專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太陽(yáng)能硅片線切割鋼線及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能硅片線切割鋼線及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，硅片是制造光伏電池的基板，線鋸首先將硅錠切成方塊，然后切成很薄的硅片。硅片是晶體硅光伏電池技術(shù)中最昂貴的部分，所以降低這部分的制造成本對(duì)于提高太陽(yáng)能對(duì)傳統(tǒng)能源的競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。線鋸是在研磨漿料的配合下用于完成切割動(dòng)作的超細(xì)高強(qiáng)度切割線，最多可達(dá) 1000條切割線相互平行地纏繞在導(dǎo)線輪上形成一個(gè)水平的切割線“網(wǎng)”。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線輪使整個(gè)切割線網(wǎng)以每秒5-25米的速度移動(dòng)。切割線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，噴嘴會(huì)持續(xù)向切割線噴射含有懸浮碳化硅顆粒的研磨漿。碳化硅顆粒均勻地包覆在高速運(yùn)動(dòng)中的切割線表面，利用自身的堅(jiān)硬特性、鋒利菱角與切割線共同作用將硅棒逐步截?cái)唷５茄心{中的碳化硅顆粒易于磨損高速運(yùn)動(dòng)中的切割線，改變切割線線徑，從而影響切割品質(zhì)。如果改用金剛線來(lái)切片需對(duì)當(dāng)前線切割機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造、同時(shí)固定在鋼線表面的金剛石粒徑離散性大造成硅片表面有不規(guī)則的線痕影響了大面積使用。隨著整個(gè)太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展，太陽(yáng)能硅片切割設(shè)備投入近幾年以幾十倍的增長(zhǎng)運(yùn)行，其中切割用鋼線隨切片機(jī)臺(tái)的擴(kuò)產(chǎn)而大量消耗、年消耗鋼線材約5萬(wàn)噸。在太陽(yáng)能硅片線切割中大量使用線切鋼線，不利于環(huán)境控制和造成企業(yè)成本的增加，為了適應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)需求及價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展需要，整個(gè)行業(yè)都在為如何提高鋼線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變現(xiàn)有切割設(shè)備和工藝、不停地尋找新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有太陽(yáng)能硅片線切割鋼線強(qiáng)度低、耐磨性差，容易磨損的技術(shù)問(wèn)題。為此本發(fā)明提供了一種含固體微粒非晶態(tài)合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能硅片切割鋼線，滿足線鋸用線材對(duì)強(qiáng)度、耐磨性的特殊要求，提高硅片的切割效率，降低成本。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，由金屬線及包覆在金屬線外表面的含固體微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。非晶態(tài)合金又稱(chēng)為金屬玻璃，具有長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時(shí)其原子的三維空間呈拓?fù)錈o(wú)序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)這種狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，非晶合金具備很多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨和耐腐蝕等。與普通線材相比，本發(fā)明的線材制作的線鋸強(qiáng)度、耐磨性明顯提高。固體微粒在非晶態(tài)合金高溫熔融狀態(tài)下呈現(xiàn)固體狀態(tài)，硬度很高，能進(jìn)一步提高非晶態(tài)合金涂層的耐磨性；并且均勻分布的固體微粒能起到與研磨漿料中碳化硅顆粒相同的作用，即在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將硅棒逐步截?cái)?，從而減少研磨漿料的使用，節(jié)約成本的同時(shí)減少漿料對(duì)切割線的磨損。作為優(yōu)選，固體微粒與非晶態(tài)合金的質(zhì)量比為21 79-40 60
4
作為優(yōu)選，金屬線直徑為90-300um，非晶態(tài)合金涂層厚度為2_10um。作為優(yōu)選，固體微粒為碳化硅和/或金剛石。作為優(yōu)選，固體微粒的粒徑為2 20um。減少固體微粒的粒徑有助于固體微粒在非晶體合金中的均勻分布，從而減少粒徑離散性大造成硅片表面有不規(guī)則的線痕。但粒徑太小時(shí)固體微粒對(duì)硅棒的切割作用就減弱。作為優(yōu)選，固體微粒粒徑為2 3um。含該粒徑范圍的固體微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能硅片切割鋼線已經(jīng)能夠增強(qiáng)非晶態(tài)合金涂層的強(qiáng)度和耐磨性，但對(duì)硅片的切割作用不明顯，需要配合研磨漿料使用。作為優(yōu)選，固體微粒的粒徑為10 20um。該粒徑范圍的固體微粒相當(dāng)于在非晶態(tài)合金涂層上形成了一個(gè)切割層，使得鋼線同時(shí)具備了高強(qiáng)度、耐磨性好，對(duì)硅片的切割作用明顯，可以不使用研磨漿料。由于線鋸用線材直徑超細(xì)，本發(fā)明提供的太陽(yáng)能切割鋼線金屬線直徑為 90-300um，而熔融的非晶態(tài)合金溫度一般在600 1000°C，超細(xì)鋼線與其接觸時(shí)很容易因?yàn)楦邷卦斐尚阅茏兓?，因而在本發(fā)明申請(qǐng)前將非晶態(tài)合金應(yīng)用到線鋸用超細(xì)線材上難度很大。本發(fā)明通過(guò)特殊的加工工藝可以獲得該特殊的非晶金屬絲，具體加工方法為1)、非晶態(tài)合金制備將一種或一種以上非晶態(tài)合金及固體微粒置于惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉， 要求真空度小于2X 10_3Pa，熔煉電流為350 550A，銅模鑄造條件下制成母合金；2)、非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將金屬線快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為1 IOOOmm/秒，使金屬線外表面均勻地覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后合金液快速冷卻使金屬線外表面均勻地覆上了一層非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到由非晶態(tài)合金改性的切割線材。由于在2)、非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合過(guò)程中，嚴(yán)格控制了金屬線通過(guò)裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)合金的石英爐擠出口的速度，使高溫熔融非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合過(guò)程中，金屬線自身溫度得到有效控制，不影響金屬線的機(jī)械性能。為適應(yīng)不同的切割材質(zhì)的需要，進(jìn)一步提高切割線材的強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性能與使用壽命，所述的非晶合金有三種以上，其制備工藝步驟如下1)、非晶態(tài)合金制備將高熔點(diǎn)二種或二種以上不同金屬基非晶態(tài)合金與一部分固體微粒按比例置于熔融Ti純化過(guò)的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，并采用電磁攪拌，要求真空度小于 2X 10_3Pa，熔煉電流為350 550A，熔煉以確保獲得成分均勻的中間合金；第二步將中間合金與其他金屬基非晶態(tài)合金和剩余的固體微粒按比例放入坩鍋內(nèi)，將坩鍋置于真空爐中， 將真空度抽至IXlO-2Pa以下，沖入惰性氣體作為保護(hù)氣體，惰性氣體的壓力為0. 3 0. 7 個(gè)大氣壓，在溫度600 110(TC條件下熔煉，然后再銅模鑄造條件下制成母合金；2)、非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將金屬線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為1 IOOOmm/秒，讓金屬線外表面均勻地覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后合金液快速冷卻使金屬
5線外表面均勻地覆上了一層非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到由非晶態(tài)合金改性的線材。由于在1)中分兩步熔煉非晶態(tài)合金，保證了合金組分均勻，從而保證在金屬層表面非晶態(tài)合金層成分的均勻，保證切割表面質(zhì)量。作為優(yōu)選，金屬線經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口的速度為500-800mm/秒。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線每刀使用量減少30% 以上，使用10 20um固體微粒時(shí)，每刀使用量更能減少到90%以上，且可以不用漿料。表明鋼線的強(qiáng)度和耐磨性得到很大改善，大大提高了鋼線的使用壽命，提高了硅片的切割效率，降低成本。


圖1 本發(fā)明實(shí)施例1、3的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中1表示金屬層，2表示非晶態(tài)合金涂層，3表示固體微粒圖2 本發(fā)明實(shí)施例2的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中1表示金屬層，2表示非晶態(tài)合金涂層，3表示固體微粒
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示的本發(fā)明的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，線材直徑為0.09mm，其由金屬線及包覆在金屬線外表面的含碳化硅微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。其非晶態(tài)合金涂層的厚度為2微米，金屬線為鋼線的預(yù)變型線材。前述太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的制備方法— .含碳化硅微粒非晶態(tài)母合金料成份比(重量份)
鎳基非晶態(tài)合金45.5份
鎂基非晶態(tài)合金5.5份
銅基非晶態(tài)合金9.0份
碳化硅微粒(粒徑D50 2um~3um)40份二.耐磨母合金料制作工藝將高熔點(diǎn)鎂基非晶態(tài)合金5. 5份、銅基非晶態(tài)合金9. 0份和20份碳化硅微粒，置于熔融Ti純化過(guò)的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，并采用電磁攪拌，要求真空度小于 2X10_3pa，熔煉電流為550A，熔煉以確保獲得成分均勻的中間合金；第二步將中間合金與鎳基非晶態(tài)合金45. 5份和20份碳化硅微粒放入坩鍋內(nèi)，將坩鍋置于真空爐中，將真空度抽至IXlO-2Pa以下，沖入惰性氣體作為保護(hù)氣體，惰性氣體的壓力為0. 7個(gè)大氣壓，在溫度 600°C條件下熔煉，然后再銅模鑄造條件下制成母合金100份。三.含碳化硅微粒非晶態(tài)合金與鋼線涂覆工藝將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將已拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為V = 800mm/秒，讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含固體微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到了一種由非晶態(tài)合金改性的切割線材。將實(shí)例一、含碳化硅微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層制成線徑可控的太陽(yáng)能硅片線切割用耐磨鋼線在不改變現(xiàn)有MB271切片機(jī)工藝下，鋼線每刀使用量減少30% -50%。實(shí)施例2如圖2所示的本發(fā)明的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，鋼線直徑為0. 3mm，其由金屬線及包覆在金屬線外表面的含金剛石微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。其非晶態(tài)合金涂層的厚度為 10微米，金屬線為鋼線的預(yù)變型線材。前述太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的制備方法一 .含金剛石微粒非晶態(tài)母合金料成份比(重量份)鎳基非晶態(tài)合金65份鎂基非晶態(tài)合金14份金剛石微粒(粒徑D5010um 20um) 21. 0份二.含金剛石微粒非晶態(tài)母合金料制作工藝將鎳基非晶態(tài)合金65份、鎂基非晶態(tài)合金14份和21份金剛石微粒，置于熔融Ti 純化過(guò)的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，并采用電磁攪拌，要求真空度小于2 X 10-3pa,熔煉電流為350A，在溫度1100°C條件下熔煉，然后再銅模鑄造條件下制成母合金100份。三.含金剛石微粒非晶態(tài)合金與鋼線涂覆工藝將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將已拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為V = 200mm/秒，讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含固體微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到了一種由非晶態(tài)合金改性的切割線材。將實(shí)例二、含金剛石微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層制成線徑可控的太陽(yáng)能硅片線切割用耐磨鋼線，由于非晶態(tài)合金中的金鋼石微粒粒徑為IOum 20um，粒徑較粗，因此，在太陽(yáng)能硅片切割鋼線外表面有堅(jiān)硬的金鋼石顆粒狀凸起，因此采用該切割鋼線切割太陽(yáng)能硅片時(shí)可不用漿料，而僅采用水冷卻即可，且每刀使用量減少90% -95%。實(shí)施例3如圖1所示的本發(fā)明的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，線材直徑為0. 12mm，其由金屬線及包覆在金屬線外表面的含碳化硅和金剛石微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。其非晶態(tài)合金涂層的厚度為5微米，金屬線為鋼線的預(yù)變型線材。前述太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的制備方法一 .含碳化硅/金剛石微粒非晶態(tài)母合金料成份比(重量份)
7鎳基非晶態(tài)合金
50.5 份
鎂基非晶態(tài)合金銅基非晶態(tài)合金
金剛石微粒(粒徑D50 2um~3um) 碳化硅微粒(粒徑D50 2um~3um)
5.0份
16.0 份
8.0份
20.5 份二.含金剛石微粒非晶態(tài)母合金料制作工藝將高熔點(diǎn)鎂基非晶態(tài)合金20. 5份、銅基非晶態(tài)合金8. 0份和5份金剛石微粒，置于熔融Ti純化過(guò)的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，并采用電磁攪拌，要求真空度小于 2X10_3pa，熔煉電流為450A，熔煉以確保獲得成分均勻的中間合金；第二步將中間合金與鎳基非晶態(tài)合金50. 5份和16份碳化硅微粒放入坩鍋內(nèi)，將坩鍋置于真空爐中，將真空度抽至IXlO-2Pa以下，沖入惰性氣體作為保護(hù)氣體，惰性氣體的壓力為0. 3個(gè)大氣壓，在溫度 1100°C條件下熔煉，然后再銅模鑄造條件下制成母合金100份。三.含碳化硅/金剛石微粒非晶態(tài)合金與鋼線涂覆工藝將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將已拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為V = 500mm/秒，讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含固體微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到了一種由非晶態(tài)合金改性的切割線材。將實(shí)例三、含金剛石微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層制成線徑可控的太陽(yáng)能硅片線切割用耐磨鋼線，取線徑IlOum鋼線涂覆成耐磨層厚度5um時(shí)，可制得線徑為120um而不改變現(xiàn)有切片機(jī)工藝的線切鋼線.每刀使用量減少50% -65%。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于由金屬線及包覆在金屬線外表面的含固體微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。
2.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于固體微粒與非晶態(tài)合金的質(zhì)量比為21 79-40 60
3.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于金屬線直徑為90-300um，非晶態(tài)合金涂層厚度為2-10um。
4.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于所述的固體微粒為碳化硅和/或金剛石。
5.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于所述的固體微粒的粒徑為 2-20umo
6.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于所述的固體微粒粒徑為 2-3um。
7.權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線，其特征在于所述的固體微粒的粒徑為 10-20um。
8.權(quán)利要求1到7任一項(xiàng)所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的制備方法，其特征是具有如下工藝步驟1)、非晶態(tài)合金制備將一種或一種以上非晶態(tài)合金及固體微粒置于惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，要求真空度小于2X 10_3Pa，熔煉電流為350 550A，銅模鑄造條件下制成母合金；2)、非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將金屬線快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為1 IOOOmm/秒，使金屬線外表面均勻地覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后合金液快速冷卻使金屬線外表面均勻地覆上了一層非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到由非晶態(tài)合金改性的切割線材。
9.權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能硅片線切割鋼線的制備方法，其特征是具有如下工藝步驟1)、非晶態(tài)合金制備將高熔點(diǎn)二種或二種以上不同金屬基的非晶態(tài)合金與一部分固體微粒按比例置于熔融Ti純化過(guò)的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉，并采用電磁攪拌，要求真空度小于 2X 10_3Pa，熔煉電流為350 550A，熔煉以確保獲得成分均勻的中間合金；然后將中間合金與其他金屬基的非晶態(tài)合金和剩余的固體微粒按比例放入坩鍋內(nèi)，將坩鍋置于真空爐中， 將真空度抽至IXlO-2Pa以下，沖入惰性氣體作為保護(hù)氣體，惰性氣體的壓力為0. 3 0. 7 個(gè)大氣壓，在溫度600 110(TC條件下熔煉，然后再銅模鑄造條件下制成母合金；2)、非晶態(tài)合金與金屬線復(fù)合將制備好的母合金裝入高頻加熱石英爐中，加熱熔融母合金并保溫；將金屬線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口，通過(guò)的速度為1 IOOOmm/秒，讓金屬線外表面均勻地覆上一層合金液，經(jīng)過(guò)石英爐后合金液快速冷卻使金屬線外表面均勻地覆上了一層非晶態(tài)合金復(fù)合層，從而得到由非晶態(tài)合金改性的線材。
10.權(quán)利要求9所述的連續(xù)線材的制備方法，其特征是金屬線經(jīng)過(guò)裝有熔融狀態(tài)母合金的石英爐擠出口的速度為500-800mm/秒。
全文摘要
一種太陽(yáng)能硅片線切割鋼線及其制作方法。該鋼線由金屬線及包覆在金屬線外表面的含固體微粒的非晶態(tài)合金涂層組成。本發(fā)明提供的鋼線能滿足線鋸用線材對(duì)強(qiáng)度、耐磨性的特殊要求，提高太陽(yáng)能硅片的切割效率，降低成本。
文檔編號(hào)B28D5/04GK102225596SQ20111014969
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
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