CN102225596B - 一种太阳能硅片线切割钢线 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能硅片线切割钢线及其制作方法。该钢线由金属线及包覆在金属线外表面的含固体微粒的非晶态合金涂层组成。本发明提供的钢线能满足线锯用线材对强度、耐磨性的特殊要求，提高太阳能硅片的切割效率，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能硅片线切割钢线及其制作方法。
背景技术
近年来光伏发电产业发展迅猛，硅片是制造光伏电池的基板，线锯首先将硅锭切成方块，然后切成很薄的硅片。硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分，所以降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要。
线锯是在研磨浆料的配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线，最多可达1000条切割线相互平行地缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网”。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒5-25米的速度移动。切割线运动过程中，喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨浆。碳化硅颗粒均匀地包覆在高速运动中的切割线表面,利用自身的坚硬特性、锋利菱角与切割线共同作用将硅棒逐步截断。
但是研磨浆中的碳化硅颗粒易于磨损高速运动中的切割线，改变切割线线径，从而影响切割品质。如果改用金刚线来切片需对当前线切割机进行结构改造、同时固定在钢线表面的金刚石粒径离散性大造成硅片表面有不规则的线痕影响了大面积使用。
随着整个太阳能行业的发展，太阳能硅片切割设备投入近几年以几十倍的增长运行，其中切割用钢线随切片机台的扩产而大量消耗、年消耗钢线材约5万吨。在太阳能硅片线切割中大量使用线切钢线，不利于环境控制和造成企业成本的增加，为了适应未来市场需求及价格的竞争发展需要，整个行业都在为如何提高钢线表面耐磨性和使用量及切割效率和降低切割成本而又不改变现有切割设备和工艺、不停地寻找新的途径。
发明内容
本发明要解决现有太阳能硅片线切割钢线强度低、耐磨性差，容易磨损的技术问题。为此本发明提供了一种含固体微粒非晶态合金复合结构的太阳能硅片切割钢线，满足线锯用线材对强度、耐磨性的特殊要求，提高硅片的切割效率，降低成本。
本发明提供的技术方案是，一种太阳能硅片线切割钢线，由金属线及包覆在金属线外表面的含固体微粒的非晶态合金涂层组成。
非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等。与普通线材相比，本发明的线材制作的线锯强度、耐磨性明显提高。
固体微粒在非晶态合金高温熔融状态下呈现固体状态，硬度很高，能进一步提高非晶态合金涂层的耐磨性；并且均匀分布的固体微粒能起到与研磨浆料中碳化硅颗粒相同的作用，即在高速运动时将硅棒逐步截断，从而减少研磨浆料的使用，节约成本的同时减少浆料对切割线的磨损。
作为优选，固体微粒与非晶态合金的质量比为21:79-40:60
作为优选，金属线直径为90-300um，非晶态合金涂层厚度为2-10um。
作为优选，固体微粒为碳化硅和/或金刚石。
作为优选，固体微粒的粒径为2～20um。减少固体微粒的粒径有助于固体微粒在非晶体合金中的均匀分布，从而减少粒径离散性大造成硅片表面有不规则的线痕。但粒径太小时固体微粒对硅棒的切割作用就减弱。
作为优选，固体微粒粒径为2～3um。含该粒径范围的固体微粒的非晶态合金复合结构的太阳能硅片切割钢线已经能够增强非晶态合金涂层的强度和耐磨性，但对硅片的切割作用不明显，需要配合研磨浆料使用。
作为优选，固体微粒的粒径为10～20um。该粒径范围的固体微粒相当于在非晶态合金涂层上形成了一个切割层，使得钢线同时具备了高强度、耐磨性好，对硅片的切割作用明显，可以不使用研磨浆料。
由于线锯用线材直径超细，本发明提供的太阳能切割钢线金属线直径为90-300um，而熔融的非晶态合金温度一般在600～1000℃，超细钢线与其接触时很容易因为高温造成性能变化，因而在本发明申请前将非晶态合金应用到线锯用超细线材上难度很大。本发明通过特殊的加工工艺可以获得该特殊的非晶金属丝，具体加工方法为：
1)、非晶态合金制备
将一种以上非晶态合金及固体微粒置于惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为350～550A，铜模铸造条件下制成母合金；
2)、非晶态合金与金属线复合
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将金属线快速经过装有熔融状态非晶态合金的石英炉挤出口，通过的速度为1～1000mm/秒，使金属线外表面均匀地覆上一层合金液，经过石英炉后合金液快速冷却使金属线外表面均匀地覆上了一层非晶态合金复合层，从而得到由非晶态合金改性的切割线材。
由于在2)、非晶态合金与金属线复合过程中，严格控制了金属线通过装有熔融状态非晶态合金的石英炉挤出口的速度，使高温熔融非晶态合金与金属线复合过程中，金属线自身温度得到有效控制，不影响金属线的机械性能。
为适应不同的切割材质的需要，进一步提高切割线材的强度、耐磨性及耐腐蚀性能与使用寿命，所述的非晶合金有三种以上，其制备工艺步骤如下：
1)、非晶态合金制备
将高熔点二种以上不同金属基非晶态合金与一部分固体微粒按比例置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为350～550A，熔炼以确保获得成分均匀的中间合金；第二步将中间合金与其他金属基非晶态合金和剩余的固体微粒按比例放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10-2Pa以下，冲入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.3～0.7个大气压，在温度600～1100℃条件下熔炼，然后再铜模铸造条件下制成母合金；
2)、非晶态合金与金属线复合
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将金属线在收线卷绕轮的牵引下快速经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口，通过的速度为1～1000mm/秒，让金属线外表面均匀地覆上一层合金液，经过石英炉后合金液快速冷却使金属线外表面均匀地覆上了一层非晶态合金复合层，从而得到由非晶态合金改性的线材。
由于在1)中分两步熔炼非晶态合金，保证了合金组分均匀，从而保证在金属层表面非晶态合金层成分的均匀，保证切割表面质量。
作为优选，金属线经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口的速度为500-800mm/秒。
本发明的有益效果是，本发明提供的太阳能硅片线切割钢线每刀使用量减少30％以上，使用10～20um固体微粒时，每刀使用量更能减少到90％以上，且可以不用浆料。表明钢线的强度和耐磨性得到很大改善，大大提高了钢线的使用寿命，提高了硅片的切割效率，降低成本。
附图说明
图1：本发明实施例1、3的太阳能硅片线切割钢线的结构示意图。
图1中1表示金属层，2表示非晶态合金涂层，3表示固体微粒
图2：本发明实施例2的太阳能硅片线切割钢线的结构示意图。
图2中1表示金属层，2表示非晶态合金涂层，3表示固体微粒
具体实施方式
实施例1
如图1所示的本发明的太阳能硅片线切割钢线，线材直径为0.09mm，其由金属线及包覆在金属线外表面的含碳化硅微粒的非晶态合金涂层组成。其非晶态合金涂层的厚度为2微米，金属线为钢线的预变型线材。
前述太阳能硅片线切割钢线的制备方法：
一.含碳化硅微粒非晶态母合金料成份比(重量份)
二.耐磨母合金料制作工艺
将高熔点镁基非晶态合金5.5份、铜基非晶态合金9.0份和20份碳化硅微粒，置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为550A，熔炼以确保获得成分均匀的中间合金；第二步将中间合金与镍基非晶态合金45.5份和20份碳化硅微粒放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10-2Pa以下，冲入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.7个大气压，在温度600℃条件下熔炼，然后再铜模铸造条件下制成母合金100份。
三.含碳化硅微粒非晶态合金与钢线涂覆工艺
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将己拉伸好的钢线在收线卷绕轮的牵引下快速经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口，通过的速度为V＝800mm/秒，让钢丝表面均匀涂覆上一层合金液，经过石英炉后快速冷却使钢线表面均匀涂覆上了一层含固体微粒的非晶态合金复合层，从而得到了一种由非晶态合金改性的切割线材。
将实例一、含碳化硅微粒的非晶态合金复合层制成线径可控的太阳能硅片线切割用耐磨钢线在不改变现有MB271切片机工艺下，钢线每刀使用量减少30％--50％。
实施例2
如图2所示的本发明的太阳能硅片线切割钢线，钢线直径为0.3mm，其由金属线及包覆在金属线外表面的含金刚石微粒的非晶态合金涂层组成。其非晶态合金涂层的厚度为10微米，金属线为钢线的预变型线材。
前述太阳能硅片线切割钢线的制备方法：
一.含金刚石微粒非晶态母合金料成份比(重量份)
镍基非晶态合金 65份
镁基非晶态合金 14份
金刚石微粒(粒径D50 10um～20um) 21.0份
二.含金刚石微粒非晶态母合金料制作工艺
将镍基非晶态合金65份、镁基非晶态合金14份和21份金刚石微粒，置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为350A，在温度1100℃条件下熔炼，然后再铜模铸造条件下制成母合金100份。
三.含金刚石微粒非晶态合金与钢线涂覆工艺
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将己拉伸好的钢线在收线卷绕轮的牵引下快速经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口，通过的速度为V＝200mm/秒，让钢丝表面均匀涂覆上一层合金液，经过石英炉后快速冷却使钢线表面均匀涂覆上了一层含固体微粒的非晶态合金复合层，从而得到了一种由非晶态合金改性的切割线材。
将实例二、含金刚石微粒的非晶态合金复合层制成线径可控的太阳能硅片线切割用耐磨钢线,由于非晶态合金中的金钢石微粒粒径为10um～20um，粒径较粗，因此，在太阳能硅片切割钢线外表面有坚硬的金钢石颗粒状凸起，因此采用该切割钢线切割太阳能硅片时可不用浆料，而仅采用水冷却即可，且每刀使用量减少90％--95％。
实施例3
如图1所示的本发明的太阳能硅片线切割钢线，线材直径为0.12mm，其由金属线及包覆在金属线外表面的含碳化硅和金刚石微粒的非晶态合金涂层组成。其非晶态合金涂层的厚度为5微米，金属线为钢线的预变型线材。
前述太阳能硅片线切割钢线的制备方法：
一.含碳化硅/金刚石微粒非晶态母合金料成份比(重量份)
二.含金刚石微粒非晶态母合金料制作工艺
将高熔点镁基非晶态合金20.5份、铜基非晶态合金8.0份和5份金刚石微粒，置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为450A，熔炼以确保获得成分均匀的中间合金；第二步将中间合金与镍基非晶态合金50.5份和16份碳化硅微粒放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10-2Pa以下，冲入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.3个大气压，在温度1100℃条件下熔炼，然后再铜模铸造条件下制成母合金100份。
三.含碳化硅/金刚石微粒非晶态合金与钢线涂覆工艺
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将己拉伸好的钢线在收线卷绕轮的牵引下快速经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口，通过的速度为V＝500mm/秒，让钢丝表面均匀涂覆上一层合金液，经过石英炉后快速冷却使钢线表面均匀涂覆上了一层含固体微粒的非晶态合金复合层，从而得到了一种由非晶态合金改性的切割线材。
将实例三、含金刚石微粒的非晶态合金复合层制成线径可控的太阳能硅片线切割用耐磨钢线,取线径110um钢线涂覆成耐磨层厚度5um时，可制得线径为120um而不改变现有切片机工艺的线切钢线.每刀使用量减少50％--65％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：由金属线及包覆在金属线外表面的含固体微粒的非晶态合金涂层组成，金属线直径为90-300um，非晶态合金涂层厚度为2-10um，金属线为钢线；太阳能硅片线切割钢线是通过如下工艺步骤制备的：
1)、非晶态合金制备
将一种以上非晶态合金及固体微粒置于惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为350～550A，铜模铸造条件下制成母合金；
2)、非晶态合金与金属线复合
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将金属线快速经过装有熔融状态非晶态合金的石英炉挤出口，通过的速度为1～1000mm/秒，使金属线外表面均匀地覆上一层合金液，经过石英炉后合金液快速冷却使金属线外表面均匀地覆上了一层非晶态合金复合层，从而得到由非晶态合金改性的切割线材。
2.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：固体微粒与非晶态合金的质量比为21:79-40:60。
3.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：所述的固体微粒为碳化硅和/或金刚石。
4.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：所述的固体微粒的粒径为2-20um。
5.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：所述的固体微粒粒径为2-3um。
6.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征在于：所述的固体微粒的粒径为10-20um。
7.权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征是通过如下工艺步骤制备的：
1)、非晶态合金制备
将高熔点二种以上不同金属基的非晶态合金与一部分固体微粒按比例置于熔融Ti纯化过的惰性气体气氛下的电弧炉中熔炼，并采用电磁搅拌，要求真空度小于2×10-3Pa，熔炼电流为350～550A，熔炼以确保获得成分均匀的中间合金；然后将中间合金与其他金属基的非晶态合金和剩余的固体微粒按比例放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10-2Pa以下，冲入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.3～0.7个大气压，在温度600～1100℃条件下熔炼，然后再铜模铸造条件下制成母合金；
2)、非晶态合金与金属线复合
将制备好的母合金装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金并保温；将金属线在收线卷绕轮的牵引下快速经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口，通过的速度为1～1000mm/秒，让金属线外表面均匀地覆上一层合金液，经过石英炉后合金液快速冷却使金属线外表面均匀地覆上了一层非晶态合金复合层，从而得到由非晶态合金改性的线材。
8.权利要求7所述的连续线材的制备方法，其特征是金属线经过装有熔融状态母合金的石英炉挤出口的速度为500-800mm/秒。
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Owner name: FUNDANT (CHANGZHOU) ADVANCED METAL TECHNOLOGIES CO Free format text: FORMER OWNER: MENGTE GROUP (HONG KONG) LIMITED Effective date: 20111118 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Qian Haipeng Inventor before: Li Zheng |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: HONG KONG, CHINA TO: 213241 CHANGZHOU, JIANGSU PROVINCE Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LI ZHENG TO: QIAN HAIPENG |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20111118 Address after: Pengcheng Development Zone Golden West Road Jintan City, Jiangsu province 213241 Changzhou city of Jiangsu Province, Changzhou City, No. 66 Applicant after: Fundant (Changzhou) new metal materials Co. Address before: China Hongkong 50 Gloucester Road, Malaysia Building, 2 floor of No. 204 Applicant before: Monte group (Hongkong) Limited |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |