成型锯丝的制作方法
【专利摘要】一种用于切割硬质材料的成型锯丝包括钢丝，该钢丝具有在其间带有区段的多个弯部；该钢丝具有表面下拉伸残余应力以便在锯切期间保持所述钢丝的形状；该钢丝同时具有在轴向长度“L”上测量得到的长度“S”，（S-L）/L在百分之0.006至0.6之间。该锯丝从切割开始直到钢丝从锯切过程中离开都保持其形状，这展现出明显更好的切割效率。
【专利说明】成型锯丝
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及用于切割硬质材料的钢丝。具体地说，本实用新型涉及用于切割例如硅锭、硅圆晶、硬质合金、磁性材料、石英棒、蓝宝石和陶瓷等材料的钢丝。
【背景技术】
[0002]在光电或半导体领域中对硬质材料的多钢丝锯切如下进行:
[0003]1.以多圈将单根钢丝在受驱动绞盘上引导；
[0004]2.绞盘设有沟槽以便使得钢丝在各圈之间偏置；因此形成钢丝网。
[0005]3.使用松散磨料浆作为切割剂，该切割剂在钢丝网上供给，同时使得工件缓慢地进入到钢丝网中；
[0006]4.使得钢丝在两个卷轴之间往复运动(来回运动)，或者可选的是钢丝总是沿着相同的方向行进。
[0007]显然钢丝在锯切过程中扮演重要的角色。钢丝的作用在于摩擦工件，同时将磨料浆拉入到切口中。在磨料浆中的磨料研磨工件以及部分钢丝。钢丝必须能够总是保持一定的张力，该张力转变成用来将磨料颗粒推入到工件的常规力。
[0008]对于笔直钢丝而言，多个专利披露了低内应力(中性的或压缩的)或零残余应力梯度的好处，以便在锯切期间保持钢丝的笔直度。但是，随着钢丝在锯切过程中的使用期间通过磨料浆而磨损并且因此直径减小，在它在所施加的拉伸作用下断裂之前必须更换。此外，由于笔直钢丝容易在锯切割期间围绕着其纵向轴线转动，所以最初捕获在钢丝和工件之间的磨料颗粒容易从钢丝和工件之间被推出。因此，这些磨料的量从切割开始就消耗掉。如果在钢丝和工件之间存在磨料较少，切割减少，并且在钢丝和工件之间开始出现摩擦。虽然这种消耗在切割低于400_或更小的长度(参照硅锭的实例)的情况下不是一个特殊的问题，但是在需要切割更长的长度时这变得是个问题。因此，在锯丝领域中一直想要找到将足够的磨料夹带到切口中的方式，从而直到切断也保持切割作用。
[0009]W02012069314描述了具有包括多个弯部的螺旋形状的锯丝，弯部在连续的区段之间。这些弯部相对于螺旋形状径向向外。锯丝的这种形状构成为与磨料颗粒具有良好的合作。这种成型锯丝明显改善了磨料颗粒夹带和作用。
[0010]显然，在锯切期间用来将更多磨料浆夹带到切口中的其中一种解决方案在于使得钢丝自身带有结构，这意味着使得笔直钢丝成为如上所述的具有形状的钢丝。
[0011]但是，在任何一种带有结构的锯丝中，形状在切割过程中由于钢丝磨损和所施加的拉伸而会变差。还有由于钢丝反复进入到切口中，所以存在钢丝的拉直作用，就好像它在每次进入到锭料中拉伸穿过孔一样(这可以是几千次或更多次)。这导致形状从切割开始直到切割结束都不能保持。从上面可以看出，磨料的拖拉能力以及钢丝的切割效率在锯切过程期间随着时间逐渐降低。
实用新型内容[0012]本实用新型的目的在于提供一种成型锯丝，其消除了钢丝的切割效率在切割过程期间随着时间下降的技术缺陷。
[0013]本实用新型的目的还在于提供一种成型锯丝，它从切割开始直到钢丝从切割过程中出来都保持其形状。
[0014]根据本实用新型的第一方面，描述了一种成型锯丝，它尤其适用于锯切硬脆材料例如硅、锗、碳化硅、石英和玻璃、硬质合金材料、蓝宝石、稀土磁体、天然石头例如大理石
坐寸ο
[0015]本实用新型的锯丝在其最通常的形式为具有多个弯部的钢丝，所述弯部在连续的区段之间。在弯部之间的区段基本上是笔直的。由此，这意味着这些区段能够展现出一些弯曲，这在任何情况下都小于钢丝在弯部处的弯曲。弯部具有内侧弯曲部和外侧弯曲部。“内侧弯曲部”意味着位于两个相邻区段之间的弯曲部分，而“外侧弯曲部”为“内侧弯曲部”在圆周上相对的部分，并且远离相邻区段。本实用新型的锯丝还具有表面下拉伸残余应力，用来在锯切期间保持钢丝的形状。术语“表面下”其含义应该这样理解，即与钢丝的外表面相距非常小的距离，例如外表面距离5至10 μ m的深度。对于本申请而言，成型锯丝的表面下拉伸残余应力用来在锯切期间保持钢丝的形状以避免形状变形。本实用新型的锯丝同时具有在轴向长度“L”上测量得到的长度“S”，满足(S-L)/L在百分之0.006至0.6之间。钢丝的中心线在轴向长度“L”上测量时具有长度“S”，并且(S-L) /L为百分之0.006至0.6。该(S-L)/L为“额外长度”，它是由于钢丝的形状而构建到钢丝中。如果该“额外”长度低于
0.006%，则钢丝的变形不足以将颗粒夹带到钢丝的弯部中，从而导致磨料夹带不够。如果该“额外长度”高于0.6%，则钢丝将在使用期间延伸太多，这会使得锯丝在锯切过程期间松弛。
[0016]优选的是，如果(S-L)/L为百分之0.01至0.5，例如百分之0.1或者0.25，则锯丝设有尺寸足够大的凹部以接收和夹带磨料，同时对于锯丝保持必要的延伸特性。
[0017]在所述区段中的表面下残余应力优选至少为1500MPa，例如大于1800MPa并且实际上是拉伸的。
[0018]优选的是，成型锯丝在弯部的内侧弯曲部中具有表面下拉伸残余应力。本实用新型的基本工作原理在于:随着弯部的最凸出部分即弯部的外侧弯曲部在锯切过程期间逐步磨损，在弯部的径向外侧弯曲部中的表面下拉伸残余应力随着材料磨掉而消失。由于在弯部的内侧弯曲部中的表面下拉伸残余应力，在至少保持着弯曲程度的弯部处出现弯曲力矩，这导致明显的形状变差。它能够补偿由于钢丝磨损、切口进入拉直作用和所施加的拉伸而引起的成型锯丝在切割过程中的形状变差。因此，钢丝在锯切期间的形状保持，从而切割作用持续直到切断。
[0019]显然具有表面下拉伸残余应力的锯丝具有这样的有利性能。通常，如在本申请的【背景技术】部分中所验证的一样，残余压缩应力或者至少低水平的拉伸残余应力对于锯丝而言是优选的。本 申请人:的价值在于通过完全相反的方式推翻了这种通常所给出的教导。
[0020]更优选的是，在成型锯丝的弯部的内侧弯曲部处的表面下拉伸残余应力至少为2000MPa。如果压力小于2000MPa，随着在锯切期间在弯部处的外侧弯曲部材料消耗，在弯部的内侧弯曲部处的应力不够足够大以保持弯曲程度，这意味着成型锯丝的形状在切割过程中变差。同时，人们可以观察到锯切的切割性能将降低。
[0021]根据优选实施方案，成型锯丝自身具有在一个或多个平面中的轴线和波浪形状，所述一个或多个平面包括所述轴线。对于在平面中的波浪形状指的是这样的形状，其中弯部在连续的区段之间改变方向。波浪形状具有基本上为之字形形状。例如可以通过赋予钢丝重复的卷曲即通过使得钢丝卷曲来获得波浪形形状。
[0022]优选的是，根据本实用新型的成型锯丝具有在第一平面和第二平面中的波浪形状，第二平面与第一平面不同。如图1a所示的这种锯丝10具有改进的磨料夹带特性。实际上，卷曲给锯丝提供了多个凹部，磨料可以停留在其中。
[0023]可选的是，所述成型锯丝被构造成所述一个或多个平面相对于包括有所述轴线的固定平面的角度沿着所述成型锯丝的轴向长度变化。好像其中形成波浪形状的所述一个或多个平面在沿着所述钢丝的长度前进时围绕着所述成型锯丝的轴线转动一样。
[0024]优选的是，所述一个或多个平面相对于包括所述轴线的固定平面的角度沿着所述锯丝的轴向长度增大或减小。这例如可以通过使得钢丝在已经给它赋予在一个或多个平面中的波浪形状之后围绕着其自身轴线扭绞来获得。
[0025]在一个平面中具有单个卷曲的这种成型锯丝的一个可能实施方案在于，所述一个平面相对于包括所述成型锯丝的轴线的固定平面具有逐渐增大角度，如图1b所示该实施方案在沿着钢丝的轴向长度看时看起来像“花”。
[0026]可选的是，在所述一个或多个平面之间相对于固定平面的角度在第一长度上交替增大，并且随着沿着第二长度减小。就好像所述一个或多个平面首先在第一长度上沿着第一方向转动，之后在第二长度上反向旋转。因此例如这些平面沿着顺时针方向转动第一距离之后沿着钢丝的长度沿着逆时针方向转动第二距离。
[0027]根据另一个优选实施方案，成型锯丝自身具有围绕着所述成型锯丝的轴线的螺旋形状，并且所述钢丝的弯部径向向外布置(在平面中没有波浪变形)，即远离螺旋形状的对称轴线布置。螺旋形状为空间曲线，它在随着移动转动一定角度的情况下保持不变。螺旋线为特殊的螺旋形状，它在随着平移在任意转动角度下都保持不变。
[0028]钢丝优选直径为50至500 μ m，更优选为80至150 μ m，同时通常的直径为80、90、100、110、120、130、140 和 150 Um0
[0029]优选的是，在上述实施方案中所指的所有形状中，沿着成型锯丝的轴线在弯部之间的距离为所述锯丝自身的直径“d”的10至100倍，这对于改善夹带磨料的性能而言是有利的。与钢丝的轴向运动结合，这导致在空间上彼此分开的弯部。如果在所述成型锯丝的弯部之间沿着轴线的距离为锯丝自身的直径“d”的100倍以上，则卷曲为锯丝提供了间隔太远的凹部，从而导致不能将足够的磨料拉入到切口中。另外，如果在所述成型锯丝的弯部之间沿着轴线的距离为锯丝自身的直径“d”的10倍以下，则弯曲程度太大，并且钢丝在使用期间将拉伸太多。更优选的是，在所述成型锯丝的弯部之间沿着轴线的距离为锯丝自身的直径“d”的25至50倍，例如为所述锯丝的直径“d”的30倍。
[0030]优选的是，所述成型锯丝具有外接直径“D”，并且比例D/d为1.04至1.40。更优选的是，比例D/d在1.05至1.20之间，例如1.10。比例D/d为用作生产控制的方便量度。它是钢丝的视觉直径(对应于外接圆柱体的直径)与钢丝直径的比例。D/d值太大例如高于
2.0是不好的，因为这样所述成型钢丝在低负载下实现太大的延伸，这对于在切割中的锯弓形成是有害的。锯弓显示出太大的拱高，从而工件的侧部已经切割，而中间仍然没有被切透。[0031]用于松散研磨锯切的磨料颗粒为微砂粒型。这些颗粒通过筛分、气选或水选分成不同粒径等级。对于每种级别的最小尺寸、中间和最大尺寸存在不同的标准(FEPA、JIS和ANSI)。通常，用于磨料的“钢丝锯切”范围通常被认为是FEPA500 (12.8 μ m)至600(9.3μπι)，或者JIS800 (14μπι)至JIS2000 (6.7μπι)。在括号之间的数字指的是中间粒径。中间粒径是一半颗粒都大于那个尺寸并且其它部分小于那个尺寸的尺寸。对于大跨度切割而言，优选采用更大的粒径例如FEPA360 (22.8μπι)至FEPA230 (53.Ομπι)。最优选的是中间粒径为29.2 μ m的FEPA320。
[0032]如果钢丝的表面比钢丝芯部更软，则它有助于拉入磨料颗粒，但是因此不排除在钢丝表面处的裸钢或者这更不优选。通过对钢丝的表面进行处理可以获得更柔软的表面。例如，可以给钢丝涂覆比钢丝芯部更软的涂层。合适的涂层为铁或低碳钢涂层、铜、锌、镍、钴或锡涂层或者包括上述金属中的两种或更多种的合金涂层例如黄铜(铜锌)或青铜(铜锡)涂层。
[0033]优选的是，所述涂层还可以包括选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钨或其混合物的磨料颗粒。通过将磨料颗粒粘附在钢丝上，它们能够沿着切口的长度更好的保持在钢丝上。这样，这些颗粒更好地送入到切口中。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]现在将参照附图对本实用新型进行更详细的描述，其中:
[0035]图1a显示出本实用新型结构化锯丝的第一实施方案；
[0036]图1b显示出本实用新型结构化锯丝的第二实施方案；
[0037]图1c显示出本实用新型结构化锯丝的第三实施方案；
[0038]图2a_2c显示出根据本实用新型的成型锯丝的总体工作原理；
[0039]图3显示出参考钢丝和本实用新型钢丝的切割性能。
【具体实施方式】
[0040]从笔直钢丝中来获得根据本实用新型的成型锯丝。
[0041]笔直钢丝如下生产出。初始制品为钢丝。该钢丝具有以下的钢组分:0.65%的最小碳含量；0.40%至0.70%的镁含量；0.15%至0.30%的硅含量；0.03%的最大硫含量；0.30%的最大磷含量，所有百分比都为重量百分比。用于高拉伸钢丝的典型钢丝组分具有大约
0.80wt%例如0.78-0.82wt%的最小碳含量。
[0042]在多个连续工序中拉拔钢丝直到获得所需的最终直径和所需的残余应力。这些拉拔工序之间可以加入一个或多个热处理例如退火处理工序。钢丝的残余应力状况会受到拉拔模具方案的影响。与前面道次相比在最终道次中采用较低的减径率通常会导致更大的拉伸残余应力状况。还有通过改变模具角度可以进一步增大拉伸残余应力(模具角度越大，则拉伸残余应力越大)。
[0043]用来检测钢丝的残余应力的传统方法包括以下步骤:
[0044]切下大约85mm长的钢丝样品。这个样品可以显示出应该没有拉直的一些弯曲部分；
[0045]在由用软化水稀释至I升的16克(NH4) 2S208和120mLNH40H制成的酸洗溶液将钢丝样品酸洗10分钟；
[0046]水洗30秒并且空气干燥I分钟；
[0047]使得一个端部弯曲并形成大约为90°的角度，从而形成70± Imm的尾部。该弯部应该制成为在钢丝样品的平面中从由钢丝样品获得的弯曲部分径向向内；
[0048]用珐琅指甲涂料涂覆短的弯曲部分(15mm)并且空气干燥I分钟；
[0049]用珐琅指甲涂料涂覆钢丝表面的内侧面并且空气干燥I分钟。该钢丝在横截面中的圆周的大约一半应该涂覆珐琅涂料；
[0050]将样品的形状复制在纸张上；
[0051]根据下面公式的一段时间期间在温度为50±2°C的蚀刻溶液中对该样品进行蚀刻:
[0052]时间(秒)=186.7 X 钢丝直径(mm) -12.9
[0053]其中蚀刻溶液由一份HNO3和一份软化水制成。钢丝中的大约10%钢丝直径“d”的一层被从未被涂覆的部分上蚀刻去除。
[0054]水洗5秒然后空气干燥I分钟；
[0055]将经蚀刻的样品的弯曲部分精确放置在纸张副本上的原始位置上。拍摄另一张样品照片作为参考。第二个副本显示出在蚀刻之前和之后的形状；
[0056]通过在其中央与段弯曲部分成一直线的弯部处画相切圆来确定样品在蚀刻之前的曲率半径“ P J和蚀刻之后的曲率半径“ P广。当在蚀刻之后钢丝尾部沿着短弯曲部分的方向弯曲时，在钢丝外层中的残余应力实质上是张力的。当在蚀刻之后钢丝尾部弯曲离开短弯曲部分时，在钢丝的外层中的残余应力实质上是压缩的。
[0057]当在本实用新型的钢丝中在所使用的钢丝上进行试验时，在蚀刻之后的钢丝采取了环形形状。对于本申请而言用于估计表面下残余应力“ σ广的近似公式为:
【权利要求】
1.一种成型锯丝，所述成型锯丝包括具有多个弯部的钢丝，所述弯部在连续的区段之间，其特征在于，所述钢丝具有表面下拉伸残余应力以在锯切期间保持所述成型锯丝的形状；所述钢丝同时具有在轴向长度“L”上测量得到的长度“S”，(S-L)/L在百分之0.006至0.6之间。
2.如权利要求1所述的成型锯丝，其特征在于，在所述区段中的表面下残余应力至少为 1500MPa。
3.如权利要求1所述的成型锯丝，其特征在于，所述成型锯丝在所述弯部的内侧弯曲部分上具有表面下拉伸残余应力。
4.如权利要求3所述的成型锯丝，其特征在于，所述弯部的内侧弯曲部分上的表面下拉伸残余应力至少为2000MPa。
5.如权利要求1所述的成型锯丝，其特征在于，所述成型锯丝具有轴线，并且其中所述钢丝在一个或多个平面中具有波浪形状，所述一个或多个平面包括所述轴线。
6.如权利要求5所述的成型锯丝，其特征在于，所述钢丝在第一平面和第二平面中具有波浪形状，所述第二平面与所述第一平面不同。
7.如权利要求5所述的成型锯丝，其特征在于，所述一个或多个平面相对于包括所述轴线的固定平面的角度沿着所述锯丝的轴向长度变化。
8.如权利要求7所述的成型锯丝，其特征在于，所述角度沿着所述锯丝的轴向长度增大或减小。
9.如权利要求1所述的成型锯丝，其特征在于，所述钢丝具有围绕着所述成型锯丝的轴线的螺旋形状，并且其中所述钢丝的弯部设置成径向向外。
10.如权利要求5至9中任一项所述的成型锯丝，其特征在于，沿着所述轴线在所述弯部之间的距离为所述钢丝的直径“d”的10至100倍。
11.如权利要求10所述的成型锯丝，其特征在于，所述成型锯丝具有外接直径“D”，并且其中比例D/d在1.04至1.40之间。
12.如权利要求1至9中任一项所述的成型锯丝，其特征在于，所述钢丝的表面为裸钢。
13.如权利要求1至9中任一项所述的成型锯丝，其特征在于，所述钢丝的表面涂覆有选自铜、锌、锡、镍、钴或其合金中的一个的涂层。
【文档编号】B23D61/18GK203679432SQ201320549206
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2012年9月7日
【发明者】W·范弗伦, 王飞, 胡志昆, 黄文现 申请人:贝卡尔特公司