一種太陽能硅片線切割鋼線及其制作方法
【專利摘要】一種太陽能硅片線切割鋼線,所述鋼線由金屬線和包覆在金屬線外表面的含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層組成;本發(fā)明還包括太陽能硅片線切割鋼線的制作方法。本發(fā)明為鋼線提供了一層復(fù)合耐磨層,一方面用于阻隔線切過程中切割砂漿對切割鋼線的磨損,大大提高鋼線的使用壽命,降低鋼線每刀的使用量;另一方面,具有高耐磨性,高強度,高耐腐蝕性,高導(dǎo)熱性,超大理論比表面積等優(yōu)良特性。
【專利說明】一種太陽能硅片線切割鋼線及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽能硅片線切割鋼線及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)近幾年發(fā)展迅猛,太陽能硅片切割設(shè)備近幾年投入以幾十倍的投入運行,其中切割用鋼線隨切片機臺的擴產(chǎn)而大量消耗,年消耗鋼線材約8萬噸,其中需特制鋼材來適合線切綜合特性。
[0003]在太陽能硅片線切割過程中,整個機理是利用碳化硅顆粒的堅硬特性和鋒利菱角將硅棒逐步截斷,因此切割中砂漿均勻地包覆在高速運動中的鋼線表面,均勻平穩(wěn)的使碳化硅微粒作用于硅棒表面,同時及時帶走切割熱和破碎顆粒,保證硅片的表面質(zhì)量,鋼線是切割砂漿的一個載體同時也被高速運動中的碳化硅間接磨損,線徑發(fā)生變化而影響線切品質(zhì)。
[0004]隨著整個太陽能行業(yè)的發(fā)展,在太陽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)未來市場需求及價格的競爭發(fā)展需要,整個行業(yè)都在為如何提高鋼線表面耐磨性、使用量及切割效率和降低切割成本且又不改變現(xiàn)有切割設(shè)備和工藝而不停地尋找新途徑。
[0005]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料,是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料。它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m.K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V.s,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只約10-6 Ω.cm,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料,特別是具有超大的理論比表面積2630m2/g。
[0006]非晶態(tài)合金又稱為金屬玻璃,具有長程無序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時其原子的三維空間呈拓撲無序排列,并在一定溫度范圍內(nèi),這種狀態(tài)保持相對穩(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,如高強度、高硬度、耐磨和耐腐蝕等。
[0007]根據(jù)石墨烯超薄,強度超大的特性,可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,比如超輕防彈衣,超薄超輕型飛機材料及耐沖擊、耐磨、防腐的復(fù)合材料。目前可以將石墨烯微粒與非晶態(tài)合金技術(shù)引入到線材的加工,在金屬線外層進行復(fù)合處理,可以得到高強度,高耐磨性的石墨烯非晶態(tài)合金復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬絲。而這一應(yīng)用目前尚屬空白。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種高耐磨性,高強度,高耐腐蝕性,高導(dǎo)熱性,超大理論比表面積的新型石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽能硅片線切割鋼線及其制作方法,用以提高硬脆貴重材料的切割效率,降低成本。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
本發(fā)明之一種太陽能硅片線切割鋼線,所述鋼線由金屬線和包覆在金屬線外表面的含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層組成。
[0010]進一步,所述非晶態(tài)合金的重量百分比為2%~75%,固體石墨烯微粒的重量百分比為2%飛0%,所述固體石墨烯微粒的粒徑為0.2unT3um,所述粒徑是指多層片固體石墨烯微粒的直徑。
[0011]進一步,所述鋼線的直徑為80um~300um,所述鋼線的耐磨層厚度為0.5um~5um。
[0012]進一步,所述非晶態(tài)合金為銅基非晶、鋯基非晶、鎳基非晶、鐵基非晶、鎂基非晶、鈰基非晶中的一種或幾種;所述固體石墨烯微粒為單層片或者多層片,由于石墨烯為片狀材料,單層片時為0.33nm厚,長度為3~5um。
[0013]本發(fā)明之太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,包括以下步驟:
(1)母合金料制備:稱取一定量納米級的固體石墨烯微粒,與至少一種非晶態(tài)合金按比例混合后置于真空熔煉爐中熔融加熱,使非晶態(tài)合金與固體石墨烯微?;烊?,在銅模鑄造條件下制成非晶態(tài)母合金料;
(2)涂覆處理:在切割鋼線拉絲過程中,對含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)母合金料進行加熱涂覆并快速冷卻,使非晶態(tài)母合金料與鋼線表面復(fù)合,即可制成太陽能硅片多線切割機用鋼線。
[0014]進一步,步驟(1)中,所述母合金料制備具體包括以下步驟:
第一步:將至少一種非晶態(tài)合金和固體石墨烯微粒按比例置于熔融Ti純化過的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉,并采用電磁攪拌;熔煉條件為:真空度小于IXlO-3Pa,熔煉電流為560-800Α,以確保獲得成分均勻的中間合金;
第二步:將中間合金、其他金屬基非晶態(tài)合金以及固體石墨烯微粒按所需比例放入坩鍋內(nèi),將坩鍋置于真空爐中,將真空度抽至IXlO-2Pa以下,充入惰性氣體作為保護氣體,惰性氣體的壓力為0.8^1.2個大氣壓,熔煉溫度為120(T2000°C,然后在銅模鑄造條件下制成非晶態(tài)母合金料。
[0015]由于固體石墨烯微粒為片狀材料,單層片時為0.33nm厚,長度為3~5um,且具有大的比表面積,在熔煉時提高溫度有利于均勻分散,更好地與非晶態(tài)合金結(jié)合。
[0016]進一步,所述熔煉電流為570-600Α ;所述惰性氣體的壓力為0.9^1.1個大氣壓,所述熔煉溫度為125(Tl500°C。
[0017]進一步,步驟(2)中,所述涂覆處理具體包括以下步驟:將制備好的非晶態(tài)母合金料裝入高頻加熱石英爐中,加熱熔融非晶態(tài)母合金料并保溫;將己拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)母合金料的石英爐擠出涂覆??冢ㄟ^速度為V=105(Tl500mm/秒,讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液,經(jīng)過石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層,從而得到含石墨烯的非晶態(tài)合金改性的切割線材。
[0018]進一步,所述高頻加熱石英爐的熔融溫度為800-1200?,保溫時間為f2h。
[0019]進一步,所述鋼線經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)母合金料的石英爐擠出涂覆??诘乃俣葹?110(Tll50mm/ 秒。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點:
(I)用含固體石墨烯微粒非晶態(tài)合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽能硅片切割鋼線來取代常規(guī)用標準鋼線,可提供一層復(fù)合耐磨層,用于阻隔線切過程中切割砂漿對切割鋼線的磨損,大大提高了鋼線的使用壽命; (2)用單層片或多層片的固體石墨烯微粒與多種非晶態(tài)合金混熔制成的非晶態(tài)合金復(fù)合層,具有高耐磨性,高強度,高耐腐蝕性,高導(dǎo)熱性,超大理論比表面積等優(yōu)良特性;
(3)含石墨烯微粒的非晶合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋼線可用于切割包括寶石、玻璃、硬質(zhì)合金、陶瓷、稀土磁性材料、石材、石英晶體等硬脆性材料,適用范圍廣;
(4)將含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)母合金以高溫涂覆??撞⒖焖倮鋮s方式復(fù)合于穿過??椎匿摼€表面而制成線徑可控的太陽能硅片線切割用耐磨鋼線,在所得鋼線的線徑和耐磨層厚度極小的情況下,可大大降低鋼線每刀的使用量,并與標準鋼線有良好的互換性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明單層片固體石墨烯微粒的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的詳細結(jié)構(gòu)作進一步描述。
[0023]實施例1
太陽能硅片線切割鋼線的制作方法包括以下步驟:
一.含石墨烯(單層片)微粒非晶態(tài)母合金料成份比(重量份)
鎳基非晶25.5份鎂基非晶5.5份銅基非晶9.0份
石墨烯(單層片、厚度:0.33nm,參照圖1)40份
二.耐磨母合金料制作工藝
第一步將高熔點鎂基非晶5.5份、銅基非晶9.0份和20份固體石墨烯微粒,置于熔融T i純化過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lX10_3Pa,熔煉電流為560A,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25.5份和20份固體石墨烯微粒放入坩鍋內(nèi),將坩鍋置于真空爐中,將真空度抽至IXlO-2Pa以下,充入惰性氣體作為保護氣體,惰性氣體的壓力為0.8個大氣壓,在溫度125(Tl350°C條件下熔煉,然后在銅模鑄造條件下制成母合金料100份。
[0024]三.含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金與鋼線涂覆工藝
將制備好的母合金料裝入高頻加熱石英爐中,加熱熔融母合金料,熔融溫度為800°C,并保溫Ih ;將己拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)母合金料的石英爐擠入涂覆???,通過的速度為V=IlOOmm/秒,讓鋼絲表面均勻涂覆上一層含石墨烯的合金液,經(jīng)過石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含固體石墨烯的非晶態(tài)合金復(fù)合層,從而得到了一種由含石墨烯非晶態(tài)合金改性的切割線材。
[0025]將含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層制成線徑可控的太陽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1.0um時,可制得線徑為112um而不改變現(xiàn)有切片機工藝的線切鋼線,鋼線每刀使用量減少70%?80%。
[0026]實施例2
太陽能硅片線切割鋼線的制作方法包括以下步驟:
一.含石墨烯(多層片)的非晶態(tài)母合金料成份比(重量份)鎳基非晶50.5份
鎂基非晶20.5份
銅基非晶8.0份
石墨烯(多層片、厚度:1um)21.0份
二.含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)母合金料制作工藝
第一步將高熔點鎂基非晶20.5份、銅基非晶8.0份和11份固體石墨烯微粒,置于熔融Ti純化過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lX10_3Pa,熔煉電流為650A,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50.5份和10份固體石墨烯微粒放入坩鍋內(nèi),將坩鍋置于真空爐中,將真空度抽至IXlO-2Pa以下,充入惰性氣體作為保護氣體,惰性氣體的壓力為1.1個大氣壓,在溫度1500-2000?條件下熔煉,然后在銅模鑄造條件下制成母合金料100份;
三.含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金與鋼線涂覆工藝
將制備好的母合金料裝入高頻加熱石英爐中,加熱熔融母合金料,熔融溫度為1200°C,并保溫2h ;將己拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)母合金料的石英爐擠入涂覆???,通過的速度為V=1300mm/秒,讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液,經(jīng)過石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含固體石墨烯微粒的非晶態(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。
[0027]將含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層制成線徑可控的太陽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2.5um時,可制得線徑為115um而不改變現(xiàn)有切片機工藝的線切鋼線,每刀使用量減少80%~90%。
[0028]以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例,并不用于限制本發(fā)明,顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動、變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能硅片線切割鋼線,其特征是:所述鋼線由金屬線和包覆在金屬線外表面的含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能硅片線切割鋼線,其特征是:所述非晶態(tài)合金的重量百分比為2%~75%,固體石墨烯微粒的重量百分比為2%飛0%,所述固體石墨烯微粒的粒徑為0.2 um~3um0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能硅片線切割鋼線,其特征是:所述鋼線的直徑為80unT300um,所述鋼線的耐磨層厚度為0.5unT5um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的太陽能硅片線切割鋼線,其特征是:所述非晶態(tài)合金為銅基非晶、鋯基非晶、鎳基非晶、鐵基非晶、鎂基非晶、鈰基非晶中的一種或幾種;所述固體石墨烯微粒為單層片或者多層片。
5.根據(jù)權(quán)利要求f4任一項所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:包括以下步驟: (1)母合金料制備:稱取一定量納米級的固體石墨烯微粒,與至少一種非晶態(tài)合金按比例混合后置于真空熔煉爐中熔融加熱,使非晶態(tài)合金與固體石墨烯微?;烊冢阢~模鑄造條件下制成非晶態(tài)母合金料; (2)涂覆處理:在切割鋼線拉絲過程中,對含固體石墨烯微粒的非晶態(tài)母合金料進行加熱涂覆并快速冷卻,使非晶態(tài)母合金料與鋼線表面復(fù)合,即可制成太陽能硅片多線切割機用鋼線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:步驟(1)中,所述母合金料制備具體包括以下步驟: 第一步:將至少一種非晶態(tài)合金和固體石墨烯微粒按比例置于熔融Ti純化過的惰性氣體氣氛下的電弧爐中熔煉,并采用電磁攪拌;熔煉條件為:真空度小于I X 1-3Pa,熔煉電流為560-800Α,以確保獲得成分均勻的中間合金; 第二步:將中間合金、其他金屬基非晶態(tài)合金以及固體石墨烯微粒按所需比例放入坩鍋內(nèi),將坩鍋置于真空爐中,將真空度抽至IXlO-2Pa以下,充入惰性氣體作為保護氣體,惰性氣體的壓力為0.8^1.2個大氣壓,熔煉溫度為120(T2000°C,然后在銅模鑄造條件下制成非晶態(tài)母合金料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:所述熔煉電流為570-600Α ;所述惰性氣體的壓力為0.9~1.1個大氣壓,所述熔煉溫度為125(Tl500°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:步驟(2)中,所述涂覆處理具體包括以下步驟:將制備好的非晶態(tài)母合金料裝入高頻加熱石英爐中,加熱熔融非晶態(tài)母合金料并保溫;將己拉伸好的鋼線在收線卷繞輪的牽引下快速經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)母合金料的石英爐擠出涂覆???,通過速度為V=105(Tl500mm/秒,讓鋼絲表面均勻涂覆上一層合金液,經(jīng)過石英爐后快速冷卻使鋼線表面均勻涂覆上了一層含石墨烯微粒的非晶態(tài)合金復(fù)合層,從而得到含石墨烯的非晶態(tài)合金改性的切割線材。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:所述高頻加熱石英爐的熔融溫度為80(Ti20(rc,保溫時間為l~2h。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的太陽能硅片線切割鋼線的制作方法,其特征是:所述鋼線經(jīng)過裝有熔融狀態(tài)非晶態(tài)母合金料的石英爐擠出涂覆??诘乃俣葹?10(Tll50mm/秒。
【文檔編號】B28D5/04GK104070615SQ201410327003
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚彬, 蘭育輝 申請人:湖南元素密碼石墨烯研究院(有限合伙)