1 概述
太阳能作为一种可持续使用的清洁能源, 正成为能源领域的新宠。21 世纪以来,世界各国加大对太阳能资源的开发利用,而我国的光伏产业在国家政策及产业发展的带动下发展迅猛 。但是目前高纯硅材料严重短缺与生产成本较高都限制了光伏产业的发展, 大尺寸超薄硅片切割技术成为缓解这一矛盾的重要途径之一。
切割钢丝是直径在70~200μm 的镀黄铜高碳钢丝,用来切割太阳能电池用的多晶硅以得到半导体晶片,以及切割水晶振子,为多晶硅生产中的一种耗材。作为特种钢丝,它集良好的稳定性、均匀性、高精度、高强度等众多特点于一身。高强度钢丝一般采用共析点附近的高碳钢作为生产原料,铅浴淬火后获得片层细小的索氏体组织。由于切割钢丝对原料组织及夹杂物控制有严格要求,目前钢丝原料多采用进口82B 盘条,其索氏体化率在90%左右。研究半成品钢丝在水箱拉丝过程中的加工硬化行为,分析抗拉强度随减面率、真应变的变化关系, 为生产高强度太阳能硅片切割钢丝提供参考依据。参考部分文献[4-8]中所提出的冷拉珠光体钢丝的加工硬化曲线或理论模型,对加工硬化曲线提出简单化计算模型。
目前针对切割钢丝的精细拉拔生产工艺的研究较少,而部分关键技术处于企业保密阶段, 因此研究高强度太阳能硅片切割钢丝有利于提高钢丝生产技术, 打破技术垄断,促进太阳能资源的开发利用。
2 实验材料及方法
实验材料分别为φ0.90mm 、φ0.98mm 镀铜钢丝,钢丝均采用φ5 . 5mm 神户制钢82B 盘条生产,其化学成分见表1所示,其生产过程为盘条→粗拉→热处理→中拉→热处理→镀铜→水箱拉丝。采用水箱拉丝机对半成品钢丝进行23 道次精细拉拔, φ0.90mm 钢丝拉拔后成品规格为φ0.120mm , φ0.98mm 钢丝拉拔成品为0.1322mm ,其总减面率分别为98.22%、98 . 18% 。对每一道次的钢丝进行取样,测量其抗拉强度,拉伸速度统一采用0.5mm/min o EV018 ZEISS 扫描电镜下观察拉伸断口形貌,观察韧窝分布,统计韧窝尺寸, 分析其加工硬化行为。
3 钢丝拉拔硬化
3.1 钢丝拉拔硬化
钢丝经过23 道次的精细拉拔过程,随着冷变形量的增大, 金属内部不断发生滑移,随着滑移的增加,晶格产生位错扭转,位错密度增加,且索氏体片层间距随变形量的增大而逐渐减小,钢丝抗拉强度逐渐增大。
图1 为两种规格钢丝在拉拔变形过程中抗拉强度随减面率的变化趋势。减面率通常用来反映钢丝或棒材变形程度,根据拉拔道次变形计算其减面率:
对φ0.90mm~ φ0.120mm 与φ0.98mm~φ0.1322 mm 两种钢丝生产工艺对比(见表2) 可以发现, 两种碎火后钢丝强度接近,但最终成品钢丝强度差异明显, φ0.120mm 钢丝抗拉强度达到3456MPa ,而φ0.1322mm 钢丝抗拉强度仅为3282MPa 。φ0.90mm~ 0.120mm 拉丝工艺前几道次变形程度较大,钢丝加工硬化明显,导致该工艺下第1 道次至第5 道次之间抗拉强度明显高于另一工艺制度。由于切割钢丝的拉拔道次较多,加工硬化行为出现叠加现象,导致钢丝强度增加明显,抗拉强度增长速度逐渐增大。φ0.90mm~ φ0.120mm 工艺下钢丝总减面率较大,较高的变形程度导致钢丝强度增加明显,成品钢丝强度达到3456MPa 。理论公式计算所得到的钢丝抗拉强度随镀铜钢丝直径的变化很小,但是较小的碎火后钢丝直径反映了钢丝在中拉过程中贮存较大的畸变能,热处理后获得更为细小的索氏体组织;同时,增大钢丝冷拔变形程度,减小成品钢丝直径,有利于进一步提高钢丝强度。
3.2 拉伸断口分析
拉伸后断口在扫描电镜下观察断口形貌,研究纤维区韧窝形貌。钢丝在冷拉拔变
形过程中发生强烈的加工硬化行为,强度与塑性均发生变化。在2000 倍下,第1 道次钢丝拉伸后断口可以看到明显的韧窝形貌,韧窝尺寸较大,钢丝纤维区起伏波动较大,在大型尺寸韧窝附件存在大量小尺寸韧窝,韧窝平均尺寸大小为4.0μm。随着拉拔道次的增加,断口纤维区韧窝数量逐渐减少,且韧窝尺寸明显减小,第16 道次拉伸断口韧窝尺寸约为1.0μm,当拉拔到第19道次时纤维区韧窝尺寸较小,无大尺寸韧窝。韧窝尺寸及形貌的变化反映了钢丝在精细拉拔过程中的塑性逐渐下降,而强度逐渐土升。
3.3 计算模型简单化处理
两种规格钢丝均经历23道次精细拉拔过程,影响成品切割钢丝性能的因素很多,包括总减面率、道次减面率、拉拔速度、拉丝模工作锥角度、润滑等方面 。要准确预测和确定冷拉后成品钢丝的抗拉强度比较困难,目前多采用K.π波捷姆金公式。
该公式主要考虑了铅浴碎火后钢丝抗拉强度、碳含量、总减面率、拉拔道次等因素的影响,其计算公式比较复杂。但是对于已有的拉拔钢丝原料,在其碳含量、镀铜钢丝强度确定的条件下,可以通过对强度变化曲线拟合,得出钢丝强度随应变量的简单化模型,见图3 。对于实际生产过程中调整钢丝拉拔变形工艺预测成品切割钢丝强度提供理论依据。
以拟合曲线表明,钢丝抗拉强度随真应变呈抛物线形式增长,应变量越大,钢丝加工硬化越明显。当ε<1. 5 时,抗拉强度增长速度相对缓慢,当ε> 1. 5 时,抗拉强度骤然增大,对公式求导(公式( 5)) ,可以看出钢丝拉拔过程中加工硬化率也逐渐增大,当应变程度较大时较小的应变增量,可以使钢丝强度明显增大。
利用抗拉强度强度拟合公式计算成品钢丝抗拉强度。如当改变成品钢丝直径至0.110mm 时,其真应变为4.0238 ,通过公式可以得出,抗拉强度增长到3697MPa ,这为实际生产调整工艺参数提供一定依据。
4 结论
(1)钢丝抗拉强度随减面率的增加而逐渐增大,减面率超过90%时,强度迅速增加,成品钢丝强度达到3450MPa 。
(2) 减小淬火后钢丝直径或增大冷拉拔变形程度有利于提高成品切割钢丝抗拉强度。
(3 )各道次钢丝拉伸断口纤维区韧窝尺寸与数量逐渐减小,表明钢丝在冷变形过程中抗拉强度逐渐增大,而塑性逐渐下降。
(4) 对成品钢丝抗拉强度计算模型简单化处理,钢丝强度与真应变呈二次抛物线形式,利于研究调整成品钢丝直径对其抗拉强度的影响关系。