一种耐磨线切割钢线的制作方法及制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备与流程

本发明涉及一种耐磨太阳能硅片线切割钢线的制作方法及制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备。
背景技术：
：中国光伏发电产业经过近十几年迅猛发展，太阳能硅片切割的耗材成本已降低到最低限度，其中切割用钢线随切片机台的扩产而大量消耗、年消耗钢线材约十几万吨。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割钢线，不利于环境控制，同时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、降低使用量、提高切割效率、降低切割综合成本而又不改变现有切割设备和工艺，不停地寻找新的途径。技术实现要素：本发明的目的是提供一种耐磨线切割钢线的制作方法，以该方法制备的线切割钢线，切割太阳能硅片时，能够减小用量，同时增加出片量。本发明所述的耐磨线切割钢线的制作方法是：a、把多根钢线经过加捻合股形成的捻合钢线或者单根钢线经过浆料，使得浆料涂覆在捻合钢线或者单根钢线上；所述浆料由下述质量份的组份组成：沸点大于100℃以上的溶剂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径为0.1um-5um；b、把涂覆浆料的钢线在真空下加热烘干，去除溶剂；钢线表面涂覆的石墨烯和石墨烯合金层的厚度为0.1um-5um；c、把去除溶剂后的钢线采用磁控溅射方法进行镀铜；d、把镀铜后的钢线采用磁控溅射方法进行镀镍。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，多根钢线沿一定的螺旋角进行加捻合股形成的捻合钢线，螺旋角大于等于20度，小于等于75度。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，溶剂为二甲基乙酰胺，甲基呲咯烷酮或二者的混合液。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，石墨烯合金为镍基石墨烯、铜基石墨烯、金刚石基石墨烯、钼基石墨烯、碳化硅基石墨烯中任意一种或数种。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，镀铜时，真空度小于2×10-1Pa，铜靶磁控溅射电流为15A。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，镀镍时，真空度4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3x10-1Pa，镍靶磁控溅射电流为20A。上述的耐磨线切割钢线的制作方法，重复步骤a、b、c7-9次后，再进行步骤d。本发明的有益效果：石墨烯目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，导热系数是金刚石的3倍；单层石墨烯的比表面积是最好活性炭的1.75倍;具有超强的刚度和硬度,强度是钢的100多倍。本发明的目的就是旨在将高耐磨性，高强度，高耐腐蚀性的石墨烯及石墨烯合金材料和钢线复合加工成满足线锯切割使用的线材，用以提高硬脆贵重材料的切割效率，降低成本。它是解决现阶段常规钢线存在的不耐磨缺陷的一种途径。选用单线线径大于8um的钢线,以单根或3根,5根,7根，9根及大于9根的单线经复合加捻制成螺旋多股捻合钢线（也称结构钢线）,并且在这种捻合钢线或者单根钢线表面进行涂覆耐磨石墨烯层和石墨烯合金层,这种合金层可以是一层或多层组成。这种新型耐磨钢线可制成太阳能硅片多线切割机用钢线，可用于切割宝石、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。本发明同时提供了一种能耗低、效率高的制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备。本发明所述制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备，包括真空腔体7，设置于真空腔体7内的放卷机构1、浆料涂覆系统2、钢线真空烘干装置3、磁控溅射镀膜系统4、磁控溅射镀膜系统5、收卷机构6；放卷机构1放出的钢线，从浆料涂覆系统2中的浆料穿过，再经钢线真空烘干装置3，再先后经过磁控溅射镀膜系统4和磁控溅射镀膜系统5，最后经收卷机构6收卷。把放卷机构1、浆料涂覆系统2、钢线真空烘干装置3、磁控溅射镀膜系统4、磁控溅射镀膜系统5、收卷机构6等一起放置真空腔体中，而不是把各个装置分别置于各自的真空腔体中，节约了能耗。同时采用放卷机构、收卷机构，能够联系高效作业，效率高。上述的制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备，它还包括上下两个钢线多槽导轮，钢线多槽导轮上开有多个线槽；钢线依次绕过两个钢线多槽导轮上的线槽；下部的钢线多槽导轮位于装在浆料涂覆系统2的浆料槽21中的浆料液面下；浆料槽21的上方是真空烘干装置3，真空烘干装置3的上方是磁控溅射镀膜系统4；依次绕过两个钢线多槽导轮上的线槽的钢线穿过真空烘干装置3和磁控溅射镀膜系统4。由于钢线在上下两个钢线多槽导轮之间多次绕过，以简单的方式实现了钢线的重复多次涂覆、加热烘干和磁控溅射镀膜。上述的制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备，它还包括位于磁控溅射镀膜系统5两侧的两个钢线多槽导轮，钢线多槽导轮上开有多个线槽；钢线依次绕过两个钢线多槽导轮上的线槽；依次绕过两个钢线多槽导轮上的线槽的钢线穿过磁控溅射镀膜系统5。由于钢线在两个钢线多槽导轮之间多次绕过，以简单的方式实现了钢线的重复多次磁控溅射镀膜。上述的制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备，真空腔体7被隔板14成两部分；放卷机构1、钢线真空烘干装置3、磁控溅射镀膜系统4位于隔板一侧的真空腔体内；磁控溅射镀膜系统5、收卷机构6位于隔板另一侧的真空腔体内。上述的制备耐磨线切割钢线用真空涂覆镀膜设备，浆料涂覆系统2中的浆料槽21与真空腔体7合成一体。附图说明图1是七股捻合耐磨线切割钢线的示意图；,图2是三股捻合耐磨线切割钢线的示意图；图3是耐磨线切割钢线的制作装置示意图；图4是钢线绕过钢线多槽导轮9a、9b的示意图。具体实施方式耐磨线切割钢线的制作过程。一.多股结构钢线的制作工艺本发明采用的钢线其线径为8um至150um的高强度单线,经多股加捻机按一定的捻度将多股钢线合股成一种螺旋的切割用结构钢线,其中结构钢线由3根、5根、7根及大于9根的单线沿一定的螺旋角进行加捻,其螺旋角可以从20度至75度之间选择。当然，本发明的耐磨线切割钢线也可以是采用不加捻的单根钢线。二.含固体石墨烯及石墨烯合金的多层钢线表面涂覆工艺本发明采用的合金涂覆方式为石墨烯或石墨烯合金浆料以真空方式涂覆。将制备好的浆料涂覆于单根或多股复合钢线表面,并进行真空镀膜将石墨烯或石墨烯合金等涂覆耐磨料固定在钢线表面,并进行多次重复涂覆和真空镀膜,其层数可达到3至20层,使钢线表面均匀涂覆多层含石墨烯或石墨烯合金的复合层，其涂层总厚度从0.1um至5um之间,从而得到了一种由石墨烯和石墨烯合金改性的单根或多股线结构表面高耐磨层的切割线材。三.含固体石墨烯及石墨烯合金基料组成比主要利用真空镀膜技术将石墨烯或石墨烯合金复合到切割钢线表面为其提供一层或多层复合耐磨层，用于阻隔线切割过程中切割砂浆对切割钢线的磨损。其中石墨烯合金采用铜基石墨烯、镍基石墨烯、钼基石墨烯、金刚石纳米基石墨烯、碳化硅基石墨烯的一种或几种，钢线表面每一层石墨烯或石墨烯合金占用的表面积比例从10%-85%、涂覆浆料中固体石墨烯或石墨烯合金微粒使用比例从15%----85%、固体石墨烯或石墨烯合金微粒粒径从0.1um----5um之间,其涂覆浆料载体选择在真空环境下蒸发量小的溶剂,其中优选用沸点大于100℃以上的溶剂:优选二甲基乙酰胺(DMAC),甲基呲咯烷酮(NMP)或二者之间的溶剂混合液。下面通过配制石墨烯或石墨烯合金浆料具体阐述本发明的制作方法。实施例一1、浆料的组成（重量份）：组成方案一方案二方案三方案四镍基石墨烯5.5550铜基石墨烯25.5005石墨烯9105575DMAC溶剂600200NMP溶剂0852020注:浆料制作工艺相同,只配方组成不同2.结构钢线工艺将制备好的10um单根钢线,使用7根钢线复合加捻成多股复合螺旋结构钢线,螺旋角为60-65度之间,制成切割用结构线材。多根钢线捻合属于现有技术。3.真空涂覆镀膜制作工艺(参见图3)真空涂覆镀膜使用的设备如图3，主要包括放卷机构1、浆料涂覆系统2、钢线真空烘干装置3，经磁控溅射镀膜系统4、磁控溅射镀膜系统5、收卷机构6、真空腔体7、真空抽气系统8、13、钢线多槽导轮9a、9b、9c、9d、磁控溅射镀膜系统4的磁控溅射电源10，磁控溅射镀膜系统4的磁控溅射电源11、导向辊12、隔板14等。真空腔体7被隔板14成两部分。放卷机构1、钢线多槽导轮9a、9b、钢线真空烘干装置3、磁控溅射镀膜系统4位于隔板一侧的真空腔体内。磁控溅射镀膜系统5、收卷机构6、钢线多槽导轮9c、9d位于隔板另一侧的真空腔体内。真空抽气系统8、13分别对隔板两侧的真空腔体内抽真空。参见图4，放卷机构1放出单根钢线或捻合钢线1a后，经过导向辊12的导向后绕入钢线多槽导轮9a中的一个线槽中9a1，从线槽9a1绕出的钢线向上穿过钢线真空烘干装置3，经磁控溅射镀膜系统4再绕入钢线多槽导轮9b中的一个线槽中9b1，从线槽9b1绕出的钢线向下经磁控溅射镀膜系统4、穿过钢线真空烘干装置3，再绕入钢线多槽导轮9a中的另一个线槽9a2。从线槽9a2绕出的钢线向上穿过钢线真空烘干装置3，经磁控溅射镀膜系统4再绕入钢线多槽导轮9b中的一个线槽中9b2，从线槽9b2绕出的钢线向下经磁控溅射镀膜系统4、穿过钢线真空烘干装置3，再绕入钢线多槽导轮9a中的另一个线槽9a3。如此循环，钢线在钢线多槽导轮9a、9b之间多次绕过。钢线多槽导轮9a位于装在浆料涂覆系统2的浆料槽21中的浆料液面下。钢线在绕经钢线多槽导轮9a时，实现了浆料的涂覆。为了简化结构，浆料槽21与真空腔体7合成一体。钢线真空烘干装置3主要包括加热器31。加热器31设置在浆料槽21与磁控溅射镀膜系统4之间的真空腔体7外壁上。最后从钢线多槽导轮9b上的一个线槽中绕出的钢线穿过隔板14后，再绕经位于磁控溅射镀膜系统5两端的钢线多槽导轮9c、9d，钢线多槽导轮9c、9d的结构与钢线绕过钢线多槽导轮9c、9d的结构与前述的钢线多槽导轮9a、9b类同，绕过钢线多槽导轮9c、9d的钢线反复穿过磁控溅射镀膜系统5进行镀膜。最后从钢线多槽导轮9b上的一个线槽中绕出的钢线进入收卷机构6进行收卷。以方案一的组份来说明浆料配制方案：将镍基石墨烯5.5份、铜基石墨烯25.5份和9份石墨烯微粒，置于带超声循环的搅拌反应罐中并加入60份DMAC溶剂,对此混合体进行循环超声和搅拌分散均勻成一定粘度的桨料.将此浆料放置到浆料供给系统2中,使浆料能均匀涂覆到钢线表面。涂覆浆料后的钢线进入真空烘干区域去除溶剂,在多股钢线表面形成石墨烯与石墨烯耐磨层。启动真空抽气系统13,工艺要求真空度小于2×10-1Pa，磁控溅射镀膜系统4以铜靶为靶材，磁控溅射电流为15A条件下将铜沉积于3x10um多股钢线1a表面。由于钢线在钢线多槽导轮9a、9b之间多次绕过，实现了钢线重复多次涂覆、加热烘干和镀铜膜工艺。以确保获得成分均匀的合金镀膜层；其每层厚度控制在0.02um—0.05um之间，层数控制在7---9层之间。已镀合金镀膜层的钢线再进入磁控溅射系统5进行镀镍层,加厚镀膜提升耐磨特性。磁控溅射镀膜系统5以镍靶为靶材，要求真空抽气系统8将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3x10-1Pa，磁控溅射电流20A条件下将镍镀于钢线表面。最终镍层厚度控制0.25um—0.5um之间。将实例一中不同组份的方案组成的浆料涂覆钢线，按上述方法制备成7股结构钢线（耐磨线切割钢线）。参见图1，7股结构钢线16具有7根单根高强度钢线17，其外表具有含石墨烯和石墨烯合金多层镀膜耐磨层18。取线径7x10um钢线涂覆成耐磨层厚度5um时，可制得线径为40um左右的切割钢线,在不改变现有PV800切片机工艺下、钢线每刀使用量减少45%--55%。每刀增加12%---13%的出片量。实施例二:1、浆料的组成（重量份）：组成方案五方案六方案七金刚石基石墨烯2.51015铜基石墨烯25.500石墨烯101055DMAC溶剂628010NMP溶剂0010注:浆料制作工艺相同,只配方组成不同2.结构钢线工艺将制备好的10um单根钢线,使用7根钢线复合加捻成多股复合螺旋结构钢线,螺旋角为60---65度之间,制成切割用结构线材。3.真空涂覆镀膜制作工艺（参见图3）采用的制备设备参见实施例一和图3，不再赘述。以方案七的组份来说明浆料配制方案：将金刚石基石墨烯15份、铜基石墨烯0份和55份石墨烯微粒，置于带超声循环的搅拌反应罐中并加入10份NMP溶剂、10份DMAC溶剂,对此混合体进行循环超声和搅拌分散均勻成一定粘度的桨料。将此浆料放置到浆料供给系统中,使浆料能均匀涂覆到钢线表面。涂覆浆料后的钢线进入真空烘干区域去除NMP溶剂和DMAC溶剂,在多股钢线表面形成石墨烯与石墨烯耐磨层。启动真空抽气系统13,工艺要求真空度小于2×10-1Pa，磁控溅射镀膜系统4以铜靶为靶材，磁控溅射电流为15A条件下将铜沉积于3x10um多股钢线1a表面。由于钢线在钢线多槽导轮9a、9b之间多次绕过，实现了钢线重复多次涂覆、加热烘干和镀铜膜工艺，以确保获得成分均匀的合金镀膜层；其每层厚度控制在0.02um—0.05um之间，层数控制在7---9层之间。已镀合金镀膜层的钢线再进入磁控溅射系统5进行镀镍层,加厚镀膜提升耐磨特性。磁控溅射镀膜系统5以镍靶为靶材，要求真空抽气系统8将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3x10-1Pa，镍靶磁控溅射电流20A条件下将镍镀于钢线表面，最终镍层厚度控制在0.25um—0.5um之间。将实例二中不同组份的方案组成的浆料涂覆钢线，按上述方法制备成7股结构钢线（耐磨线切割钢线）。取线径7x10um钢线涂覆成耐磨层厚度5um时，可制得线径为40um左右的太阳能硅片线切割用耐磨结构钢线,在不改变现有PV800切片机工艺下、钢线每刀使用量减少70%--75%。每刀增加12%---13%的出片量。实施例三:1.浆料的组成（重量份）钼基石墨烯4.5份铜基石墨烯25.5份石墨烯10份DMAC溶剂60份2.结构钢线工艺将制备好的10um单根钢线,使用3根复合加捻成多股复合螺旋结构钢线,螺旋角为30-35度之间,制成切割用结构线材。3.真空涂覆镀膜制作工艺（参见图3）采用的制备设备参见实施例一和图3，不再赘述。将钼基石墨烯4.5份、铜基石墨烯25.5份和10份石墨烯微粒，置于带超声循环的搅拌反应罐中并加入60份DMAC溶剂,对此混合体进行循环超声和搅拌分散均勻成一定粘度的桨料。将此浆料放置到浆料供给系统中,使浆料能均匀涂覆到钢线表面。涂覆浆料后的钢线进入真空烘干区域去除DMAC溶剂,在多股钢线表面形成石墨烯与石墨烯耐磨层。启动真空抽气系统13,工艺要求真空度小于2×10-1Pa，磁控溅射镀膜系统4以铜靶为靶材，磁控溅射电流为15A条件下将铜沉积于3x10um多股钢线表面。由于钢线在钢线多槽导轮9a、9b之间多次绕过，实现了钢线重复多次涂覆、加热烘干和镀铜膜工艺，以确保获得成分均匀的合金镀膜层；其每层厚度控制在0.02um—0.05um之间，层数控制在7---9层之间。已镀合金镀膜层的钢线再进入磁控溅射系统5进行镀镍层,加厚镀膜提升耐磨特性。磁控溅射镀膜系统5以镍靶为靶材，要求真空抽气系统8将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3x10-1Pa，镍靶磁控溅射电流20A条件下将镍镀于钢线表面，最终镍层厚度控制在0.25um—0.5um之间。按上述方法制备成3股结构钢线。参见图2，3股结构钢线16具有3根单根高强度钢线17，其外表具有含石墨烯和石墨烯合金多层镀膜耐磨层18。取线径3x10um钢线涂覆成耐磨层厚度5um时，可制得线径为22um太阳能硅片线切割用耐磨结构钢线,在不改变现有PV800切片机工艺下、钢线每刀使用量减少50%-55%，每刀增加20%-22%的出片量。实施例四:1.浆料组份(重量份)碳化硅基石墨烯6.5份铜基石墨烯23.5份石墨烯10份NMP溶剂60份2.真空涂覆镀膜制作工艺（参见图3）采用的制备设备参见实施例一和图3，不再赘述。将碳化硅基石墨烯6.5份、铜基石墨烯23.5份和10份石墨烯微粒，置于带超声循环的搅拌反应罐中并加入60份NMP溶剂,对此混合体进行循环超声和搅拌分散均勻成一定粘度的桨料。将此浆料放置到浆料供给系统中,使浆料能均匀涂覆到不加捻的单根70um钢线表面。涂覆浆料后的钢线进入真空烘干区域去除NMP溶剂,在单根70um的钢线表面形成石墨烯与石墨烯耐磨层。启动真空抽气系统13，工艺要求真空度小于2×10-1Pa，磁控溅射镀膜系统4以铜靶为靶材，磁控溅射电流为15A条件下将铜沉积于单根钢线表面。由于钢线在钢线多槽导轮9a、9b之间多次绕过，实现了钢线重复多次涂覆、加热烘干和镀铜膜工艺，以确保获得成分均匀的合金镀膜层；其每层厚度控制在0.02um—0.05um之间，层数控制在7---9层之间。已镀合金镀膜层的钢线再进入磁控溅射系统5进行镀镍层,加厚镀膜提升耐磨特性。磁控溅射镀膜系统5以镍靶为靶材，要求真空抽气系统8将真空度抽至4×10-3Pa以下，充入氩气体作为溅射用气体，使溅射工作气压在3x10-1Pa，镍靶磁控溅射电流20A条件下将镍镀于钢线表面，最终镍层厚度控制在0.25um—0.5um之间。按上述方法制备成单根结构钢线（耐磨线切割钢线）。将实例四、含石墨烯和石墨烯合金的单根钢线制成线径可控的太阳能硅片线切割用耐磨结构钢线,取线径70um钢线涂覆成耐磨层厚度2um---3umm时，可制得线径为75um---80um单根太阳能硅片线切割用耐磨钢线,在不改变现有PV800切片机工艺下、钢线每刀使用量减少70%--75%。本发明的钢线表面用含石墨烯或石墨烯合金微粒真空镀膜的多层结构的太阳能硅片切割用单根或多股钢线来取代常规用标准钢线，耐磨性好，显著提高了使用寿命，减少使用量，提高了出片率。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3