一種耐磨線切割鋼線的製作方法及製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備與流程

2023-06-08 00:57:36 2

本發明涉及一種耐磨太陽能矽片線切割鋼線的製作方法及製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備。
背景技術：
：中國光伏發電產業經過近十幾年迅猛發展，太陽能矽片切割的耗材成本已降低到最低限度，其中切割用鋼線隨切片機臺的擴產而大量消耗、年消耗鋼線材約十幾萬噸。在太陽能矽片線切割過程中，整個機理是利用碳化矽顆粒的堅硬特性和鋒利菱角將矽棒逐步截斷，因此切割中砂漿均勻地包覆在高速運動中的鋼線表面,均勻平穩的使碳化矽微粒作用於矽棒表面，同時及時帶走切割熱和破碎顆粒，保證矽片的表面質量,鋼線是切割砂漿的一個載體同時也被高速運動中的碳化矽間接磨損，線徑發生變化而影響線切品質。隨著整個太陽能行業的發展，在太陽能矽片線切割中大量使用線切割鋼線，不利於環境控制，同時造成企業成本的增加，為了適應未來市場需求及價格的競爭發展需要，整個行業都在為如何提高鋼線表面耐磨性、降低使用量、提高切割效率、降低切割綜合成本而又不改變現有切割設備和工藝，不停地尋找新的途徑。技術實現要素：本發明的目的是提供一種耐磨線切割鋼線的製作方法，以該方法製備的線切割鋼線，切割太陽能矽片時，能夠減小用量，同時增加出片量。本發明所述的耐磨線切割鋼線的製作方法是：a、把多根鋼線經過加捻合股形成的捻合鋼線或者單根鋼線經過漿料，使得漿料塗覆在捻合鋼線或者單根鋼線上；所述漿料由下述質量份的組份組成：沸點大於100℃以上的溶劑20-80份，石墨烯9-80份，石墨烯合金5-31份，石墨烯或石墨烯合金微粒粒徑為0.1um-5um；b、把塗覆漿料的鋼線在真空下加熱烘乾，去除溶劑；鋼線表面塗覆的石墨烯和石墨烯合金層的厚度為0.1um-5um；c、把去除溶劑後的鋼線採用磁控濺射方法進行鍍銅；d、把鍍銅後的鋼線採用磁控濺射方法進行鍍鎳。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，多根鋼線沿一定的螺旋角進行加捻合股形成的捻合鋼線，螺旋角大於等於20度，小於等於75度。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，溶劑為二甲基乙醯胺，甲基呲咯烷酮或二者的混合液。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，石墨烯合金為鎳基石墨烯、銅基石墨烯、金剛石基石墨烯、鉬基石墨烯、碳化矽基石墨烯中任意一種或數種。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，鍍銅時，真空度小於2×10-1Pa，銅靶磁控濺射電流為15A。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，鍍鎳時，真空度4×10-3Pa以下，充入氬氣體作為濺射用氣體，使濺射工作氣壓在3x10-1Pa，鎳靶磁控濺射電流為20A。上述的耐磨線切割鋼線的製作方法，重複步驟a、b、c7-9次後，再進行步驟d。本發明的有益效果：石墨烯目前是世上最薄也是最堅硬的納米材料，導熱係數是金剛石的3倍；單層石墨烯的比表面積是最好活性炭的1.75倍;具有超強的剛度和硬度,強度是鋼的100多倍。本發明的目的就是旨在將高耐磨性，高強度，高耐腐蝕性的石墨烯及石墨烯合金材料和鋼線複合加工成滿足線鋸切割使用的線材，用以提高硬脆貴重材料的切割效率，降低成本。它是解決現階段常規鋼線存在的不耐磨缺陷的一種途徑。選用單線線徑大於8um的鋼線,以單根或3根,5根,7根，9根及大於9根的單線經複合加捻製成螺旋多股捻合鋼線（也稱結構鋼線）,並且在這種捻合鋼線或者單根鋼線表面進行塗覆耐磨石墨烯層和石墨烯合金層,這種合金層可以是一層或多層組成。這種新型耐磨鋼線可製成太陽能矽片多線切割機用鋼線，可用於切割寶石、玻璃、硬質合金、陶瓷、稀土磁性材料、石材、石英晶體等硬脆性材料。本發明同時提供了一種能耗低、效率高的製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備。本發明所述製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備，包括真空腔體7，設置於真空腔體7內的放卷機構1、漿料塗覆系統2、鋼線真空烘乾裝置3、磁控濺射鍍膜系統4、磁控濺射鍍膜系統5、收卷機構6；放卷機構1放出的鋼線，從漿料塗覆系統2中的漿料穿過，再經鋼線真空烘乾裝置3，再先後經過磁控濺射鍍膜系統4和磁控濺射鍍膜系統5，最後經收卷機構6收卷。把放卷機構1、漿料塗覆系統2、鋼線真空烘乾裝置3、磁控濺射鍍膜系統4、磁控濺射鍍膜系統5、收卷機構6等一起放置真空腔體中，而不是把各個裝置分別置於各自的真空腔體中，節約了能耗。同時採用放卷機構、收卷機構，能夠聯繫高效作業，效率高。上述的製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備，它還包括上下兩個鋼線多槽導輪，鋼線多槽導輪上開有多個線槽；鋼線依次繞過兩個鋼線多槽導輪上的線槽；下部的鋼線多槽導輪位於裝在漿料塗覆系統2的漿料槽21中的漿料液面下；漿料槽21的上方是真空烘乾裝置3，真空烘乾裝置3的上方是磁控濺射鍍膜系統4；依次繞過兩個鋼線多槽導輪上的線槽的鋼線穿過真空烘乾裝置3和磁控濺射鍍膜系統4。由於鋼線在上下兩個鋼線多槽導輪之間多次繞過，以簡單的方式實現了鋼線的重複多次塗覆、加熱烘乾和磁控濺射鍍膜。上述的製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備，它還包括位於磁控濺射鍍膜系統5兩側的兩個鋼線多槽導輪，鋼線多槽導輪上開有多個線槽；鋼線依次繞過兩個鋼線多槽導輪上的線槽；依次繞過兩個鋼線多槽導輪上的線槽的鋼線穿過磁控濺射鍍膜系統5。由於鋼線在兩個鋼線多槽導輪之間多次繞過，以簡單的方式實現了鋼線的重複多次磁控濺射鍍膜。上述的製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備，真空腔體7被隔板14成兩部分；放卷機構1、鋼線真空烘乾裝置3、磁控濺射鍍膜系統4位於隔板一側的真空腔體內；磁控濺射鍍膜系統5、收卷機構6位於隔板另一側的真空腔體內。上述的製備耐磨線切割鋼線用真空塗覆鍍膜設備，漿料塗覆系統2中的漿料槽21與真空腔體7合成一體。附圖說明圖1是七股捻合耐磨線切割鋼線的示意圖；,圖2是三股捻合耐磨線切割鋼線的示意圖；圖3是耐磨線切割鋼線的製作裝置示意圖；圖4是鋼線繞過鋼線多槽導輪9a、9b的示意圖。具體實施方式耐磨線切割鋼線的製作過程。一.多股結構鋼線的製作工藝本發明採用的鋼線其線徑為8um至150um的高強度單線,經多股加捻機按一定的捻度將多股鋼線合股成一種螺旋的切割用結構鋼線,其中結構鋼線由3根、5根、7根及大於9根的單線沿一定的螺旋角進行加捻,其螺旋角可以從20度至75度之間選擇。當然，本發明的耐磨線切割鋼線也可以是採用不加捻的單根鋼線。二.含固體石墨烯及石墨烯合金的多層鋼線表面塗覆工藝本發明採用的合金塗覆方式為石墨烯或石墨烯合金漿料以真空方式塗覆。將製備好的漿料塗覆於單根或多股複合鋼線表面,並進行真空鍍膜將石墨烯或石墨烯合金等塗覆耐磨料固定在鋼線表面,並進行多次重複塗覆和真空鍍膜,其層數可達到3至20層,使鋼線表面均勻塗覆多層含石墨烯或石墨烯合金的複合層，其塗層總厚度從0.1um至5um之間,從而得到了一種由石墨烯和石墨烯合金改性的單根或多股線結構表面高耐磨層的切割線材。三.含固體石墨烯及石墨烯合金基料組成比主要利用真空鍍膜技術將石墨烯或石墨烯合金複合到切割鋼線表面為其提供一層或多層複合耐磨層，用於阻隔線切割過程中切割砂漿對切割鋼線的磨損。其中石墨烯合金採用銅基石墨烯、鎳基石墨烯、鉬基石墨烯、金剛石納米基石墨烯、碳化矽基石墨烯的一種或幾種，鋼線表面每一層石墨烯或石墨烯合金佔用的表面積比例從10%-85%、塗覆漿料中固體石墨烯或石墨烯合金微粒使用比例從15%----85%、固體石墨烯或石墨烯合金微粒粒徑從0.1um----5um之間,其塗覆漿料載體選擇在真空環境下蒸發量小的溶劑,其中優選用沸點大於100℃以上的溶劑:優選二甲基乙醯胺(DMAC),甲基呲咯烷酮(NMP)或二者之間的溶劑混合液。下面通過配製石墨烯或石墨烯合金漿料具體闡述本發明的製作方法。實施例一1、漿料的組成（重量份）：組成方案一方案二方案三方案四鎳基石墨烯5.5550銅基石墨烯25.5005石墨烯9105575DMAC溶劑600200NMP溶劑0852020注:漿料製作工藝相同,只配方組成不同2.結構鋼線工藝將製備好的10um單根鋼線,使用7根鋼線複合加捻成多股複合螺旋結構鋼線,螺旋角為60-65度之間,製成切割用結構線材。多根鋼線捻合屬於現有技術。3.真空塗覆鍍膜製作工藝(參見圖3)真空塗覆鍍膜使用的設備如圖3，主要包括放卷機構1、漿料塗覆系統2、鋼線真空烘乾裝置3，經磁控濺射鍍膜系統4、磁控濺射鍍膜系統5、收卷機構6、真空腔體7、真空抽氣系統8、13、鋼線多槽導輪9a、9b、9c、9d、磁控濺射鍍膜系統4的磁控濺射電源10，磁控濺射鍍膜系統4的磁控濺射電源11、導向輥12、隔板14等。真空腔體7被隔板14成兩部分。放卷機構1、鋼線多槽導輪9a、9b、鋼線真空烘乾裝置3、磁控濺射鍍膜系統4位於隔板一側的真空腔體內。磁控濺射鍍膜系統5、收卷機構6、鋼線多槽導輪9c、9d位於隔板另一側的真空腔體內。真空抽氣系統8、13分別對隔板兩側的真空腔體內抽真空。參見圖4，放卷機構1放出單根鋼線或捻合鋼線1a後，經過導向輥12的導向後繞入鋼線多槽導輪9a中的一個線槽中9a1，從線槽9a1繞出的鋼線向上穿過鋼線真空烘乾裝置3，經磁控濺射鍍膜系統4再繞入鋼線多槽導輪9b中的一個線槽中9b1，從線槽9b1繞出的鋼線向下經磁控濺射鍍膜系統4、穿過鋼線真空烘乾裝置3，再繞入鋼線多槽導輪9a中的另一個線槽9a2。從線槽9a2繞出的鋼線向上穿過鋼線真空烘乾裝置3，經磁控濺射鍍膜系統4再繞入鋼線多槽導輪9b中的一個線槽中9b2，從線槽9b2繞出的鋼線向下經磁控濺射鍍膜系統4、穿過鋼線真空烘乾裝置3，再繞入鋼線多槽導輪9a中的另一個線槽9a3。如此循環，鋼線在鋼線多槽導輪9a、9b之間多次繞過。鋼線多槽導輪9a位於裝在漿料塗覆系統2的漿料槽21中的漿料液面下。鋼線在繞經鋼線多槽導輪9a時，實現了漿料的塗覆。為了簡化結構，漿料槽21與真空腔體7合成一體。鋼線真空烘乾裝置3主要包括加熱器31。加熱器31設置在漿料槽21與磁控濺射鍍膜系統4之間的真空腔體7外壁上。最後從鋼線多槽導輪9b上的一個線槽中繞出的鋼線穿過隔板14後，再繞經位於磁控濺射鍍膜系統5兩端的鋼線多槽導輪9c、9d，鋼線多槽導輪9c、9d的結構與鋼線繞過鋼線多槽導輪9c、9d的結構與前述的鋼線多槽導輪9a、9b類同，繞過鋼線多槽導輪9c、9d的鋼線反覆穿過磁控濺射鍍膜系統5進行鍍膜。最後從鋼線多槽導輪9b上的一個線槽中繞出的鋼線進入收卷機構6進行收卷。以方案一的組份來說明漿料配製方案：將鎳基石墨烯5.5份、銅基石墨烯25.5份和9份石墨烯微粒，置於帶超聲循環的攪拌反應罐中並加入60份DMAC溶劑,對此混合體進行循環超聲和攪拌分散均勻成一定粘度的槳料.將此漿料放置到漿料供給系統2中,使漿料能均勻塗覆到鋼線表面。塗覆漿料後的鋼線進入真空烘乾區域去除溶劑,在多股鋼線表面形成石墨烯與石墨烯耐磨層。啟動真空抽氣系統13,工藝要求真空度小於2×10-1Pa，磁控濺射鍍膜系統4以銅靶為靶材，磁控濺射電流為15A條件下將銅沉積於3x10um多股鋼線1a表面。由於鋼線在鋼線多槽導輪9a、9b之間多次繞過，實現了鋼線重複多次塗覆、加熱烘乾和鍍銅膜工藝。以確保獲得成分均勻的合金鍍膜層；其每層厚度控制在0.02um—0.05um之間，層數控制在7---9層之間。已鍍合金鍍膜層的鋼線再進入磁控濺射系統5進行鍍鎳層,加厚鍍膜提升耐磨特性。磁控濺射鍍膜系統5以鎳靶為靶材，要求真空抽氣系統8將真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氬氣體作為濺射用氣體，使濺射工作氣壓在3x10-1Pa，磁控濺射電流20A條件下將鎳鍍於鋼線表面。最終鎳層厚度控制0.25um—0.5um之間。將實例一中不同組份的方案組成的漿料塗覆鋼線，按上述方法製備成7股結構鋼線（耐磨線切割鋼線）。參見圖1，7股結構鋼線16具有7根單根高強度鋼線17，其外表具有含石墨烯和石墨烯合金多層鍍膜耐磨層18。取線徑7x10um鋼線塗覆成耐磨層厚度5um時，可製得線徑為40um左右的切割鋼線,在不改變現有PV800切片機工藝下、鋼線每刀使用量減少45%--55%。每刀增加12%---13%的出片量。實施例二:1、漿料的組成（重量份）：組成方案五方案六方案七金剛石基石墨烯2.51015銅基石墨烯25.500石墨烯101055DMAC溶劑628010NMP溶劑0010注:漿料製作工藝相同,只配方組成不同2.結構鋼線工藝將製備好的10um單根鋼線,使用7根鋼線複合加捻成多股複合螺旋結構鋼線,螺旋角為60---65度之間,製成切割用結構線材。3.真空塗覆鍍膜製作工藝（參見圖3）採用的製備設備參見實施例一和圖3，不再贅述。以方案七的組份來說明漿料配製方案：將金剛石基石墨烯15份、銅基石墨烯0份和55份石墨烯微粒，置於帶超聲循環的攪拌反應罐中並加入10份NMP溶劑、10份DMAC溶劑,對此混合體進行循環超聲和攪拌分散均勻成一定粘度的槳料。將此漿料放置到漿料供給系統中,使漿料能均勻塗覆到鋼線表面。塗覆漿料後的鋼線進入真空烘乾區域去除NMP溶劑和DMAC溶劑,在多股鋼線表面形成石墨烯與石墨烯耐磨層。啟動真空抽氣系統13,工藝要求真空度小於2×10-1Pa，磁控濺射鍍膜系統4以銅靶為靶材，磁控濺射電流為15A條件下將銅沉積於3x10um多股鋼線1a表面。由於鋼線在鋼線多槽導輪9a、9b之間多次繞過，實現了鋼線重複多次塗覆、加熱烘乾和鍍銅膜工藝，以確保獲得成分均勻的合金鍍膜層；其每層厚度控制在0.02um—0.05um之間，層數控制在7---9層之間。已鍍合金鍍膜層的鋼線再進入磁控濺射系統5進行鍍鎳層,加厚鍍膜提升耐磨特性。磁控濺射鍍膜系統5以鎳靶為靶材，要求真空抽氣系統8將真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氬氣體作為濺射用氣體，使濺射工作氣壓在3x10-1Pa，鎳靶磁控濺射電流20A條件下將鎳鍍於鋼線表面，最終鎳層厚度控制在0.25um—0.5um之間。將實例二中不同組份的方案組成的漿料塗覆鋼線，按上述方法製備成7股結構鋼線（耐磨線切割鋼線）。取線徑7x10um鋼線塗覆成耐磨層厚度5um時，可製得線徑為40um左右的太陽能矽片線切割用耐磨結構鋼線,在不改變現有PV800切片機工藝下、鋼線每刀使用量減少70%--75%。每刀增加12%---13%的出片量。實施例三:1.漿料的組成（重量份）鉬基石墨烯4.5份銅基石墨烯25.5份石墨烯10份DMAC溶劑60份2.結構鋼線工藝將製備好的10um單根鋼線,使用3根複合加捻成多股複合螺旋結構鋼線,螺旋角為30-35度之間,製成切割用結構線材。3.真空塗覆鍍膜製作工藝（參見圖3）採用的製備設備參見實施例一和圖3，不再贅述。將鉬基石墨烯4.5份、銅基石墨烯25.5份和10份石墨烯微粒，置於帶超聲循環的攪拌反應罐中並加入60份DMAC溶劑,對此混合體進行循環超聲和攪拌分散均勻成一定粘度的槳料。將此漿料放置到漿料供給系統中,使漿料能均勻塗覆到鋼線表面。塗覆漿料後的鋼線進入真空烘乾區域去除DMAC溶劑,在多股鋼線表面形成石墨烯與石墨烯耐磨層。啟動真空抽氣系統13,工藝要求真空度小於2×10-1Pa，磁控濺射鍍膜系統4以銅靶為靶材，磁控濺射電流為15A條件下將銅沉積於3x10um多股鋼線表面。由於鋼線在鋼線多槽導輪9a、9b之間多次繞過，實現了鋼線重複多次塗覆、加熱烘乾和鍍銅膜工藝，以確保獲得成分均勻的合金鍍膜層；其每層厚度控制在0.02um—0.05um之間，層數控制在7---9層之間。已鍍合金鍍膜層的鋼線再進入磁控濺射系統5進行鍍鎳層,加厚鍍膜提升耐磨特性。磁控濺射鍍膜系統5以鎳靶為靶材，要求真空抽氣系統8將真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氬氣體作為濺射用氣體，使濺射工作氣壓在3x10-1Pa，鎳靶磁控濺射電流20A條件下將鎳鍍於鋼線表面，最終鎳層厚度控制在0.25um—0.5um之間。按上述方法製備成3股結構鋼線。參見圖2，3股結構鋼線16具有3根單根高強度鋼線17，其外表具有含石墨烯和石墨烯合金多層鍍膜耐磨層18。取線徑3x10um鋼線塗覆成耐磨層厚度5um時，可製得線徑為22um太陽能矽片線切割用耐磨結構鋼線,在不改變現有PV800切片機工藝下、鋼線每刀使用量減少50%-55%，每刀增加20%-22%的出片量。實施例四:1.漿料組份(重量份)碳化矽基石墨烯6.5份銅基石墨烯23.5份石墨烯10份NMP溶劑60份2.真空塗覆鍍膜製作工藝（參見圖3）採用的製備設備參見實施例一和圖3，不再贅述。將碳化矽基石墨烯6.5份、銅基石墨烯23.5份和10份石墨烯微粒，置於帶超聲循環的攪拌反應罐中並加入60份NMP溶劑,對此混合體進行循環超聲和攪拌分散均勻成一定粘度的槳料。將此漿料放置到漿料供給系統中,使漿料能均勻塗覆到不加捻的單根70um鋼線表面。塗覆漿料後的鋼線進入真空烘乾區域去除NMP溶劑,在單根70um的鋼線表面形成石墨烯與石墨烯耐磨層。啟動真空抽氣系統13，工藝要求真空度小於2×10-1Pa，磁控濺射鍍膜系統4以銅靶為靶材，磁控濺射電流為15A條件下將銅沉積於單根鋼線表面。由於鋼線在鋼線多槽導輪9a、9b之間多次繞過，實現了鋼線重複多次塗覆、加熱烘乾和鍍銅膜工藝，以確保獲得成分均勻的合金鍍膜層；其每層厚度控制在0.02um—0.05um之間，層數控制在7---9層之間。已鍍合金鍍膜層的鋼線再進入磁控濺射系統5進行鍍鎳層,加厚鍍膜提升耐磨特性。磁控濺射鍍膜系統5以鎳靶為靶材，要求真空抽氣系統8將真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氬氣體作為濺射用氣體，使濺射工作氣壓在3x10-1Pa，鎳靶磁控濺射電流20A條件下將鎳鍍於鋼線表面，最終鎳層厚度控制在0.25um—0.5um之間。按上述方法製備成單根結構鋼線（耐磨線切割鋼線）。將實例四、含石墨烯和石墨烯合金的單根鋼線製成線徑可控的太陽能矽片線切割用耐磨結構鋼線,取線徑70um鋼線塗覆成耐磨層厚度2um---3umm時，可製得線徑為75um---80um單根太陽能矽片線切割用耐磨鋼線,在不改變現有PV800切片機工藝下、鋼線每刀使用量減少70%--75%。本發明的鋼線表面用含石墨烯或石墨烯合金微粒真空鍍膜的多層結構的太陽能矽片切割用單根或多股鋼線來取代常規用標準鋼線，耐磨性好，顯著提高了使用壽命，減少使用量，提高了出片率。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp