CN103286867B - 硅片切割用钢线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅片切割用钢线及其制备方法，涉及硅片切割工具技术领域。包括钢线，钢线外表面镀有一层抗氧化层，所述钢线外表面设有螺旋形凸起。本钢线大大提高了切割硅块时所携带的砂浆量，减少了砂浆的使用量和钢线的磨损状况，延长了钢线的使用寿命，提高了工作台的切割速度，降低了硅片表面锯痕的产生，同时减少了硅片表面厚度偏差问题的发生，提高了硅片切割质量，从而降低了硅片切割成本；其制备方法中定型孔模具的设计使钢线的制作更佳简便。

Description

硅片切割用钢线及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅片切割工具技术领域。

背景技术

随着社会的发展，太阳能光伏产业逐步成为新的主导产业。在太阳能硅片切割过程中，主要是由钢线带动浆料（浆料由碳化硅粉末和悬浮液按照一定比例进行配置而成），在一定张力的作用下，利用碳化硅颗粒的坚硬特性和锋利菱角将硅块切割成尺寸合格的硅片。钢线在参与整个切割过程中作为一个载体，同时也被高速运动的碳化硅颗粒磨损，线径的变化可能会影响硅片表面的切割质量。

砂浆中的碳化硅莫氏硬度为9.5级，而晶体硅的莫氏硬度为7级，切割过程中主要依靠碳化硅对晶体硅进行磨削切割。钢线携带砂浆的多少直接影响硅块切割的效果。目前太阳能行业普遍使用的切割硅片的钢线主要是横截面为圆形或椭圆形的普通钢线。在切割硅块过程中，碳化硅颗粒由于缺少附着力，容易从钢线表面脱落，钢线在硅块入线口会引起浆料的飞溅，进而携带比较少的砂浆参与硅块的切割。这使得钢线在切割硅片过程中容易磨损，引起断线，也大大降低了钢线的切割能力。为了保证切割质量，只能添加更多的浆料，这样会增加切割成本。

中国专利公开号CN 201900684，公开日2011年7月20日，发明创造的名称为一种具有胶水涂层的波浪状切割钢丝，该申请案公开了一种具有胶水涂层的波浪状切割钢丝，所述切割钢丝的横截面为圆形或近似圆形，切割钢丝外表面成波浪形，所述相邻两个波峰之间的距离为0.08mm-0.15mm，所述波谷的深度为0.01mm-0.05mm，所述切割钢丝外表面上涂有胶水层。其有益效果在于：由于切割钢丝外表面为波浪状，则大大提高了钢丝研磨时所携带的砂浆数量，加快了切割速度，提高了切割效率；在切割钢丝的表面增加一层胶水涂层，避免钢丝与硅晶体的直接接触，有效延长了切割钢丝的使用寿命。其不足之处是：波浪形设计使钢丝在缠绕过程中，容易出现相互压线现象，即波峰容易进入波谷中，钢丝一旦出现相互压线现象，在使用过程中容易断线；波峰与硅片表面接触面积较小，容易出现划伤硅片现象；在钢丝表面涂胶水过程中，容易遗漏钢线的角落部分，此外胶水层的厚度不容易把控，胶水层的耐磨性较差，表层容易脱落。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅片切割用钢线，该钢线大大提高了切割硅块时所携带的砂浆量，减少了砂浆的使用量和钢线的磨损状况，提高了工作台的切割速度，降低了硅片表面锯痕的产生，同时减少了硅片表面厚度偏差问题的发生，提高了硅片切割质量，从而降低了硅片切割成本；钢线外表面镀有抗氧化层可以有效防止钢线被氧化，避免钢线直接与硅片接触，延长了钢线的使用寿命。其制备方法中定型孔模具的设计使钢线的制作更佳简便。

本发明所采取的技术方案是：一种硅片切割用钢线，包括钢线，钢线外表面镀有一层抗氧化层，所述钢线外表面设有螺旋形凸起。

钢线的直径D为0.1mm-0.15mm。

螺旋形凸起可以是矩形螺纹、梯形螺纹，等等。

优选的，螺旋形凸起为矩形螺纹，在钢线轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.10mm-0.20mm，螺纹槽根间距为0.05mm-0.08mm，螺纹深度为0.05mm-0.08mm。

优选的，螺旋形凸起上设有小凹槽，小凹槽沿螺旋形凸起方向缠绕。

优选的，小凹槽为三条。

优选的，小凹槽断面为矩形；小凹槽的宽度为0.01mm-0.02mm，深度为0.015mm-0.02mm，相邻小凹槽间的小凸起的宽度为0.03mm-0.04mm。

优选的，抗氧化层为黄铜合金层，钢线的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

硅片切割用钢线的制备方法，包括下列步骤：1）对盘条表面进行机械除锈处理；2）将上述机械除锈处理后的盘条进行化学表面铁锈处理，再水洗、烘干；3）加热，拉丝，制成半成品钢线；4）热处理消除应力；5）加热，通过定型孔模具，拉丝机进行旋转拉丝，制成切割用钢线；6）对切割用钢线外表面电镀抗氧化层，水洗。

步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%；步骤6）中抗氧化层为黄铜合金层；步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线直径相等的圆环，圆环的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起的缺口，优选的，缺口的外表面处还设有能形成小凹槽的内凸起；步骤3）是将经过表面处理的盘条在900℃-960℃加热，拉丝机以6-8m/s的拉丝速度，拉制成直径为0.8mm-1.2mm的半成品钢线；步骤4）是将半成品钢线放在300℃-400℃恒温箱中，进行5-10分钟热处理消除应力；步骤5）是将消除应力的半成品钢线在900℃-960℃加热，拉丝机以8-12m/s的线速度和40-60rad/s 的角速度进行转动，通过定型孔模具，拉制成直径为0.1mm-0.15mm的切割用钢线。

步骤2）中化学表面铁锈处理，是将经机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄浓度为(200±20)g/L，Fe²⁺浓度为25-50g/L的电解液中， 20℃-45℃下，通入24-36V直流电源，15-30分钟，至盘条表面铁锈处理完毕。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该钢线大大提高了切割硅块时所携带的砂浆量，减少了砂浆的使用量和钢线的磨损状况，提高了工作台的切割速度，降低了硅片表面锯痕的产生，同时减少了硅片表面厚度偏差问题的发生，提高了硅片切割质量，从而降低了硅片切割成本；钢线外表面镀有抗氧化层可以有效防止钢线被氧化，避免钢线直接与硅片接触，延长了钢线的使用寿命；钢线在缠绕过程中不会出现压线现象；小凹槽的设计便于钢线在切割硅块过程中盛放一些磨削下来的硅粉，避免因硅粉混入浆料中而影响碳化硅的切割能力；定型孔模具的设计使本钢线的制作方法更佳简便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明钢线实施例2的结构示意图。

图2是图1的剖视示意图。

图3是制备图1所用定型孔模具的结构示意图。

图中：1、钢线；2、螺旋形凸起；3、小凹槽；4、抗氧化层；5、小凸起；6、圆环；7、内凸起；8、缺口；D、直径。

具体实施方式

实施例1

一种硅片切割用钢线，包括钢线1，钢线1外表面镀有一层抗氧化层4，所述钢线1外表面设有螺旋形凸起2。钢线1的直径D为0.10mm，螺旋形凸起2为矩形螺纹，在轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.10mm，螺纹槽根间距为0.08mm，螺纹深度为0.06mm。钢线1的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。电镀一层抗氧化层4，使钢线表面附着一层比较致密的结构，对钢线起到保护作用，防止钢线被氧化，有效避免钢线主体直接与硅片接触。抗氧化层4优选黄铜合金层，防止钢线被磨损。钢线1外表面螺旋形凸起2的设计使钢线1与螺旋形凸起2的中间部分可以携带一些碳化硅颗粒，使钢线在硅块入线口减少浆料的飞溅，进而携带比较多的砂浆参与硅块的切割，减少了砂浆的使用量和钢线的磨损状况，提高了工作台的切割速度，降低了硅片表面锯痕的产生，同时减少了硅片表面厚度偏差问题的发生，提高了硅片切割质量，从而降低了硅片切割成本。矩形螺纹的宽度大于螺纹间距的设计使钢线在缠绕过程中不会出现压线现象；矩形螺纹与硅片表面的接触面积较大不容易出现划伤硅片现象。

其制备方法包括下列步骤：                              

1）机械除锈：使用砂布或砂纸对盘条表面进行机械除锈处理，直到盘条的表面没有锈迹。

2) 化学表面铁锈处理、水洗、烘干：将上述机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄的浓度为180g/L，Fe²⁺的浓度50g/L的电解液中，温度保持在20℃-30℃的范围下，通入28V直流电源，15-30分钟，直至将表面的铁锈处理完毕。再使用清水进行清洗、烘干。

3）粗拉：经过表面处理的盘条，在900℃加热，通过拉丝机以7m/s的拉丝速度，将盘条拉制成直径为1.2mm的半成品钢线，并缠绕在工字轮上。

4）热处理消除应力：经上述缠绕好的半成品钢线放在温度为330℃的恒温箱进行8分钟的钢线热处理消除应力过程。

5）定型拉：将消除应力的半成品钢线经过960℃温度的加热，拉丝机以12m/s的线速度和40rad/s 的角速度进行转动，使得经过加热的半成品钢线通过定型孔模具，拉制成直径为0.1mm的切割用钢线，并缠绕在工字轮上。

6）电镀抗氧化层、水洗：切割用钢线在焦磷酸铜镀液中（碱性）均匀预镀一层有一定厚度的致密纯铜，经洗净残留镀液后，再进入硫酸锌镀液中镀上所需要的锌层，以保证成品钢丝所需的铜、锌比。然后通过扩散使铜、锌原子相互扩散形成黄铜合金层，再经磷酸浸除钢丝表面氧化锌，后经水洗后收线于工子轮上。

步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线1直径相等的圆环6，圆环6的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起2的缺口8。

实施例2

一种硅片切割用钢线，包括钢线1，钢线1外表面镀有一层抗氧化层4，所述钢线1外表面设有螺旋形凸起2。钢线1的直径D为0.15mm，螺旋形凸起2为矩形螺纹，在轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.20mm，螺纹槽根间距为0.07mm，螺纹深度为0.08mm。

螺旋形凸起2上设有小凹槽3，小凹槽3沿螺旋形凸起2方向缠绕。小凹槽3为三条且断面为矩形；小凹槽3的宽度为0.02mm，深度为0.017mm，相邻小凹槽3间的小凸起5的宽度为0.035mm。小凹槽3的设计便于钢线在切割硅块过程中盛放一些磨削下来的硅粉，避免因硅粉混入浆料中而影响碳化硅的切割能力。

抗氧化层4为黄铜合金层，钢线1的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

其制备方法包括下列步骤：

1) 机械除锈：同实施例1。

2) 化学表面铁锈处理、水洗、烘干：将上述机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄的浓度为220g/L，Fe²⁺的浓度35g/L的电解液中，温度保持在35℃-45℃的范围下，通入24V直流电源，15-30分钟，直至将表面的铁锈处理完毕。再使用清水进行清洗、烘干。

3）粗拉：经过表面处理的盘条，在960℃加热，通过拉丝机以6m/s的拉丝速度，将盘条拉制成直径为0.8mm的半成品钢线，并缠绕在工字轮上。

4）热处理消除应力：经上述缠绕好的半成品钢线放在温度为300℃的恒温箱进行10分钟的钢线热处理消除应力过程。

5）定型拉：将消除应力的半成品钢线经过930℃温度的加热，拉丝机以11m/s的线速度和50rad/s 的角速度进行转动，使得经过加热的半成品钢线通过定型孔模具，拉制成直径为0.15mm的切割用钢线，并缠绕在工字轮上。

6）电镀抗氧化层、水洗：同实施例1。

步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线1直径相等的圆环6，圆环6的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起2的缺口8，缺口8的外表面处还设有能形成小凹槽3的内凸起7。

实施例3

一种硅片切割用钢线，包括钢线1，钢线1外表面镀有一层抗氧化层4，所述钢线1外表面设有螺旋形凸起2。钢线1的直径D为0.12mm，螺旋形凸起2为矩形螺纹，在轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.159mm，螺纹槽根间距为0.06mm，螺纹深度为0.05mm。

螺旋形凸起2上设有小凹槽3，小凹槽3沿螺旋形凸起2方向缠绕。小凹槽3为三条且断面为矩形；小凹槽3的宽度为0.013mm，深度为0.015mm，相邻小凹槽3间的小凸起5的宽度为0.03mm。

抗氧化层4为黄铜合金层，钢线1的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

其制备方法包括下列步骤：

1) 机械除锈：同实施例1。

2) 化学表面铁锈处理、水洗、烘干：将上述机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄的浓度为195g/L，Fe²⁺的浓度25g/L的电解液中，温度保持在25℃-35℃的范围下，通入36V直流电源，15-30分钟，直至将表面的铁锈处理完毕。再使用清水进行清洗、烘干。

3）粗拉：经过表面处理的盘条，在920℃加热，通过拉丝机以8m/s的拉丝速度，将盘条拉制成直径为1mm的半成品钢线，并缠绕在工字轮上。

4）热处理消除应力：经上述缠绕好的半成品钢线放在温度为400℃的恒温箱进行5分钟的钢线热处理消除应力过程。

5）定型拉：将消除应力的半成品钢线经过900℃温度的加热，拉丝机以10m/s的线速度和55rad/s 的角速度进行转动，使得经过加热的半成品钢线通过定型孔模具，拉制成直径为0.12mm的切割用钢线，并缠绕在工字轮上。

6）电镀抗氧化层、水洗：同实施例1。

步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线1直径相等的圆环6，圆环6的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起2的缺口8，缺口8的外表面处还设有能形成小凹槽3的内凸起7。

实施例4

一种硅片切割用钢线，包括钢线1，钢线1外表面镀有一层抗氧化层4，所述钢线1外表面设有螺旋形凸起2。钢线1的直径D为0.13mm，螺旋形凸起2为矩形螺纹，在轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.19mm，螺纹槽根间距为0.05mm，螺纹深度为0.07mm。

螺旋形凸起2上设有小凹槽3，小凹槽3沿螺旋形凸起2方向缠绕。小凹槽3为三条且断面为矩形；小凹槽3的宽度为0.01mm，深度为0.02mm，相邻小凹槽3间的小凸起5的宽度为0.04mm。

抗氧化层4为黄铜合金层，钢线1的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

其制备方法包括下列步骤：

1) 机械除锈：同实施例1。

2) 化学表面铁锈处理、水洗、烘干：将上述机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄的浓度为210g/L，Fe²⁺的浓度45g/L的电解液中，温度保持在30℃-40℃的范围下，通入32V直流电源，15-30分钟，直至将表面的铁锈处理完毕。再使用清水进行清洗、烘干。

3）粗拉：经过表面处理的盘条，在940℃加热，通过拉丝机以7.5m/s的拉丝速度，将盘条拉制成直径为1.1mm的半成品钢线，并缠绕在工字轮上。

4）热处理消除应力：经上述缠绕好的半成品钢线放在温度为360℃的恒温箱进行7分钟的钢线热处理消除应力过程。

5）定型拉：将消除应力的半成品钢线经过920℃温度的加热，拉丝机以8m/s的线速度和60rad/s 的角速度进行转动，使得经过加热的半成品钢线通过定型孔模具，拉制成直径为0.13mm的切割用钢线，并缠绕在工字轮上。

6）电镀抗氧化层、水洗：同实施例1。

步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线1直径相等的圆环6，圆环6的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起2的缺口8，缺口8的外表面处还设有能形成小凹槽3的内凸起7。

切割时，将该钢线通过导轮的引导，形成线网，待加工的硅块通过线锯机床的下降实现硅块的进给，钢线表面携带的砂浆随着钢线高速运动，进而对硅块进行研磨切割。

Claims (9)

1.一种硅片切割用钢线，包括钢线（1），钢线（1）外表面镀有一层抗氧化层（4），其特征在于：所述钢线（1）外表面设有螺旋形凸起（2）；钢线（1）的直径D为0.1mm-0.15mm，所述螺旋形凸起（2）为矩形螺纹，在钢线轴断面上，矩形螺纹的宽度为0.10mm-0.20mm，螺纹槽根间距为0.05mm-0.08mm，螺纹深度为0.05mm-0.08mm。

2.根据权利要求1所述的硅片切割用钢线，其特征在于所述螺旋形凸起（2）上设有小凹槽（3），小凹槽（3）沿螺旋形凸起（2）方向缠绕。

3.根据权利要求2所述的硅片切割用钢线，其特征在于所述小凹槽（3）为三条。

4.根据权利要求3所述的硅片切割用钢线，其特征在于所述小凹槽（3）断面为矩形；所述小凹槽（3）的宽度为0.01mm-0.02mm，深度为0.015mm-0.02mm，相邻小凹槽（3）间的小凸起（5）的宽度为0.03mm-0.04mm。

5.根据权利要求1所述的硅片切割用钢线，其特征在于所述抗氧化层（4）为黄铜合金层，钢线（1）的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%。

6.如权利要求1 所述的硅片切割用钢线的制备方法，其特征在于包括下列步骤：1）对盘条表面进行机械除锈处理；2）将上述机械除锈处理后的盘条进行化学表面铁锈处理，再水洗、烘干；3）加热，拉丝，制成半成品钢线；4）热处理消除应力；5）加热，通过定型孔模具，拉丝机进行旋转拉丝，制成切割用钢线；6）对切割用钢线外表面电镀抗氧化层，水洗。

7.根据权利要求6所述的硅片切割用钢线的制备方法，其特征在于所述步骤1）中盘条的材质为高碳钢，碳含量为0.75%-0.9%，硫、磷含量小于0.02%；所述步骤6）中抗氧化层（4）为黄铜合金层；所述步骤5）中定型孔模具为内孔直径与钢线（1）直径相等的圆环（6），圆环（6）的内孔面轴向设有能形成螺旋形凸起（2）的缺口（8）；所述步骤3）是将经过表面处理的盘条在900℃-960℃加热，拉丝机以6-8m/s的拉丝速度，拉制成直径为0.8mm-1.2mm的半成品钢线；所述步骤4）是将半成品钢线放在300℃-400℃恒温箱中，进行5-10分钟热处理消除应力；所述步骤5）是将消除应力的半成品钢线在900℃-960℃加热，拉丝机以8-12m/s的线速度和40-60rad/s 的角速度进行转动，通过定型孔模具，拉制成直径为0.1mm-0.15mm的切割用钢线。

8.根据权利要求7所述的硅片切割用钢线的制备方法，其特征在于所述步骤2）中化学表面铁锈处理，是将经机械除锈处理后的盘条置于H₂SO₄浓度为(200±20)g/L,Fe²⁺浓度为25-50g/L的电解液中， 20℃-45℃下，通入24-36V直流电源，15-30分钟，至盘条表面铁锈处理完毕。

9.根据权利要求7所述的硅片切割用钢线的制备方法，其特征在于所述的缺口(8)的外表面处还设有能形成小凹槽（3）的内凸起（7）。