專利名稱：芳綸芯線線鋸及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超硬材料切割材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以芳綸絲為芯線、表面涂敷樹脂金剛石或立方氮化硼涂層的線鋸，用于單晶硅、多晶硅、玉石、藍寶石、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、高壽命、高光潔度的特點。
背景技術(shù)：
硬脆材料包括寶石、玻璃、石材、硅晶體、石英晶體、陶瓷、硬質(zhì)合金等。硬脆材料大多為半導(dǎo)體或非導(dǎo)電體，具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高電阻率等性能。硬脆材料因具有許多金屬材料難以比擬的優(yōu)良特性，而被廣泛應(yīng)用于聲、光、電磁、機械和化工等行業(yè)。隨著其被廣泛應(yīng)用，對硬脆材料的加工也提出更高的要求。硬脆材料加工的關(guān)鍵工序是切割加工，該工序要求高效率、低成本、高材料利用率、無損傷、無污染等。目前，硬脆材料的切割方法主要有金剛石鋸片切割、激光切割、鋼絲加高硬刃磨料(如碳化硅)切割和近年漸成主流的多線鋸切割。金剛石鋸片由于切縫寬，成材率低不能切割曲線，不適于貴重材料的切割。激光切割由于切割深度有限而受到限制。金剛石線鋸切割高脆高硬材料目前處于起步階段。鋼絲多線鋸切割在硅材料和藍寶石切割中占主要地位。鋼絲多線鋸切割主要是通過拉動鋼絲，鍍銅鋼絲帶入預(yù)先混有細(xì)粒度碳化硅微粉的磨削液，微粉在鋼絲的帶動下游離切割硬脆材料。由于多線鋸的引入，使得大型的多線鋸可以同時切割出數(shù)百切片，加工效率得以提高。但也存在著一些缺點如鍍銅鋼絲表面較光滑， 對沙漿黏度和碳化硅濃度要求較高，使用后廢棄物污染嚴(yán)重；鍍銅鋼絲耐磨性差，切割時磨損較嚴(yán)重，對磨料的帶料能力差，切割加工時游離刃料容易與鋼絲發(fā)生滑移，使得切割加工效率偏低。另外，采用鋼絲做芯線，鋼絲的使用會受到限制，過粗切割時浪費被加工物料，過細(xì)則不僅細(xì)鋼絲本身的強度到不到使用要求，且加工工藝難度加大和成本也隨之提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種以芳綸絲為芯線的線鋸，該線鋸耐磨性好、強度高、韌性好、質(zhì)量輕、可以做得更細(xì)，用于硬脆材料切割加工可顯著提高加工效率和被加工材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種芳綸芯線線鋸，其包括芳綸芯線(也就是以芳綸絲線作為芯線，替代現(xiàn)有的用鋼絲作為芯線)和涂敷到所述芯線的樹脂金剛石或立方氮化硼涂層。所述芯線為經(jīng)過表面處理的高強度芳綸III芯線，芳綸III屬于雜環(huán)芳綸。所述芳綸芯線由芳綸纖維緊密平行排列或經(jīng)加捻處理制成，加捻度為75 - 800 圈/米，加捻方式為S型或Z型。所述樹脂金剛石或立方氮化硼涂層選用的樹脂粘結(jié)劑具有150°C以上的軟化溫度，如酚醛樹脂、聚酰胺樹脂或聚酰亞胺樹脂等。該涂層含有固定到涂層、露出高度不大于自身高度三分之一的磨料，所述磨料為金剛石微粉或立方氮化硼微粉，磨料含量為涂層體積的10 - 35% ；該涂層含有固定到涂層、直徑小于固化后樹脂層厚度的填料，填料含量小于涂層體積的65%。所述填料可以選用有機短切絲，其直徑為0. 1 50微米，長度為0. 1毫米 2厘米。有機短切絲最好選用芳綸短切絲，
所述填料還可以選用粒徑小于40微米的碳化硅微粉、三氧化二鋁微粉、炭黑微粉、銅粉、金剛石微粉和立方氮化硼微粉中的一種或兩種以上。銅粉可以起到快速導(dǎo)熱的作用，碳化硅和三氧化二鋁微粉可以提高涂層的耐磨性能，炭黑和立方氮化硼微粉可以提高涂層的強度，有機短切絲形狀不規(guī)則，添加后可對填料起把持作用，使其結(jié)合的更牢固。一種芳綸芯線線鋸的制備方法，其包括如下步驟
①制備涂層復(fù)合劑將用作磨料的金剛石或立方氮化硼微粉凈化處理后與樹脂粘結(jié)劑混合，再加入填料、溶劑(常用溶劑有酒精、丙酮或二甲基乙酰胺等)和固化劑混合均勻得漿料，漿料也就是涂覆所用的涂層復(fù)合劑；
②芯線凈化處理把芳綸纖維緊密平行排列或作加捻處理成芳綸絲線，然后將芳綸絲線進行表面清洗凈化處理后烘干即為芳綸芯線，備用；
③將漿料涂敷于芳綸芯線表面，經(jīng)限徑、固化后即得。漿料(即涂層復(fù)合劑)涂敷于芳綸芯線表面，經(jīng)限徑、固化后即在芯線表面形成一涂層(即樹脂金剛石或立方氮化硼涂層)。其中，在加熱固化過程中，溶劑被揮發(fā)掉，其它組分未發(fā)生損失。作為芯線的芳綸絲經(jīng)過表面凈化處理以增加與樹脂金剛石或立方氮化硼涂層的結(jié)合強度。所述芳綸絲表面凈化處理方法有預(yù)除油或真空脫脂處理等。預(yù)除油處理選用揮發(fā)性較好的有機物溶劑，如乙醇、丙酮或汽油等。用作磨料的金剛石或立方氮化硼微粉凈化處理一般采用先堿處理再水洗后酸洗的方式，用以去除雜質(zhì)和提高微粉表面的活性。常用的堿液使用10 - 25%氫氧化鈉溶液、 5 - 25%碳酸鈉溶液等；常用的酸液有鹽酸、硫酸、王水等?？梢圆捎贸Ｒ?guī)的噴涂或浸涂方法把漿料涂敷于芳綸芯線表面，通過限徑模具限徑，然后經(jīng)加熱固化或紫外線照射固化，即生產(chǎn)出線鋸。該線鋸用芳綸作芯線，芯線表面涂敷有樹脂金剛石或立方氮化硼涂層。本發(fā)明的特點(1)用芳綸III來替代鋼絲作為芯線，芳綸III絲線強度高，耐切割 其強度是鋼絲的10 15倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2 3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560°C以下的溫度不分解，不熔化。它具有良好的耐磨性和抗疲勞性。(2)芳綸絲線的直徑最細(xì)可以作到0. 01微米，其密度僅為鋼線的五到六分之一，而鋼絲由于加工工藝和成本問題，更細(xì)的鋼線很難實現(xiàn)或無實用性。(3)現(xiàn)有技術(shù)需在鋼絲表面鍍銅或鎳，而本發(fā)明線鋸無需鍍銅或鎳，通過在芳綸表面涂敷含有填料和金剛石微粉磨料的樹脂金剛石涂層即可實現(xiàn)切割，因此可以節(jié)約大量的貴重金屬。(4)本發(fā)明線鋸相對電鍍法制造金剛石線鋸更具環(huán)保性；用于硬脆材料切割比游離切割更高效、環(huán)保。(5)本發(fā)明線鋸具有比其它有機絲更高的耐高溫使用性能，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難度。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明線鋸以芳綸III絲線為芯線(芳綸細(xì)且環(huán)保)，通過在芳綸芯線表面涂覆樹脂金剛石或立方氮化硼涂層制備而成。該線鋸具有強度高、韌性好、耐磨性高、質(zhì)量輕等優(yōu)點，用于硬脆材料切割加工時，可以大幅度提高加工效率，提高被加工材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明線鋸在抗拉強度、柔韌性、疲勞強度方面均好于同規(guī)格的鋼絲電鍍鎳金剛石線鋸。


圖1本發(fā)明實施例1線鋸的結(jié)構(gòu)剖視示意圖，其中1為填料，2為金剛石，3為涂層， 4為芳綸單絲，5為芳綸芯線；
圖2是芳綸纖維單絲6平行排列的示意圖； 圖3是芳綸纖維單絲6加捻排布的示意圖。
具體實施例方式以下通過實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于此。實施例1
芳綸芯線線鋸，按以下方法制備
①制備涂層復(fù)合劑將用作磨料的金剛石微粉凈化處理后與樹脂粘結(jié)劑混合，再加入填料、溶劑和固化劑混合均勻得漿料，具體如下
把粒徑在纊12微米用作磨料的金剛石微粉加入到由10%氫氧化鈉和5%碳酸鈉組成的混合溶液中，在90-100°C處理10 20min后，用去離子水沖洗至中性，再放入10%硫酸溶液中處理20 30min，用去離子水沖洗至中性，干燥后加入占漿料體積28%的酚醛樹脂中混合15min，再加入填料(所述填料由銅粉、碳化硅、三氧化二鋁和立方氮化硼微粉組成)混合45 60min，加入占漿料體積30%的丙酮溶劑和占漿料體積3%的NL酚醛樹脂固化劑混合60min得漿料，待用。該漿料中含有體積含量24%的金剛石微粉磨料、體積含量7%直徑 1微米的銅粉、體積含量3%直徑2微米的碳化硅、體積含量21直徑0. 1微米的三氧化二鋁和體積含量3%直徑1微米立方氮化硼。②芯線凈化處理將芳綸III纖維S型加350捻處理成直徑0. 1毫米芳綸絲線，然后用酒精清洗，凈化處理后80°C烘干即為芳綸芯線，備用；
③用帶張力電機的牽引機構(gòu)牽引芳綸絲通過噴頭，噴頭把漿料噴涂于芳綸III芯線表面，再通過直徑0. 13mm的限徑模具進行限徑，最后經(jīng)過固化管165°C加熱固化形成線鋸。該線鋸用芳綸III作芯線，芯線表面涂覆有樹脂金剛石涂層。該線鋸的生產(chǎn)速度可達16米/秒。生產(chǎn)的線鋸具有0. 125毫米的直徑和約11微米的樹脂金剛石涂層。實施例2
本實施例中，芳綸芯線線鋸與實施例1不同之處為所使用的磨料為直徑1(Γ15微米的立方氮化硼微粉；所用填料由銅粉、碳化硅和碳黑微粉組成。制成的漿料中含有體積含量 25%的立方氮化硼微粉磨料、體積含量8%直徑1微米的銅粉、體積含量3%直徑2微米的碳化硅和體積含量3%直徑0. 5微米的碳黑。生產(chǎn)的線鋸具有0. 125毫米的直徑和約11微米的樹脂立方氮化硼涂層。實施例3
本實施例中，芳綸芯線線鋸與實施例1不同之處為用占漿料體積31%的聚酰亞胺樹脂替代占漿料體積28%的酚醛樹脂(使用聚酰亞胺樹脂時不需要添加NL酚醛樹脂固化劑)，用占漿料體積30%的二甲基乙酰胺替代丙酮溶劑；所用填料由銅粉、碳黑、立方氮化硼和芳綸短切絲組成。制成的漿料中含有體積含量25%的金剛石微粉磨料、體積含量5%直徑1微米的銅粉、體積含量3%直徑0. 5微米的碳黑、體積含量3%直徑1微米立方氮化硼和體積含量 3%直徑3微米長度1. 5毫米的芳綸短切絲。步驟③中固化管加熱固化所用溫度為375°C。生產(chǎn)的線鋸具有0. 125毫米的直徑和約11微米的樹脂金剛石涂層。實施例4
本實施例中，芳綸芯線線鋸與實施例1不同之處為用占漿料體積31%的聚酰亞胺樹脂替代占漿料體積28%的酚醛樹脂(使用聚酰亞胺樹脂時不需要添加NL酚醛樹脂固化劑)，用占漿料體積30%的二甲基乙酰胺替代丙酮溶劑；所用磨料為直徑1(Γ15微米的立方氮化硼微粉；所用填料由銅粉、碳黑、立方氮化硼和芳綸短切絲組成。制成的漿料中含有體積含量 25%的立方氮化硼微粉磨料、體積含量5%直徑1微米的銅粉、體積含量3%直徑0. 5微米的碳黑、體積含量3%直徑1微米立方氮化硼和體積含量3%直徑3微米長度1. 5毫米的芳綸短切絲。步驟③中固化管加熱固化所用溫度為375°C。生產(chǎn)的線鋸具有0. 125毫米的直徑和11微米的樹脂立方氮化硼涂層。各實施例生產(chǎn)的線鋸的切割測試如下
對上述實施例1制成的線鋸(金剛石)進行切割多晶硅塊的測試。使用的多晶硅塊是邊長156毫米的正方形，厚80毫米，切割面積156毫米X 156毫米。所用金剛石線鋸長65 米，工作條件金剛石線鋸以19米/秒的線速度往復(fù)運動，單片切割，線張力為30牛，用水作工作介質(zhì)，進給速度穩(wěn)定在20微米每秒。切割縫寬度0. 13毫米，切割1 分鐘后金剛石線鋸?fù)瓿傻?片切割，完成切片137片后不能再有效使用。對上述實施例2制成的線鋸(立方氮化硼)進行切割多晶硅塊的測試。使用的多晶硅塊是邊長156毫米的正方形，厚80毫米，切割面積156毫米X 156毫米。所用立方氮化硼線鋸長65米，工作條件立方氮化硼線鋸以15米/秒的線速度往復(fù)運動，線張力25牛， 用水作工作介質(zhì)，進給速度穩(wěn)定在10微米每秒。切割縫寬度0. 13毫米，切割260分鐘后完成第1片切割，完成切片87片后不能再有效使用。對上述實施例3制成的線鋸(金剛石)進行切割多晶硅塊的測試。使用的多晶硅塊是邊長156毫米的正方形，厚80毫米，切割面積156毫米X 156毫米。所用金剛石線鋸長 65米，工作條件金剛石線鋸以21米/秒的線速度往復(fù)運動，線張力為30牛，用水作工作介質(zhì)，進給速度穩(wěn)定在17微米每秒。切割縫寬度0. 13毫米，切割153分鐘后完成第1片切割，完成切片122片后不能再有效使用。對上述實施例4制成的線鋸(立方氮化硼)進行切割多晶硅塊的測試。使用的多晶硅塊是邊長156毫米的正方形，厚80毫米，切割面積156毫米X 156毫米。所用立方氮化硼線鋸長65米，工作條件立方氮化硼線鋸以17米/秒的線速度往復(fù)運動，線張力為30 牛，用水作工作介質(zhì)，進給速度穩(wěn)定在13微米每秒。切割縫寬度0. 13毫米，切割201分鐘后完成第1片切割，完成切片96片后不能再有效使用。
權(quán)利要求
1.一種芳綸芯線線鋸，其特征在于，包括芳綸芯線和涂敷到所述芯線的樹脂金剛石或立方氮化硼涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，所述芳綸芯線為芳綸III。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，芳綸芯線由芳綸纖維緊密平行排列或經(jīng)加捻處理制成，加捻方式為S型或Z型，加捻度為75 — 800圈/米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，所述樹脂金剛石或立方氮化硼涂層使用的樹脂粘結(jié)劑具有150°C以上的軟化溫度，該涂層含有固定到涂層、露出高度不大于自身高度三分之一的磨料，所述磨料為金剛石微粉或立方氮化硼微粉，磨料含量為涂層體積的10 - 35% ；該涂層含有固定到涂層、直徑小于固化后樹脂層厚度的填料，填料含量小于涂層體積的65%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，所述填料為有機短切絲，其直徑為0. 1 50微米，長度為0. 1毫米 2厘米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，所述填料為芳綸短切絲。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芳綸芯線線鋸，其特征在于，所述填料為粒徑小于40微米的碳化硅微粉、三氧化二鋁微粉、炭黑微粉、銅粉、金剛石微粉和立方氮化硼微粉中的一種或兩種以上。
8.權(quán)利要求1所述的芳綸芯線線鋸的制備方法，其特征在于，包括如下步驟①制備涂層復(fù)合劑將用作磨料的金剛石或立方氮化硼微粉凈化處理后與樹脂粘結(jié)劑混合，再加入填料、溶劑和固化劑混合均勻得漿料；②芯線凈化處理把芳綸纖維緊密平行排列或作加捻處理成芳綸絲線，然后將芳綸絲線進行表面凈化處理后烘干即為芳綸芯線，備用；③將漿料涂敷于芳綸芯線表面，經(jīng)限徑、固化后即得。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的芳綸芯線線鋸的制備方法，其特征在于，所述芳綸芯線表面凈化處理包括預(yù)除油或真空脫脂處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的芳綸芯線線鋸的制備方法，其特征在于，所述的預(yù)除油處理選用的有機物溶劑為乙醇、丙酮或汽油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種芳綸芯線線鋸，其包括芳綸芯線和涂敷到所述芯線的樹脂金剛石或立方氮化硼涂層。所述芳綸芯線為芳綸Ⅲ。本發(fā)明線鋸具有強度高、韌性好、耐磨性高、質(zhì)量輕等優(yōu)點，用于硬脆材料切割加工時，可以大幅度提高加工效率，提高被加工材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號B28D5/04GK102172999SQ20111005190
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者孫斌, 張建華, 楊晉中, 王秦生, 趙清國, 郭留希 申請人:鄭州人造金剛石及制品工程技術(shù)研究中心有限公司