CN104070615A - 一种太阳能硅片线切割钢线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能硅片线切割钢线，所述钢线由金属线和包覆在金属线外表面的含固体石墨烯微粒的非晶态合金复合层组成；本发明还包括太阳能硅片线切割钢线的制作方法。本发明为钢线提供了一层复合耐磨层，一方面用于阻隔线切过程中切割砂浆对切割钢线的磨损，大大提高钢线的使用寿命，降低钢线每刀的使用量；另一方面，具有高耐磨性，高强度，高耐腐蚀性，高导热性，超大理论比表面积等优良特性。

Description

一种太阳能硅片线切割钢线及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种新型石墨烯复合结构的太阳能硅片线切割钢线及其制作方法。 

背景技术

中国光伏发电产业近几年发展迅猛，太阳能硅片切割设备近几年投入以几十倍的投入运行，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8万吨，其中需特制钢材来适合线切综合特性。 

在太阳能硅片线切割过程中，整个机理是利用碳化硅颗粒的坚硬特性和锋利菱角将硅棒逐步截断，因此切割中砂浆均匀地包覆在高速运动中的钢线表面,均匀平稳的使碳化硅微粒作用于硅棒表面，同时及时带走切割热和破碎颗粒，保证硅片的表面质量,钢线是切割砂浆的一个载体同时也被高速运动中的碳化硅间接磨损，线径发生变化而影响线切品质。 

随着整个太阳能行业的发展，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、使用量及切割效率和降低切割成本且又不改变现有切割设备和工艺而不停地寻找新途径。 

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，特别是具有超大的理论比表面积2630m2/g。 

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。 

根据石墨烯超薄，强度超大的特性，可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料及耐冲击、耐磨、防腐的复合材料。目前可以将石墨烯微粒与非晶态合金技术引入到线材的加工，在金属线外层进行复合处理，可以得到高强度，高耐磨性的石墨烯非晶态合金复合结构金属丝。而这一应用目前尚属空白。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高耐磨性，高强度，高耐腐蚀性，高导热性，超大理论比表面积的新型石墨烯复合结构的太阳能硅片线切割钢线及其制作方法，用以提高硬脆贵重材料的切割效率，降低成本。 

本发明的技术方案是： 

本发明之一种太阳能硅片线切割钢线，所述钢线由金属线和包覆在金属线外表面的含固体石墨烯微粒的非晶态合金复合层组成。

进一步，所述非晶态合金的重量百分比为2%~75%，固体石墨烯微粒的重量百分比为2%~60%，所述固体石墨烯微粒的粒径为0.2um~3um，所述粒径是指多层片固体石墨烯微粒的直径。 

进一步，所述钢线的直径为80um~300um，所述钢线的耐磨层厚度为0.5um~5um。 

进一步，所述非晶态合金为铜基非晶、锆基非晶、镍基非晶、铁基非晶、镁基非晶、铈基非晶中的一种或几种；所述固体石墨烯微粒为单层片或者多层片，由于石墨烯为片状材料，单层片时为0.33nm厚，长度为3~5um。 

本发明之太阳能硅片线切割钢线的制作方法，包括以下步骤： 

（1）母合金料制备：称取一定量纳米级的固体石墨烯微粒，与至少一种非晶态合金按比例混合后置于真空熔炼炉中熔融加热，使非晶态合金与固体石墨烯微粒混融，在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料；

（2）涂覆处理：在切割钢线拉丝过程中，对含固体石墨烯微粒的非晶态母合金料进行加热涂覆并快速冷却，使非晶态母合金料与钢线表面复合，即可制成太阳能硅片多线切割机用钢线。

进一步，步骤（1）中，所述母合金料制备具体包括以下步骤： 

第一步：将至少一种非晶态合金和固体石墨烯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；熔炼条件为：真空度小于1×10^-3Pa，熔炼电流为560~800A，以确保获得成分均匀的中间合金；

第二步：将中间合金、其他金属基非晶态合金以及固体石墨烯微粒按所需比例放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10^-2Pa以下，充入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.8~1.2个大气压，熔炼温度为1200~2000℃，然后在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料。 

由于固体石墨烯微粒为片状材料，单层片时为0.33nm厚，长度为3~5um，且具有大的比表面积，在熔炼时提高温度有利于均匀分散，更好地与非晶态合金结合。 

进一步，所述熔炼电流为570~600A；所述惰性气体的压力为0.9~1.1个大气压，所述熔炼温度为1250~1500℃。 

进一步，步骤（2）中，所述涂覆处理具体包括以下步骤：将制备好的非晶态母合金料装入高频加热石英炉中，加热熔融非晶态母合金料并保温；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非晶态母合金料的石英炉挤出涂覆模口，通过速度为V=1050~1500mm/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石墨烯微粒的非晶态合金复合层，从而得到含石墨烯的非晶态合金改性的切割线材。 

进一步，所述高频加热石英炉的熔融温度为800~1200℃，保温时间为1~2h。 

进一步，所述钢线经过装有熔融状态非晶态母合金料的石英炉挤出涂覆模口的速度为1100~1150mm/秒。 

本发明与现有技术相比具有如下特点： 

（1）用含固体石墨烯微粒非晶态合金复合结构的太阳能硅片切割钢线来取代常规用标准钢线，可提供一层复合耐磨层，用于阻隔线切过程中切割砂浆对切割钢线的磨损，大大提高了钢线的使用寿命；

（2）用单层片或多层片的固体石墨烯微粒与多种非晶态合金混熔制成的非晶态合金复合层，具有高耐磨性，高强度，高耐腐蚀性，高导热性，超大理论比表面积等优良特性；

（3）含石墨烯微粒的非晶合金复合结构的钢线可用于切割包括宝石、玻璃、硬质合金、陶瓷、稀土磁性材料、石材、石英晶体等硬脆性材料，适用范围广；

（4）将含固体石墨烯微粒的非晶态母合金以高温涂覆模孔并快速冷却方式复合于穿过模孔的钢线表面而制成线径可控的太阳能硅片线切割用耐磨钢线，在所得钢线的线径和耐磨层厚度极小的情况下，可大大降低钢线每刀的使用量，并与标准钢线有良好的互换性。

附图说明

图1为本发明单层片固体石墨烯微粒的结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。 

实施例1 

太阳能硅片线切割钢线的制作方法包括以下步骤：

一. 含石墨烯(单层片)微粒非晶态母合金料成份比(重量份)

镍基非晶                                   25.5份  

镁基非晶                                    5.5份

铜基非晶                                    9.0份

石墨烯(单层片、厚度:0.33nm，参照图1)         40份 

二.耐磨母合金料制作工艺

第一步将高熔点镁基非晶5.5份、铜基非晶9.0份和20份固体石墨烯微粒，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1×10^-3Pa，熔炼电流为560A，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25.5份和20份固体石墨烯微粒放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10^-2Pa以下，充入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.8个大气压，在温度1250~1350℃条件下熔炼，然后在铜模铸造条件下制成母合金料100份。

三.含固体石墨烯微粒的非晶态合金与钢线涂覆工艺 

将制备好的母合金料装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金料，熔融温度为800℃，并保温1h；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料的石英炉挤入涂覆模口，通过的速度为V=1100mm/秒，让钢丝表面均匀涂覆上一层含石墨烯的合金液，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石墨烯的非晶态合金复合层，从而得到了一种由含石墨烯非晶态合金改性的切割线材。

将含固体石墨烯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1.0um时，可制得线径为112um而不改变现有切片机工艺的线切钢线，钢线每刀使用量减少70% ~80%。 

实施例2 

太阳能硅片线切割钢线的制作方法包括以下步骤：

一. 含石墨烯(多层片)的非晶态母合金料成份比(重量份)

镍基非晶                         50.5份  

镁基非晶                         20.5份

铜基非晶                          8.0份

石墨烯(多层片、厚度:1um)           21.0份

二. 含固体石墨烯微粒的非晶态母合金料制作工艺

第一步将高熔点镁基非晶20.5份、铜基非晶8.0份和11份固体石墨烯微粒，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1×10^-3Pa，熔炼电流为650A，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50.5份和10份固体石墨烯微粒放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10^-2Pa以下，充入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为1.1个大气压，在温度1500~2000℃条件下熔炼，然后在铜模铸造条件下制成母合金料100份；

三.含固体石墨烯微粒的非晶态合金与钢线涂覆工艺

将制备好的母合金料装入高频加热石英炉中，加热熔融母合金料，熔融温度为1200℃，并保温2h；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料的石英炉挤入涂覆模口，通过的速度为V=1300mm/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石墨烯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。

将含固体石墨烯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2.5um时，可制得线径为115um而不改变现有切片机工艺的线切钢线，每刀使用量减少80% ~90%。 

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种太阳能硅片线切割钢线，其特征是：所述钢线由金属线和包覆在金属线外表面的含固体石墨烯微粒的非晶态合金复合层组成。

2.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征是：所述非晶态合金的重量百分比为2%~75%，固体石墨烯微粒的重量百分比为2%~60%，所述固体石墨烯微粒的粒径为0.2 um~3um。

3.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征是：所述钢线的直径为80um~300um，所述钢线的耐磨层厚度为0.5um~5um。

4.根据权利要求1所述的太阳能硅片线切割钢线，其特征是：所述非晶态合金为铜基非晶、锆基非晶、镍基非晶、铁基非晶、镁基非晶、铈基非晶中的一种或几种；所述固体石墨烯微粒为单层片或者多层片。

5.根据权利要求1~4任一项所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）母合金料制备：称取一定量纳米级的固体石墨烯微粒，与至少一种非晶态合金按比例混合后置于真空熔炼炉中熔融加热，使非晶态合金与固体石墨烯微粒混融，在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料；

（2）涂覆处理：在切割钢线拉丝过程中，对含固体石墨烯微粒的非晶态母合金料进行加热涂覆并快速冷却，使非晶态母合金料与钢线表面复合，即可制成太阳能硅片多线切割机用钢线。

6.根据权利要求5所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：步骤（1）中，所述母合金料制备具体包括以下步骤：

第一步：将至少一种非晶态合金和固体石墨烯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；熔炼条件为：真空度小于1×10^-3Pa，熔炼电流为560~800A，以确保获得成分均匀的中间合金；

第二步：将中间合金、其他金属基非晶态合金以及固体石墨烯微粒按所需比例放入坩锅内，将坩锅置于真空炉中，将真空度抽至1×10^-2Pa以下，充入惰性气体作为保护气体，惰性气体的压力为0.8~1.2个大气压，熔炼温度为1200~2000℃，然后在铜模铸造条件下制成非晶态母合金料。

7.根据权利要求6所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：所述熔炼电流为570~600A；所述惰性气体的压力为0.9~1.1个大气压，所述熔炼温度为1250~1500℃。

8.根据权利要求5所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：步骤（2）中，所述涂覆处理具体包括以下步骤：将制备好的非晶态母合金料装入高频加热石英炉中，加热熔融非晶态母合金料并保温；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非晶态母合金料的石英炉挤出涂覆模口，通过速度为V=1050~1500mm/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石墨烯微粒的非晶态合金复合层，从而得到含石墨烯的非晶态合金改性的切割线材。

9.根据权利要求8所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：所述高频加热石英炉的熔融温度为800~1200℃，保温时间为1~2h。

10.根据权利要求8或9所述的太阳能硅片线切割钢线的制作方法，其特征是：所述钢线经过装有熔融状态非晶态母合金料的石英炉挤出涂覆模口的速度为1100~1150mm/秒。