺寸。不管怎样，在适当腐蚀的金相截面中都能看见晶粒，并且看不到定向生长效果。例如，参见ISBN978-1-85617-440-4，ElsevierScienceTitle，2005年第5章，JanuszKonstanty所著的“粉末冶金金刚石刀具”(PowderMetallurgyDiamondTools)。金属、金刚石量及种类和压力-温度曲线的选择是生产者的内部技术诀窍，其极大地影响最终产品的质量。在烧结之后，通过钎焊把环形的磨料元件固定到比磨料元件略长的金属套筒上。金属套筒与磨料元件的组合被称为珠。如US2007/0194492A1中所描述的，通过足够精确地形成磨料元件就可以不需要用于固定磨料元件的金属管。烧结珠已经成为技术领先者，因为：■其具有足够厚的磨料层■金刚石随机地嵌入整个层中，■基体材料磨损速度与金刚石的磨耗速度相同■同时基体材料仍能很好地保持金刚石，以及■因为珠能够以很小的几何公差被可重复地制出。之后，将珠串到钢丝载体绳(“钢丝绳”)上，随后通过弹簧或者塑料来固定。该“串珠步骤”冗长且费时。由于在模具中挤压而使珠的表面是光滑的，所以在使用之前必须对珠进行“修磨”。这通常是通过最初以低切割速度使用锯绳直到磨料颗粒从表面露出并更好地切割来进行的。该“修磨步骤”是耗时的。用于制造磨料层的另一种方法目前正进入切割石材的锯片领域中，即激光熔覆。在激光熔覆中，通过运载气流将粉末流供给到聚焦于基底表面的高强度激光束中。粉末是金属粉末和磨料颗粒(通常为金刚石)的混合物。粉末熔化，并形成金属熔池，该金属熔池固化并固定磨料颗粒。DE19520149A1公开了一种用于激光熔覆基底的方法，其中，借助于冷却(或加热)的模具，可以形成磨料或者耐磨表面的近最终表面光洁度。将覆层施加到模具上，之后移除模具。该申请仅论述了在较大基底(例如锯片)上的沉积。以单层进行熔覆。WO1999/18260(EP1027476)描述了一种切割刀具，它是通过在钢基底上施加磨料覆层而构造成的，磨料覆层包括嵌入到包含浸润剂的金属基体或者金属合金基体中的磨料，其中，在磨料覆层和钢基底之间存在基本上无浸润剂的有色金属层。虽然摘要提到了锯片作为切割刀具的例子，但是这在说明书中未进一步举例说明。在激光熔覆中，金刚石密度相对于熔融金属密度而言低，这使得金刚石在金属熔池中上浮，从而导致了金刚石的不均匀分布(参见1996年第27卷第215-226页，“Material-WissenschaftenundWerkstofftechnologie”，A.Lang和H.W.Bergmann所著的“Herstellungdiamanthaltiger，endkonturnaher，Metallmatrix-VerbundwerkstoffedurchLaserstrahlbeschichten”的图16)。一种方案是使用较细小的磨料颗粒，其中，金属熔池的粘度减缓了上浮。但是对于许多技术应用(特别是石材切割)来说，细小的金刚石颗粒不是一种选择。在WO1998/15672中描述了另一种方案，其中，在激光熔覆工具处于水平方向的情况下基底表面进行竖直运动，这导致金刚石颗粒朝沉积层的方向上升。同样，沉积是一层。WO02/06553公开了一种用于根据激光熔覆方法来制造锯珠的方法。没有给出由所述方法获得的金相组织的细节，也没有给出所使用材料的细节。对最终的承载管需要进行大量的前处理与后处理，以便获得锯珠。虽然所描述的借助于激光熔覆来制造切割刀具的方法有时候似乎看起来适合于制造用于锯绳的珠，但是根据发明人的经验，这根本没那么简单。所有专利描述了把激光熔覆的磨料层沉积在大块的低碳钢基底(例如锯盘或者管)上。在这些情况中，有大的热沉用来排出过多的热量。发明人面对和解决的四个主要问题是：-一个问题是足够快地从小于一克(！)的微小金属套筒排出热量，以便套筒不会发生变形或者更糟糕地是完全熔化。另一方面，必须供给足够的热量，以便能够牢固地结合到套筒上并且形成致密的磨料层。这被称为“加热问题”；-“几何问题”，即，很难在几何公差范围内一致地生产出具有足够圆度和中心度的珠。该问题是特别重要的，因为在使用期间锯绳必须转动以确保磨料层的均匀磨损。-“颗粒分布问题”，即，很难使磨料颗粒在磨料覆层中均匀分布。这是重要的，因为在使用期间基体材料逐步磨掉从而显露出在层中径向下部铺设的金刚石。如果所有的金刚石例如都在表面上，则它们将首先磨损，并且得不到下部铺设的金刚石。-修磨问题，这是磨料颗粒埋在基体材料层下面并且从最初使用起就不能起作用的问题。

技术实现要素：
因此，本发明的目的是克服当应用“激光熔覆技术”来制造用于锯绳的锯珠时所面对的问题。更具体地说，本发明的目的是提供分别解决或者综合解决“加热问题”、“几何问题”、“颗粒分布问题”和“修磨问题”的方案。本发明的另一目的是使加工步骤的数量尽可能少，以便降低制珠方法的总成本。本发明的又一目的是消除锯绳生产中对“串珠步骤”的需要，即，能够在钢丝绳上“就地”制珠。生产方法和硬件选择部分。参见图1-3和图10来阐明所述方法。百位数表示特征被首次介绍的图的图号。根据本发明的第一方面，描述了一种生产珠的方法。所述方法从具有外径OD的金属管204开始。在最极端的情况中，所述管可以是杆，但是这不是更优选的，因为这带来了在生产出珠之后必须钻出中心孔的额外步骤。因此，金属管优选具有稍微大于钢丝绳直径的内径ID。在下文中，“套筒”是比所述管外径短约十倍的一种管。因此，“套筒”是一种特殊类型的“管”。目前锯绳的尺寸是标准化的。目前，下列种类的珠承载套筒是最优选的：-内径5mm、外径7mm(即，壁厚为1mm)、长度11mm，总质量为1.6克。包括磨料层在内，珠具有大约9到11mm的总直径。这适用于直径4.95mm的钢丝绳。该尺寸对于在采石场中开采石块是特别优选的。-内径3.7mm、外径5.0mm(即，壁厚为0.65mm)、长度11mm，总质量为0.77克。该尺寸对于切块机是特别优选的。珠的总外径为大约7.2mm(使用到最后为5.7mm)。所使用的钢丝绳具有3.5到3.6mm的直径。对于将来，考虑使用甚至更小直径的套筒，例如内径大约3.0mm或甚至小于2.5mm，外径至多4.0mm，壁厚小于0.5mm，长度大约11mm以下，重量小于0.5克，且总直径小于7.0mm。钢丝绳将具有小于2.9的直径。在各种情况中，套筒上必须存在大约1到3克、有时为1到2克的磨料层。当然，存在的磨料层料量越多，则珠的使用寿命越长。上述尺寸和质量是例示性的。趋势是总直径更小。这就使得套筒将变得更细小，并且因此起始管将具有更小的OD和壁厚。在应用所述方法之后，管上的磨料的质量大于被磨料层覆盖的管或杆的质量。或者甚至更严格的：管壁厚度小于磨料层的厚度。发明人的贡献是已经发现了如何将这么厚的覆层沉积到这种微小的基底上。借助于车床卡爪或钻头夹盘或者类似的夹具202在一端或者两端保持住管。管优选是可旋转地安装，并且可选地管可以沿轴向在至少磨料层的长度(5到15mm)上位移。在所述方法中，采用了激光熔覆系统100，其装备有：-高强度激光器，能够发出连续或脉冲功率为至少100W、1kW或更大的光束，优选在光谱的红外区发射。特别适合的是由闪光灯泵浦的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，或者是固态激光器，或者是CO2气体激光器。引导激光穿过合适的波导管和光学器件112，以具有可在基底表面附近调节的焦点103；-金属基体材料104的供给源，金属基体材料的形式为被输入到激光器焦点中的粉末、线或带。粉末可以例如在运载气体中供给，优选非氧化气体，或者例如氩气的惰性气体；-磨料颗粒102的供给源。磨料颗粒优选由运载气体流运载。优选是，用于运载磨料颗粒的气体种类和用于运载金属基体材料的气体种类是相同的。可选地且也优选地是，磨料颗粒102的供给可以简单地通过撒布来进行。优选是，金属基体粉末104的供给、磨料颗粒102的供给或者激光器输入热量的供给均可以及时独立地调节，并且可以通过分别的进给通道来进行。金属基体粉末104和磨料颗粒102可以在单一进给通道中组合供给，但这不是必须的。一种特别优选的工序是，金属基体材料的供给和磨料颗粒的供给使得所形成轨迹的平均厚度是磨料颗粒平均尺寸的0.1到5倍或者0.5到3倍或者1到3倍。“平均厚度”是指在等角度间隔处(不包括与磨料颗粒相交叉的半径)在径向方向上至少12个测量值的算术平均值。供给磨料颗粒和供给金属基体材料各自所需的质量流量可以根据这两种组分的密度来计算出。优选是，通过例如US6,316,744中描述的激光枪来引导运载气体流，其中，气流与激光束同轴，并且气流通过圆锥形的环状喷嘴朝焦点汇集。这种激光枪也是通过水来冷却，以防止加热喷嘴。金属基体材料可以通过激光枪来供给，而磨料通过单独的气流或者简单地通过撒布来输送。可选地是，金属基体材料可以通过与激光枪分开的喷嘴来输送，而磨料颗粒通过激光枪来供给。或者，磨料颗粒和金属基体材料都可以通过激光枪来供给。优选是，磨料颗粒的供给和金属基体材料的供给是分开的，因为它们具有十分不同的粉末特性并且从而流动特性也十分不同。调节激光器的光路，以使焦点103处于管表面110附近。该方法的一特别优选的实施例是，使焦点103形成在金属基底管表面的略上方(3到10mm)。这样，基体材料在碰撞到管表面之前被加热。然后，加热的金属基体材料就能更好地粘结到金属管204上。这样，在基底管上形成了金属熔池108。与此同时或者稍后，通过供给由运载气体运载的磨料颗粒102或者通过重力协助的磨料颗粒撒布来将磨料颗粒投入到金属熔池中。甚至在启动激光熔覆系统之前，也可使金属管围绕其轴线转动。可选地是，可以使激光枪围绕固定的金属管轴线转动。或者，管和激光枪可以相对于彼此转动。当然，第一可选方案是最优选的，因为这是最不复杂的。因此，建立了金属管和激光熔覆系统之间的相对旋转运动209。一旦启动了激光熔覆系统，则固化基体金属材料的轨迹206形成到管上。激光器的启动与磨料颗粒的到达之间的轻微延迟允许金属熔池能够在首批磨料颗粒投入其中之前建立。如果激光枪不相对于金属管沿轴向移动，则将构成在自身上成环的轨迹。在转一圈之后材料将沉积到已经固化的材料上。这是特别优选的是，如果激光枪的喷嘴输送出足够宽的轨迹，即，轨迹的宽度“W”大约为珠的长度。激光熔覆层轨迹的轮廓显示为大致椭圆形到矩形的分布，因此可以容易地确立轨迹宽度。轨迹的宽度与垂直于相对运动方向的激光光斑的尺寸有关。图10a显示了珠的横截面，具有套筒1012，并具有在自身上螺旋形地缠绕的单一轨迹，从而产生一一叠覆的后续层1004、1004'、…1004IV。如果激光枪的喷嘴不能覆盖珠所需的宽度，则引入相对轴向运动211是一种选择。优选是，在一整转之后的轴向位移(间距)等于或者小于轨迹的宽度“W”。优选是，间距为宽度“W”的分数，例如为W/2、W/3、...或者总的来说W/Q(Q是正有理数)。因此，磨料层将由至少“Q”层形成，其中，第一层206在整个层上与金属管接触，而后续层208、210、212、214、216...将仅最多在其轨迹宽度的1/Q上与金属基底接触，而剩余部分(Q-1)/Q位于已经形成的轨迹的顶部(“重叠”)。增大重叠...