CN1852796A - 超级磨料线锯及相关制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开并描述了一种具有若干单独超级磨粒涂层(14)的超级磨料线锯，其中超级磨粒(14)使用有机粘结剂(42)粘附到金属丝(10)上。可使用焊料合金的固化涂层(48)涂覆该超级磨粒(46)上，其中该固化涂层(48)与该超级磨粒(46)形成化学键结。该有机粘结剂(42)可包含若干填充材料及/或一种有机金属偶联剂，以改善超级磨粒的(14)的维持力。可将所得到的超级磨料线锯(28)制成直径小于0.5mm的超级磨料线锯，其显著降低了锯缝损耗。另外还公开并描述了用于制造和使用这种超级磨料线锯的各种方法。
Description
技术领域
本发明涉及包括若干超级磨料的线锯及其制造和使用方法。因此，本发明涉及化学、物理和材料科学领域。
背景技术
在上个世纪，已经开发了若干种用于实施从工件上移除材料的一般功能的磨具和超级磨具。诸如锯、钻、抛光、清洁、雕刻和打磨等动作全部都是材料移除加工的实施例，而这些材料移除加工已经成为各种工业的基础。
许多特别材料的移除应用需要使用超级磨具。在这些情形中，由于工件的性质或者加工的周围环境，使用常规的磨具是不可行的。例如，当试图使用一种常规锯条切削石头、瓦片、水泥等时，这些切削作业即使并非不能实现，也会因造价昂贵而受到限制。此外，当使用超级磨具时，其它材料移除作业的经济性和性能也因其更强的耐用性而得到提高。
包含超级磨粒的线锯与常规切削工具相比具有很多优点。例如，线锯可切削几乎任何厚度，而圆锯和类似的锯仅限于切削小于锯条半径的深度。此外，超级磨料线锯的挠性允许其切削直线的或成形切削路径。已知的线锯是借助若干钢珠滑动穿过一种金属丝或金属绳制造而成的。这些钢珠通常是由若干分隔物所分隔开，且该金属丝是由塑料或橡胶保护的以防止锈蚀。这些钢珠被若干磨粒或超级磨粒所覆盖，所述的磨粒通常利用电镀或烧结来粘附。电镀钢珠通常包含借助机械力粘合到该钢珠上的单层磨粒。该机械力粘合使磨粒过早脱离，从而缩短了该线锯的使用寿命。烧结钢珠可包含多层磨料。一些线锯可使用树脂将磨料粘合到该金属丝上。遗憾的是，粘合线锯的树脂容易很快磨损，且在磨粒的使用寿命结束之前磨料就被损耗掉了。
已进行过许多努力以克服上述缺点。最值得注意的是，一些试图将超级磨粒化学键接到基质或其它的基质材料上的技术已经得到应用。这些技术的主要关注点在于使用一种易反应元素涂覆超级磨粒或者使超级磨粒与易反应元素接触，所述易反应元素能够在超级磨粒与金属基质(例如，钛、铬、钨等)之间形成碳化键。特殊方法的实施例包括美国专利第3,650,714号、第4,943,488号、第5,024,680号、第5,030,276号和第6,102,024号所公开的那些方法，这些文献在此引入作为参考。然而，出于多种原因，这些方法难度很大且成本很高，这些原因包括：多数超级磨粒的高惰性以及多数易反应材料的高熔点。此外，超级磨粒直接焊接到该金属丝上降低了线锯的挠性，且铜焊涂层变得易于疲劳和过旱失效。
此外，多数易反应金属材料的熔点远高于多数超级磨料的稳定性极限温度。为此，可以将易反应材料施加到超级磨料上的方法通常限于在不会破坏钻石的足够低的温度下所实施的固态反应或气体反应。这些方法只能获得整体涂层，而不能产生合金涂层。与仅仅通过机械粘合相比，尽管使用这些技术获得的碳化键的强度普遍提高了磨粒维持力，但它们仍使得超级磨粒过早地损耗。
另一种形成碳化键的方法是使用一种包含一种易反应元素的焊料合金。该焊料合金通过烧结绕超级磨粒固化。该类型的特殊方法的一个实施例见于美国专利第6,238,280号，该文献在此引入作为参考。尽管这些方法获得了一种工具，该工具相较于不具有化学键结的超级磨粒的工具而言，该工具具有较大的磨粒维持力，但一般而言，该焊料合金的固态烧结仅固化该基质材料，而不能达到像固态和气态沉积技术那样紧密结合的化学键结。
同样地，通过持续进行的研究与开发工作继续寻求具有改善的超级磨粒维持力与耐磨特性的超级磨料线锯及其制造方法。
发明内容
因此，本发明提供具有改善的超级磨粒维持力的超级磨料线锯及其制造方法。作为这些工具的一个基本组成组件，本发明还提供了一种当使用有机粘结剂结合到线锯中时、具有改善维持力特性的超级磨粒涂层。该超级磨粒涂层可包括超级磨粒以及熔融焊料合金的固化涂层，其中所述的熔融焊料合金的固化涂层与该超级磨粒形成化学键结。
根据本发明，一种超级磨料线锯包括一种金属丝及一种超级磨料层。该超级磨料层可具有若干单独的超级磨粒涂层，所述的超级磨粒涂层通过有机粘结剂粘附到金属丝上。本发明中所使用的超级磨粒涂层包括一种超级磨粒及一种熔融焊料合金的固化涂层，其中所述的熔融焊料合金的固化涂层与该超级磨粒形成化学键结。该超级磨料层可以是基本上连续或不连续、并具有若干摩擦片段。
本发明还包括一种形成超级磨料线锯的方法。超级磨粒可涂覆有熔融液态的焊料合金，然后绕该超级磨粒进行固化。该焊料合金可包含一种易反应元素，使得该焊料合金能与该超级磨粒形成化学键结以成型出超级磨粒涂层。然后在金属丝的至少一部分上形成超级磨粒涂层与有机粘结剂的混合物。该有机粘结剂可被固化而将超级磨粒涂层固定到该金属丝上以形成一种超级磨料线锯。
在本发明中，超级磨粒涂层可具有一个大约0.5μm到大约8μm的平均表面粗糙度，优选地大约4μm到大约8μm，其有助于提高磨粒在有机粘结剂中的维持力。
在本发明的一个方面，可通过如下步骤制备该超级磨粒涂层：使用该熔融液态的焊料合金覆盖该超级磨粒；绕该超级磨粒固化该液态焊料合金。由于该合金为液态，其能够浸润超级磨粒并在其表面上蔓延。其结果是，由于在该合金中存在一种碳化物成型元素，因此在该金属与超级磨粒的接口上形成化学键结，该化学键结提供了一个大约5到10倍于电镀或烧结所获得的结合强度。因此，当在超级磨具中使用时，该超级磨粒可进一步突出该支持材料并具有更高的材料移除速度。此外，由于将超级磨粒从支持材料中拉出或磨耗的速度显著降低，所以工具寿命被延长。
这里已相当完全地概括了本发明的各种特征，因此我们能够更好地理解以下其详细的描述，且因此能够更好地了解本发明对于此项技术的贡献。根据以下对本发明的详细描述，结合随附的权利要求书，或者通过本发明的实践可认识到，本发明的其它特征将变得更为清楚。
附图说明
图1为本发明的一个具体实施例的线锯的横断面视图；
图2为一个可用于制造本发明线锯的连续加工过程的示意图；
图3为有机粘结剂层施加过程的一个具体实施例的横断面视图；以及
图4为根据本发明一个具体实施例的线锯的局部横断面视图。
具体实施方式
在公开和描述本发明之前，应了解本发明并不限于本文中公开的这些特定结构、加工步骤或材料，而是可扩展到相关技术领域的普通技术人员所认可的其等同物。还应了解，本文所采用的术语仅用于描述特定具体实施例，而并非旨在对本发明进行限制。
必须注意的是，除非上下文中另有说明，本说明及所附的权利要求书中使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数泛指对象。因此，例如，提到的“一种钻石磨粒”包括一个或多个这种磨粒，提到的“一种摩擦片段”包括一个或多个这种摩擦片段，且提到的“一种易反应材料”包括一种或多种这类材料。
定义
在本发明的说明和权利要求中，将按照下面所述的定义使用以下术语。
如本文中所使用的“超硬”和“超级磨料”可交换使用，指的是一种具有大约4000kg/mm2或更高维氏硬度的晶体材料或多晶材料，或两者的混合物。这些材料可包括(但不限于)钻石、立方氮化硼(cBN)，以及为所属领域的技术人员所知道的其它材料。尽管超级磨料非常不活泼，从而难以形成化学键，但是众所周知，某些易反应元素(例如铬和钛)在特定温度能够与超级磨料发生化学反应。
如本文中所使用的“金属的”是指金属或含有两种或多种金属的合金。多种金属材料已为所属领域的技术人员所知道，例如铝、铜、铬、铁、钢、不锈钢、钛、钨、锌、锆、钼等及其合金和化合物。
如本文中所使用的“磨粒”和“砂粒”可交换使用，且当与超级磨料结合使用时指的是这种材料的磨粒形式。这种砂粒或磨粒可采用包括圆形、椭园形、正方形、自形等多种外形，并可采用多种特定的网状尺寸。如本技术领域中所已知的，如在U.S.meshes(美国“目”)的范例中，“网状尺寸(meshes)”指的是单位面积的网孔数。
如本文中所使用的“易反应元素”和“易反应金属”可交换使用，指的是能够与一种超级磨粒发生化学反应或能够与超级磨粒的一种金属元素。易反应元素可包括(但不限于)过渡金属元素，例如钛(Ti)和铬(Cr)，包括难熔元素，例如锆(Zr)和钨(W)，以及包括非过渡金属元素和其它材料，例如铝(Al)。此外，某些元素，诸如技术上属于非金属的硅(Si)，可以作为包括在铜焊合金内的易反应元素。
如本文中所使用的“浸润”指的是熔融金属流过超级磨粒的至少一部分表面的加工。当使用一种焊料合金时，浸润通常(至少部分)是由于熔融金属的表面张力而产生的并可以导致在超级磨粒与熔融金属之间其接口形成化学键。因此，一种工具具有被金属“浸润”的超级磨粒可能表示在超级磨粒与金属之间的接口存在化学键。
如本文中所使用的“化学键”和“化学键结”可交换使用，是指一个分子键，该分子键在原子间施加足够强的吸引力以在原子间的接口上形成二元固态化合物。本发明所涉及的化学键在钻石超级磨粒的情形中通常为碳化物，在立方氮化硼的情形中通常为氮化物或硼化物。
如本文中所使用的“焊料合金”和“铜焊合金”可交换使用，指的是一种合金，其包含一种足量的易反应元素以允许在合金与超级磨粒之间形成化学键。该合金可以是固体，也可以是其中具有易反应元素溶质的金属载体溶剂的液体溶液。此外，“铜焊的”可用于指在超级磨粒与焊料合金之间化学键的形成。
如本文中所使用的“涂覆”、“涂层”和“涂覆的”，对于易反应元素合金或焊料合金而言，指的是一种合金层，该合金层沿超级磨粒外表面的至少一部分与超级磨粒形成化学键结。该层可基本上包围或围绕整个超级磨粒，同时与超级磨粒形成化学键结。在某些实施例中，这些层被限定为一定的厚度。许多磨粒涂层可能会固化在一起，且钻石磨粒的支持基质由磨粒涂层所形成。
如本文中所使用的“分隔物”指的是一种任意形式的材料，所述的材料能在使用熔融焊料合金涂覆于超级磨粒的过程中将超级磨粒分隔开。该分隔物可以是对于不具备与熔融焊料合金发生化学反应的亲和力的热阻性粉末。该分隔物可以是片状、盘状或其它形状，该形状带有若干用于分隔开单独磨粒的孔口。
本文中按一定的范围格式给出浓度、数量和其它资料。应了解，仅仅是为了方便和简短才使用了这种范围格式，因此应对其灵活解释，它不仅包括作为范围限制明确给出的数值，还包括所有单独数值或者该范围(该范围明确给出了每一个数值和子范围)内包含的子范围。
作为说明，一个数值范围“大约1μm到5μm”应解释为不仅包括明确给出的大约1μm到5μm的值，还包括单独数值及所给出范围内的子范围。因此，包括在此数值范围内的所有单独数值(例如2、3、和4)以及子范围(例如1-3、2-4以及3-5等)。这一原则同样适用于仅给出一个数值的范围。此外，无论该范围的范围有多大或者特性是如何描述的，都应应用这一解释。
发明
本发明包含具有改善的超级磨粒维持力的超级磨料线锯以及其多种组成部分，例如一种超磨磨粒涂层。此外，本发明还包含制造这些工具和组成部分的各种方法。本申请案的发明主要集中于线锯，而利用本发明的碱性铜焊涂覆技术的其它工具包含在本申请人于2003年7月25日申请的、律师档案号为20303.CIP、发明名称为“Molten Braze Coated Superabrasive Particles andAssociated Methods”的共同未决美国专利申请案中，其在此引入作为参考。
参照图1，本发明提供了一种金属丝10和一种超级磨料层12，超级磨料层12具有若干以有机粘结剂16粘附到金属丝上的超级磨粒涂层14。本发明的单独超级磨粒涂层14可包括超级磨粒及熔融焊料合金的固化涂层，该熔融焊料合金的固化涂层与该超级磨粒形成化学键结，如下面更详细的讨论。
金属丝10可以是由任何能够承受线锯的使用条件(例如弯曲与绷紧)的材料所制成。适合在本发明中使用的金属丝通常可以是如含有高碳钢、钨、铜等等的钢丝。也可以使用目前所已知的或者尚待研发的其它材料，例如聚合物、纳米碳管、复合材料及任何其它此类材料。可以使用金属(例如铜或黄铜)对该金属丝进行预处理以提高超级磨粒涂层和有机粘结剂的粘附力，如下面更详细的讨论。此外，可以该金属丝可为单股形式，或者为小股的绞合束的形式。本发明的原则可应用于几乎任何尺寸的金属丝，这主要由预期的应用决定。当锯缝损耗成为一个通常的重要因素时，则经常优先选用较小的线规格尺寸以避免不必要的工件材料浪费。尽管可以使用其它线尺寸，但是应特别优先选用大约0.1mm到大约10mm直径的金属丝。这种小直径使得切削硅锭时不形成重大的笔直、光滑的锯缝损耗，降低了进一步的加工工作量。用于切削此类材料的线锯直径可为大约0.1mm到大约0.2mm。另外，本发明的金属丝可具有为所属领域的技术人员所知道的圆形横断面或其它横断面形状。
本发明的超级磨粒可涂覆有焊料合金以形成单独超级磨粒涂层。如本文中所使用的“单独涂层的”旨在指以使得大多数磨粒保持独立而不会与其它磨粒涂层凝聚到一起的方式的磨粒涂层。尽管少量的这种磨粒涂层能够以不超过5个磨粒的数量凝聚到一起，但是基本上所有的磨粒涂层将被彼此分隔开。
使用的超级磨粒可选自多种特定类型的钻石(例如，多晶钻石)和立方氮化硼(例如，多晶立方氮化硼)，且其能够与易反应材料形成化学键结。此外，该磨粒可根据需要采用多种不同形状以适应其中包含有该磨粒的线锯的各种特殊切削性能。然而，超级磨粒可以是钻石，包括天然钻石、人造钻石和多晶钻石(PCD)。超级磨粒可以是立方氮化硼(cBN)，无论为单晶或多晶。尽管适合在本发明中使用的超级磨粒可具有几乎任何网状尺寸，但是典型的尺寸范围为大约500到大约35，这取决于金属丝的直径。典型的超级磨粒涂层的直径可为该金属丝直径的大约1/6到1/2，优选地大约1/5到大约1/3。
此外，为了使金属合金与该超级磨料形成化学键结，可在该金属合金中使用多种易反应元素。能够与金属载体熔合的多种易反应元素是所属领域的技术人员所已知的，且特定易反应元素的选择取决于多种因素。用于本发明中该焊料合金内含物的合适的易反应元素包括(但不限于)从下述元素组成中选择的成分：铝(Al)、硼(B)、铬(Cr)、锂(Li)、镁(Mg)、钼(Mo)、锰(Mn)、铌(Nb)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)、钨(W)、锆(Zr)和其混合物。在本发明的一实施例中，该易反应元素可以是铬(Cr)或钛(Ti)。除了该易反应元素之外，根据本发明用于形成该涂层的焊料合金包括至少另一种其它金属以作为载体或溶剂。可以使用所属领域的普通技术人员所认可的任何金属(尤其这些已知的用于制造超级磨具的金属)作为这种载体或溶剂。然而，举例来说(但不限于)，在本发明的一实施例中，这些材料可包括钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)和其合金。一个当前优选焊料合金成分包括铬(Cr)-镍(Ni)-硼(B)-硅(Si)(市售商品为WallColmonoy公司所生产NICROBRAZLM)。
如上文提到的，使一种易反应元素与另一种金属成为合金的目的在于降低该易反应元素的有效熔点，同时能保持其与超级磨粒形成化学键结的能力。如本领域技术中所已知的那样，许多超级磨料(例如钻石)的热稳定性极限范围为大约900℃到大约1200℃。同样地，在本发明的一实施例中，可选择成分及该易反应金属合金的精确比例以提供一种合金，该合金的熔点在所使用的特定超级磨料的热稳定性极限之内或更低。实际上，可选择一种溶剂金属并与一种适量的易反应元素混合以降低两种元素的熔融温度并获得一种熔融温度小于大约1200℃的焊料合金。另该熔融温度可低于大约900℃。
正如所属领域的普通技术人员将认可的那样，特定易反应材料与其它的特定载体金属的多种组合可以按不同比例或数量合成一种合金，该合金可与该超级磨粒形成化学键结，并具有合适的熔点。然而，在一实施例中，该易反应元素的含量可至少大约为该合金的1％。在另一实施例中，易反应元素的数量可至少大约为该合金的5％。
值得注意的是，本发明中提高磨粒涂层的维持力绝大多数取决于在涂层与超级磨粒之间形成的化学键结的数量。缺少或者微量存在该化学键结是导致在已知方法(例如电镀及烧结等)的工具中形成过早磨粒拉出的主要原因。
本发明的方法的一个优点在于具有改变或控制该易反应金属合金绕该超级磨粒的涂覆厚度的能力。其借助所施加合金的熔融液态所达成，这将随后在下面进行讨论。所属领域的普通技术人员可以选择实现特定目的所需要的特定的厚度。然而，在本发明的一实施例中，该涂层可具有至少大约1微米的厚度。在另一实施例中，该涂层可具有至少大约50微米的厚度。
该磨粒涂层可被制造成单层，或被制造成多层。在本发明的一实施例中，该涂层可进一步包括至少一层粘合到该固化焊料合金涂层的外侧部分的金属保护层。正如所属领域的普通技术人员将认可的那样，许多材料可被用作这种金属保护层，且特定的选择将取决于多种因素，这些因素包括有机粘结剂的材料以及包含有该磨粒涂层的线锯的设计。然而，在一实施例中，该金属保护层可包括至少一种从钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)及其混合物中选择的金属。正如所认可的那样，可利用一层或多层保护层以获得该磨粒涂层所希望的总涂层厚度。在一实施例中，绕该超级磨粒所获得的总涂层厚度可大于该超级磨粒的直径。
除该金属保护层之外，还可应用许多其它材料作为该固化焊料合金涂层上的保护层。在一些实施例中，这些材料可为各种结构的微粒材料，其前提条件是这种微粒各自具有一个小于该超级磨粒涂层的尺寸。特定类型的实施例包括(但不限于)金属微粒、金属合金微粒(例如碳化物)或超级磨料微粒。特定的碳化物磨粒的实施例包括(但不限于)碳化硅(SiC)、碳化钨(WC)和钛(Ti)涂覆的立方氮化硼。这些涂层进一步提高了该超级磨粒的维持力强度。具体来说，这些类型的涂层在该易反应金属合金涂层的外部和该工具的基质材料之间实现了一种逐渐的或“梯度”变化，该超级磨粒涂层被结合到该基质材料中。因此，消除了由两种材料之间的一个锐转变产生的该弱接口。
在本发明的其中一实施例中，该熔融焊料合金可浸润至少大约40％的超级磨粒表面。在另一实施例中，该合金可浸润至少大约50％的超级磨粒的表面。在又另一实施例中，该合金可浸润至少大约60％的超级磨粒表面。在一些实施例中，至少大约80％或更多的超级磨粒表面可被该焊料合金浸润。在许多应用中，钻石的至少一部分最好能如图1和4所示的暴露在外。
在一实施例中，本发明的超级磨粒涂层是借助一种将超级磨粒与易反应金属合金涂层形成化学键结的方法来形成的。该方法可包括以下步骤：使用熔融液态焊料合金覆盖超级磨粒；绕该超级磨粒固化该液态焊料合金，使得该易反应金属合金与该超级磨粒形成化学键结。
在其它应用技术中，所属领域的普通技术人员使用多种方法以将熔融焊料合金覆盖于超级磨粒上，例如将磨粒浸渍在该合金中、将该合金滴到磨粒上。然而，在本发明的一实施例中，该涂覆步骤可进一步包括以下步骤：使用有机粘结剂材料涂覆超级磨粒；使用该有机粘结剂材料将粉末状焊料合金粘附到该超级磨粒上；将易反应金属合金加热到足以导致该合金熔融、涂覆并与该超级磨粒形成化学键结的温度。
本领域技术人员将认可多种适用于本发明的粘结剂。然而，在本发明的实施例中，该粘结剂材料可由下述成分的组成中选择：聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蜡、酚醛树脂、蜡乳化液和丙烯酸树脂。在另一实施例中，该粘结剂可以是PEG。此外，可通过多种方法实现将该粉状易反应金属合金施加到该粘结剂涂覆磨粒上，从而将该合金粘附到该磨粒上，例如在该粉末中滚动、浸渍或翻转粘结剂涂覆磨粒。此外，还可通过喷涂、淋浴、抛撒等多种方法，或者将该粉末施加到超级磨粒上以形成所需的涂层。这种方法的一个实施例是利用一种流化床射流。所属领域的普通技术人员可借助其它方法将该粉末粘附到该粘结剂涂覆磨粒。
正如所属领域的普通技术人员所知，可以采用多种方法加热粉末超级磨粒涂层。除了具备达到一个足以将该粉末状焊料合金熔融为熔融液态的温度的能力外，对于该加热机制没有特定限制。该液态合金一旦熔融便将浸润超级磨粒并在其接口上形成所希望的化学键。此外，除加热之外的其它机制也可被用于促进该合金的熔融和液化，例如利用添加一种助熔剂，或者所属领域的普通技术人员所知的其它方法，只要这些方法不会妨碍或阻止超级磨粒的浸润和所希望的化学键的形成。
在一些情况下，在用熔融焊料合金涂覆超级磨粒之前，最好首先使用某些材料涂覆或“预处理”该超级磨粒。例如，当正在使用的该超级磨粒是立方氮化硼或另一种极不活泼的超级磨料时，这些材料的高惰性使其很难与熔融焊料合金形成化学键。因此，在本发明的一实施例中，可利用在超级磨粒上形成一种易反应材料的一种预处理层，来对该超级磨粒进行调节。这些层通常可以通过上面讨论的常规方法(例如该固态和汽相沉积技术)来形成。在一实施例中，该预处理层可从下述元素的组成中选择的一种易反应材料：Cr、Si、Ti、和W。在另一实施例中，该预处理材料可以是Ti。所属领域的普通技术人员将认可使用其它合适的材料，该材料为用以促进或增强与熔融焊料合金的化学键结的形成，并可以首先沉积到该超级磨粒上的材料(包括在多层中形成的材料)。
实际来看，通常的情形是在一个单一加工过程中使用熔融焊料合金的同时涂覆若干超级磨粒。在这种情况下，根据本发明的某些实施例，能够防止涂覆磨粒熔融或结合到一起。同样地，在一实施例中，本方法的加热步骤可包括以下步骤：于一个允许在加热过程中分隔开磨粒的分隔物内分配超级磨粒；将易反应金属合金加热到一个足以导致该合金熔融、浸润并与该超级磨粒形成化学键结的温度；以及从该分隔物移除单独超级磨粒涂层。可采用多种分隔方法和组件。可根据多种因素(例如速度、经济性和所达到的质量)作为指导原则以具体选择一种特定分隔物。然而，在一实施例中，该分隔物可以是一种粉末，其不与该焊料合金反应并能耐受高温。这些材料的实施例包括(但不限于)氧化物粉末(例如Al2O3、SiO2或ZrO2)和氮化物粉末(例如BN、AlN)。所属领域的普通技术人员将认可使用其它的非活性粉末状材料。
在另一实施例中，该分隔物可以是一种其内具有若干孔口的板。这些孔口的具体尺寸和设置取决于被涂覆超磨磨粒的尺寸和形状。然而，作为一般过程，处于涂覆或未涂覆状态的单个超级磨粒可放置在该板的每个孔口内。从该板上扫除过量的磨粒，然后使用铜焊粉末填充孔口。接着对包含磨粒和焊料合金的板进行充分的加热以熔融该焊料合金并导致磨粒的浸润以及化学键的形成。在磨粒沉积于孔口中之前没有经过预涂覆的情形中，粉末状涂层随后可被放置在该孔口内或其上，且在充分加热熔融时将覆盖并粘附到该超级磨粒上。
在将熔融的焊料合金粘合到超级磨粒后，冷却磨粒，固化焊料合金。一旦该合金固化，便将该单独超级磨粒涂层从该分隔物上移除并实施如上文提到的任一附加加工步骤，例如经由施加一层或多层保护层，或经由将额外更小磨粒粘附到该单独超级磨粒涂层。或者，如下所述，可通过将磨粒结合到一种金属丝上而将超级磨粒涂层直接结合到线锯中。
超级磨粒涂层一旦形成便可被结合到超级磨料线锯中。根据本发明，可在该金属丝的至少一部分上形成超级磨粒涂层和有机粘结剂的混合物。合适的有机粘结剂包括(但不限于)环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚脂树脂、聚酰亚胺(聚亚胺)树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、烯丙树脂、醇酸树脂、甲醛树脂、氰酸酯树脂、聚酰胺树脂和其混合物。可以使用具有足以在线锯中使用的弹性模量的其它有机粘结剂，并可由所属领域的普通技术人员来选择。可在施加到金属丝前将有机粘结剂和超级磨粒涂层混合或者依序施加。此外，填充材料可包括在所属领域的技术人员所知道的有机粘结剂内。合适的填充材料可包括WC、SiC、Al2O3、SiO2、CrO2、TiO2、ZnO2、BN、云母、高岭土、粘土、陶瓷、金属粉末和任何其它为所属领域的技术人员所知道的填充材料。取决于有机粘结剂，必须采用填充材料以增强耐磨性和增加层厚度。通常可以使用大约1％体积至大约50％体积的量。并可使用更高的填充剂含量；然而，在选择填充成分和体积时必须小心谨慎以免使挠性降低到其可用的极限之外。该有机粘结剂层12(图1)几乎可以为任何厚度，然而，优选为大约0.1到大约0.5倍于该金属丝10直径的厚度。
在另一个具体实施例中，可在该有机粘结剂中包含有机金属偶联剂以改善超级磨粒涂层与有机粘结剂的粘合。多种有机金属偶联剂已为所属领域的技术人员所知。有机金属偶联剂可包括至少一个能与金属发生化学反应以形成化学键的易反应残基，以及至少一个能与有机粘结剂反应以形成化学键的易反应残基。这样，该有机金属偶联剂担当桥梁作用以在有机粘结剂与超级磨粒涂层的金属表面之间形成粘合。在本发明的实施例中，该有机金属偶联剂可以是一种钛酸酯、锆酸酯、硅烷或其混合物。这些材料可包含可水解的基团，其在金属磨粒的未涂覆表面上与羟基反应，并从而与该金属表面形成化学键结。此外，这些材料也可以包含不可水解的基团，其与该有机粘结剂发生化学反应。在美国专利第4,620,933号、第5,558,705号、第5,571,296号和第6,579,931号中描述了这些有机金属偶联剂，这些文献在此引入作为参考。
适合在本发明中使用的硅烷的具体的非限制性实施例包括：3-环氧丙醇丙氧基三甲氧基硅烷(3-glycidoxypropyltrimethoxy silane)(购自Dow Corning的Z-6040)；γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲基氧硅烷(购自Union Carbide Chemicals公司的A-174)；β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基二甲氧基硅烷(购自Union Carbide、Shin-etsu Kagaku Kogyo K.K.等)；以及合适的硅烷偶联剂的另外的实施例可见于美国专利第4,795,678号、第4,390,647号、和第5,038,555号，这些文献在此引入作为参考。
钛酸酯偶联剂的特别非限制性实施例包括：异丙基三异硬脂酰基钛酸酯、二(枯基苯代)氧基乙酸酯钛酸酯、4-氨基苯磺酰基十二烷基苯磺酰基钛酸酯、四辛基双(二-十三烷基亚磷酸)钛酸酯、异丙基三(N-乙基氨基-乙基氨基)碳酸酯(购自Kenrich Petrochemicals公司)、新烷氧基钛酸酯，例如LICA-01、LICA-09、LICA-28、LICA-44和LICA-97(也购自Kenrich)等等。
铝偶联剂的特别非限制性实施例包括乙酰烷氧基二丙基铝(acetoalkoxyaluminum diisopropylate)(购自 Ajinomoto K.K.)等等。
锆酸盐偶联剂的特别非限制性实施例包括：新烷氧基锆酸盐、LZ-01、LZ-09、LZ-12、LZ-38、LZ-44、LZ-97(全部购自Kenrich Petrochemicals公司)等等。其它已知的有机金属偶联剂(例如硫醇盐基化合物)可在本发明中使用，并在本发明的考虑范围之内。
有机金属偶联剂的使用量取决于该偶联剂以及涂覆超级磨粒的金属磨粒的表面积。一般来说，按重量计算该有机粘结剂层的0.05％到10％是足够的。有机金属偶联剂也可以改善有机粘结剂层与金属丝之间的粘合，以及与超级磨粒涂层的粘合。
可以连续、成批制造本发明的超级磨料线锯。例如，如图2所示，可以从线轴20提供金属丝10，并传送经过许多加工区(例如涂覆区22、干燥区24和固化区26)。在固化之后，可将超级磨料线锯28缠绕并储存在线轴30上。在本发明的一个具体实施例中，有机粘结剂与超级磨粒涂层的混合物形成，然后在涂覆区22处施加于该金属丝的至少一部分上。图3显示了一种将超级磨粒涂层与有机粘结剂的混合物施加于该金属丝上的方法。在该图解具体实施例中，将该金属丝10牵引通过一个包含该混合物34的床32。当该金属丝退出该床时，该退出口36的尺寸允许在该金属丝上留下所需的混合物厚度。一般混合物的厚度将取决于金属丝直径及成品尺寸。然而，大约0.4到大约0.9倍于超级磨粒涂层直径的厚度提供了满意的结果。尽管没有要求，但是该超级磨料层可被形成为一种具有超级磨粒的单层。
无论施加该有机粘结剂和超级磨粒涂层的为何方法，都可以施加混合物以便使超级磨料层大体上是连续的。同样地，在一些情形中，最好以一种不连续的方式形成具有若干摩擦片段38的超级磨料层。则不具有超级磨粒的若干段可改善切屑排出并减小了当其横移通过切削表面时相对于该线锯的摩擦力。如图3所示，可包括一装置40，用以防止混合物沉积在金属丝的一段特定长度上或者移除已经施加混合物的部分。该装置可以是海绵、块体、喷洒溶剂或任何能够留下不连续超级磨料层的装置。不连续摩擦片段38的尺寸由所属领域的技术人员所认可的设计因素决定。
在另一个具体实施例中，可使用多种方法以将有机粘结剂施加到金属丝上(例如刷涂、喷涂、刮涂或将金属丝浸渍在有机粘结剂和可选填充材料中)。然后可通过喷洒、直接堆放或任何其它方法将超级磨粒涂层施加到有机粘结剂上。在该具体实施例中，可按照一个预定图案或特定的结构设置超级磨粒涂层。以特定图案或结构设置超级磨粒的方法实施例可见于美国专利第4,925,457号、第5,380,390号、第6,039,641号和第6,286,498号，这些文献在此引入作为参考。因此，超级磨粒涂层的图案和浓度可为均匀的或者在线锯的长度上变化。必须使浓度具有变化，以在切削速度维持恒定下得到不同的切削率、或改良切屑排出等等。应了解，与施加预先混合的混合物到金属丝有关的上述原理也适用于依序施加该有机粘结剂、超级磨粒涂层及其它填充材料。此外，可按相反的顺序施加材料。例如，超级磨粒涂层可被直接粘合到使用任何已知粘合材料的金属丝上。然后将有机粘结剂施加到超级磨粒涂层上。如此，则超级磨粒涂层更靠近该金属丝表面，获得更窄的线锯直径并通过该有机粘结剂加强磨粒的维持力。
在另一个具体实施例中，可使用一种粘合剂涂覆该金属丝。然后可通过喷洒、浸渍将超级磨粒涂层粘附到该粘合剂，或者使磨粒与该粘合剂接触。然后将该有机粘结剂(包含可选填充材料及/或有机金属偶联剂)施加到所粘附的超级磨粒涂层的顶部。
以下形成的该超级磨料层12(图1所示)，该有机粘结剂可被固化。应了解，固化可仅仅包括借助溶剂移除来干燥该粘结剂成分及/或包括若干化学反应，化学反应使该有机粘结剂与诸如环氧树脂和酚醛树脂聚合；这两种类型的“固化”都落入本发明的范围内。固化该有机粘结剂以便将超级磨粒涂层固定到该金属丝上来形成超级磨料线锯。典型的固化温度为大约40℃到大约400℃，时间为60分钟。
现参照图4，其显示了被粘附到金属丝10的固化有机粘结剂42内的超级磨粒涂层14。所示的有机粘结剂42还可包含一种填充材料44。本发明的超级磨粒涂层14可以是一种具有熔融焊料合金的固化涂层48的超级磨粒涂层46。如前面所讨论的，该固化涂层48优选地与该超级磨粒46形成化学键结。应特别注意的是该超级磨粒涂层的外表面50。该外表面可具有大约3μm到大约10μm的表面粗糙度。较高的表面粗糙度可增加与该有机粘结剂的机械粘合强度并为化学键结提供更多的表面积。相比之下，该超级磨粒46的表面52通常具有一个表面粗糙度低于大约50nm的超光滑表面。于有机粘结剂中使用未涂覆的磨料，则该外表面50较高的表面粗糙度改善了于有机粘结剂中的超级磨粒涂层在超级磨料线锯上的粘合。因此，在工具使用寿命得到延长的同时得到了一种柔韧的线锯。
本发明的超级磨料线锯成品可用于此项技术中已知的各种切削加工。这些加工可包括为所属领域的技术人员所知道的单线切削机或多线切削机。本发明的线锯可进一步用于以高精度和低锯缝损耗切削诸如硅锭等材料，还可切削混凝土、大理石等等。
本发明还包含如本文所述的制造和使用超级磨料线锯(包括其各种组成部分)的各种方法。这些方法可采用上述装置所公开的材料、结构、尺寸和其它参数，以及被所属领域的普通技术人员所认可的其等同物。
以下实施例提供了制造本发明的超级磨料线锯的各种方法。这些实施例仅作说明之用，并不对本发明进行限制。
实施例
实施例1
使用一种丙烯酸粘结剂的薄膜覆盖40/50网状尺寸的钻石磨粒。然后将覆盖粘结剂的钻石与含有B、Ni、Cr、Si的粉末状金属合金(其具有大约325网状尺寸的平均粒度，且商品名为NICROBRAZ LM，Wall Colmonoy公司制造)混合。得到的是一种铜焊粉末包裹的钻石。然后将该涂覆磨粒与Al2O3的细粉混合。在真空炉中于压力10-5托(torr)的条件下将该混合物加热大约17分钟，加热到大约1005℃的最高温度以确保该金属合金涂层熔融、液化并绕钻石磨粒流动以将其浸润。然后将该混合物冷却并从该真空炉中取出。将钻石磨粒与Al2O3分隔开后，在一个热压机中将许多涂覆磨粒与一种钴粉混合并烧结以形成若干矩形段。使用钳子弯折以将这些片段中的一些折断。然后在显微镜下观察该断口表面。可观察到，蔓延穿过涂覆钻石磨粒(而不是偏离该钻石磨粒与该涂层之间的接口附近)的断裂面上不具有如上述铜焊涂层的烧结钻石磨粒的典型特征。
实施例2
如同实施例1一样的相同过程，但是使用具有平均粒度大约325到大约400网状尺寸(meshes，目)的钻石磨粒取代Al2O3粉末隔离剂。在加热过程中，借助焊料合金涂层浸润较小钻石磨粒，并与该涂覆钻石磨粒的外面形成化学键结。因此，产生具有与金属合金外壳形成化学键结的钻石磨粒涂层，且较小的钻石磨粒进一步与该外壳的外面结合。将这些“尖头的(spiky)”涂覆磨粒结合到钴基质中并如上进行断裂试验，获得相似的结果。
实施例3
如同实施例2一样的相同过程，但是使用SiC的磨粒取代更小钻石磨粒。该加工获得一种钻石磨粒涂层，其使陶瓷磨粒粘合到与实施例2的钻石磨粒相似的该金属涂层的外面。此外，该断裂试验获得与实施例1和实施例2相似的结果。
实施例4
如同实施例1中一样使用一种粉末状焊料合金涂覆的钻石磨粒，然后于Al2O3板上所挖出的槽中排成一行。将少量铜焊粉末填充在磨粒涂层之间，并如实施例1在一个熔炉中加热该组件。如同前面的那些实施例中所示，对该合成的“针(needle)”进行断裂试验，并显示一个钻石磨粒的断口，而不是该钻石与该金属合金涂层之间附近接口的断口或该钻石磨粒之间附近的断口。
实施例5
如同实施例4一样的相同过程，但是，将钻石涂覆的磨粒散布在Al2O3板上。然后将铜焊粉末填充到磨粒涂层之间，且如同前面的那些实施例那样加热该组件。然后如同前面的那些实施例那样，对通过铜焊合金粘合获得的钻石磨粒的钻石板进行断裂试验。分析随机断口所显示的断裂面，随机断口包括穿过各种钻石磨粒的断口，而不包括在该钻石磨粒设置之后并主要在该金刚石磨粒/金属涂层接口凹陷的那类断口。
实施例6
如同实施例4和5一样的相同过程，仅仅使用用于涂覆钻石磨粒的碳化钨和该铜焊粉末的混合物来填充钻石磨粒之间的间隙。再次按照前面的那些实施例进行加热，获得一种复合材料瓦片。对该瓦片进行断裂试验，结果证明与上述那些实施例所得到的结果一致。
实施例7
将实施例1的超级磨粒涂层与含有大约40％体积环氧树脂的粘结剂混合。该粘结剂包括大约35％体积的碳化钨磨粒。将0.5mm镀铜钢丝牵引通过上述混合物。干燥该混合物，然后在大约300℃下持续进行30分钟的固化以制造一种柔韧且具有更长切削寿命的线锯。
实施例8
将粘合剂喷涂到一根0.3mm钢丝上，且将实施例1的超级磨粒涂层喷洒到该钢丝上。混合60％体积酚醛树脂、35％体积金刚砂和大约5％体积的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氧硅烷以形成该有机粘结剂层。然后将该混合物施加到其上具有超级磨粒涂层的钢丝上。然后该混合物在大约300℃持续进行45分钟的固化以制造一种柔韧且具有更长切削寿命的线锯。
显然，应了解那些上述布置仅仅是为了举例说明本发明原理的应用。在不偏离本发明精神和范围的前题下，所属领域的技术人员可设计出许多更改和替代布置，且所附的权利要求书旨在涵盖这些更改和布置。因此，尽管在上文中已结合本发明当前最实用和优选具体实施例对本发明的特殊性和细节对进行了描述，但是对于所属领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不偏离本文所述原理和概念的前题下可进行多种更改，包括(但不限于)对尺寸、材料、形状、形式、功能和操作方式、组件和使用所作的变化。
Claims (21)
1.一种超级磨料线锯，其包含金属丝及超级磨料层，其中所述的超级磨料层具有借助有机粘结剂将粘附到该金属丝上的若干单独涂覆的超级磨粒，超级磨粒涂层包含超级磨粒及熔融焊料合金的固化涂层，该熔融焊料合金的固化涂层与该超级磨粒形成化学键结。
2.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该超级磨料层基本上是连续的。
3.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该超级磨料层是不连续的，并具有若干摩擦片段。
4.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该超级磨粒为钻石或立方氮化硼。
5.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该金属丝包含一种从钢、钨和铜的组成中所选择的金属。
6.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该金属丝直径为大约0.1mm到大约10mm。
7.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该超级磨粒的的直径为该金属丝直径的大约1/5到大约1/3。
8.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该焊料合金包含至少大约1％的从铝、硼、铬、锂、镁、钼、锰、铌、硅、钽、钛、钒、钨、锆及其混合物的组成中所选择的一种易反应元素。
9.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中该有机粘结剂包含从环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和其混合物的组成中所选择的一种成分。
10.根据权利要求1所述的超级磨料线锯，其中有机粘结剂进一步包含有机金属偶联剂。
11.一种形成超级磨料线锯的方法，其包括以下步骤：
a)使用熔融液态焊料合金涂覆超级磨粒；围绕该超级磨粒固化该焊料合金，使得该焊料合金与该超级磨粒形成化学键结以形成超级磨粒涂层；
b)在金属丝的至少一部分上形成超级磨粒涂层与有机粘结剂的混合物；以及
c)固化该有机粘结剂以便将超级磨粒涂层固定到该金属丝上，从而形成超级磨料线锯。
12.根据权利要求11所述的方法，其中超级磨粒涂层具有大约3μm到大约10μm的平均表面粗糙度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中当牵引该金属丝通过一个加工区时，连续地实施涂覆超级磨粒、形成混合物及固化该有机粘结剂的步骤。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含从该金属丝移除部分混合物以形成不连续片段的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，其中超级磨粒涂层为一种单层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中该焊料合金包含至少大约1％的从Al、B、Cr、Li、Mg、Mo、Mn、Nb、Si、Ta、Ti、V、W、Zr和其混合物的组成中所选择的一种易反应元素。
17.根据权利要求11所述的方法，其中该涂覆步骤进一步包含以下步骤：
a)使用粘结剂材料覆盖该超级磨粒；
b)使用该粘结剂材料将粉状焊料合金粘附到该超级磨粒上；以及
c)将该焊料合金加热到一个足以导致该合金熔融、涂覆并与该超级磨粒形成化学键结的温度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中同时涂覆多个超级磨粒，且其中在该加热步骤之前，该方法进一步包含以下步骤：
a)在一个允许于加热过程中分隔开磨粒的分隔物内分配超级磨粒；
b)将该焊料合金加热到一个足以导致该合金熔融、涂覆并与该超级磨粒形成化学键结的温度；以及
c)从该分隔物移除该单独涂覆的超级磨粒。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该分隔物是一种不会与该易反应金属合金反应的粉末。
20.根据权利要求11所述的方法，其中在涂覆步骤之前，具有一个在该超级磨粒上形成从Cr、Si、Ti和W的组成中所选择的材料层的步骤。
21.根据权利要求11所述的方法，其中至少大约40％的超级磨粒表面被该熔融焊料合金浸润。
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