中国光伏行业金刚线用钨丝市场研究
目 录
第十章 钨丝金刚线的生产成本（特别放送）
第十一章 钨丝金刚线行业前景（特别放送）
第十二章 钨丝生产企业概览（特别放送）
第十三章 钨丝母线金刚丝市场格局预测（特别放送）
第十七章 主要光伏行业主要企业概览
附件：钨丝和光伏产业发展年谱简编
金刚线主要用于硬脆材料，如晶硅片、蓝宝石、金属陶瓷、磁性材料、硬质合金等切割加工。近十多年的发展至今，金刚线主要客户集中在光伏硅材料、蓝宝石行业，客户集中度高，而尤以光伏领域的硅片切割占比99%独具鳌头，不论单多晶硅片都主要应用于太阳能光伏行业，蓝宝石制品则主要是LED照明部件和消费类电子行业的窗口材料。
光伏产业链上游的硅棒截断、硅锭开方和硅片切割都是采用金刚线技术，因此金刚线的质量和切割效果直接影响硅片的质量、光伏组件的光电转换性能及生产成本，金刚线及硅片切割是光伏产业上游生产环节的重要工序。
1. 什么是金刚线？
1.1 概念
金刚线是金刚石切割线的简称，也称之为金刚丝、钻石切割线、钻石线（Diamond Wire, Diamond Thread Knife Cutter、Diamond Wire Saw）, 或根据行业和地域习惯不同称之为金刚线刀、金刚线锯、金刚石锯丝等。本文中我们用较为简单的金刚线称谓。
金刚线是将金刚石的微小颗粒采用树脂粘结和电镀的方式固定在高碳钢丝、钨丝或其他具有一定强度的基体母线上，能通过高速往返运动实现磨削切割功能的线（或丝）。金刚线的基体母丝是金刚砂的载体，切割功能主要是利用金刚石的超硬特性增加切割线的性能与效率，实现难以用传统切割方式实现的切割速度快、切割精度高、损耗低、成本低、效益好、节能环保功能。
0.55μm金刚线放大图
近年来，随着金刚线切割的特点和独特优势不断显现，工业制造领域中对硬脆材料的切割越来越多选用金刚线，尤其是价值较高的贵重石材、蓝宝石、新型陶瓷以及硅片切割等，在切割过程中线锯材料要承受高频率的往复运动和很大的张力，过多的断线或者过大的切割线直径都将造成不必要的巨额损耗，而金刚线可以有效减少这种情况，对光伏、LED、消费电子、精密光学仪器等行业的节能降本具有革命性的作用。
人造金刚石颗粒
1.2 金刚线直径
根据产品发展阶段不同、切割对象各异、加工工艺等不同因素，近年来各类应用金刚石切割线一般从450μm到38μm线径，有环形线、晶体硅开方线、晶体硅切片线、蓝宝石切片线等种类。用于光伏领域的硅片切割线是超精细碳钢丝制作的切割金刚线，直径都在100μm以下，目前主流最细的金刚丝母线一般在35um-55μm之间。
0.45-0.30μm 岱勒新材晶体硅开方线，金刚线图表取自岱勒新材官网
1.3 金刚石线锯切割形式
20世纪70年代提出用金刚石线锯切割脆性半导体材料工艺以来，金刚线锯历经几十年的生产应用与技术改进，锯切技术取得了长足的进步。发展至今，金刚石线锯的切割形式可以分为三种：绕线式、往复式和环形回转式。绕线式金刚石线锯切割时，锯丝从一个导轮绕到另一个导轮上，可实现较高速的切割；往复式金刚石线锯可对被切工件进行曲面的切割；环形回转式金刚石线锯是通过将锯丝焊接成环形进行切割，其使用寿命较长，切割速度较快。
1.4 环形金刚线
环形金刚线主要用于晶硅截断、贵重石材切割、半导体切割等。环形金刚石线锯既可以精密切割硅晶体等硬脆材料，也可以对此类材料进行成型加工。和上一代线锯游离磨料切割方式比较，特别是在宝石、水晶、大尺寸硅晶体等贵重硬脆材料的切割方面，环形金刚石线锯有切片薄、效率高、加工表面损伤小、节约材料等优点。
以岱勒新材的环形金刚线为例，其主要特点是（1）表面处粗糙度达0.3μm，（2）线速可达40-60m/s，（3）200刀-400刀线耗，（4）操作简单，换线容易，较之其它速度可以提升2-4倍。
φ0.65-φ0.45规格环形金刚线
蓝宝石切割技术过程是往复重复切割的过程，一般使用多线锯切割，这样就要求线锯时时换向，且换向（掉头）会产生一定的错位发生，这样就使线速度降低，加工效率降低；同时换线换向时产生的偏差错位产生的痕迹会影响切片表面质量。环形线锯则是解决这一问题的较好方案。环形金刚石线锯有助于减少锯丝的振动，具有切割厚度薄、切割表面粗糙度低、切割效率高且耐用的优势，可以提高晶片表面的质量。
光伏发电产业在双碳背景下快速发展带动了晶硅等硬脆材料的爆炸式需求，随着硅材料价格不断升高，减少切割损耗、增加出片率等需求增加，金刚石线锯丝制作技术和机床制造技术同步提高。线锯机床的锯丝切割运动方式分为很多形式，其中绕线式的绕线长度较长，可切割多片晶体，在收放轮之间绕线长度可达30km以上，能够实现长时间不换向高速高效切割。
环形金刚线
2. 金刚线有哪些种类？
2.1 以金刚石涂覆工艺划分
2.1.1 电镀金刚石线（Electroplated Diamond Wire）
目前主流的金刚线锯切割主要是采用电镀方法生产的。电镀金刚线采用复合电镀的方法将高硬、高耐磨性的金刚石微粉固结在钢丝基体上，而制成固结磨料金刚石锯线。切割效率高、锯切力小、锯缝整齐、切面光整、环境污染小。
生产电镀金刚线的基本材料是金刚石细粉、微粉颗粒、基体母线，其他辅助原材料则需要镍、氨基磺酸镍、硼酸等化学品等。基体母线早期一般采用碳钢丝、琴钢丝等强度较高的金属母线，将该选定的基体母线适量镀铜处理后成为备用黄丝进行电镀涂覆金刚石微粉就是金刚丝制造的基本原理。
金刚丝是近年来我国优势产业高速发展的例证之一，我们回溯研究金刚线短暂历程的时候，不仅要感叹仅仅几年前我们所制定的有关金刚丝国家标准（《JB/T 12543-2015 超硬材料制品 电镀金刚石线》）的很多指标今天看来已经远远被抛下，同时我们也感叹就再2015年前后，我国的硅晶生产一线头部企业已经开始在金刚线基体母丝材料本体上下功夫，研究和试制采用强度更高，可以实现更细线径的钨丝作为金刚线母线了。
尽管上游产业链有所不同，钨丝和碳钢丝制造电镀金刚石线的制造工艺基本相同，至少是在母线预处理阶段，清洗和碱煮母线不尽相同，但涂覆方式都是通过电镀（镍、铜等）金属镀层把金刚石固结在钢线上，镀层和钢线表面产生冶金结合，其固结强度远高于树脂固化金刚线的机械包裹强度，电镀金刚石线产业化之后其制造成本快速降低，在硅晶切割方面规模化效应凸显，之后MCCE技术（多晶金属催化化学腐蚀法制绒工艺，Metal-catalyzed Chemical Etching，简称MCCE，也称金属催化化学腐蚀法，即湿法黑硅技术）成功解决了多晶电池表面反射率高的难题，为电镀金刚石线在多晶切片领域大面积推广铺平了道路。
电镀金刚石线的制备流程，图源：招商证券《金刚线行业深度报告》
我们详细解读电镀金刚线的国家标准内容得知，电镀金刚线的主要性能是破断力、出刃率、出刃高度、自由圈径、翘头高度等技术要素。具体内容详见本章后面的附件《JB/T 12543-2015 超硬材料制品 电镀金刚石线》。
2.1.2 树脂金刚石线
树脂金刚石线是先将液态树脂和金刚石粉末均匀搅拌混合，在均匀附着于钢线上，最后经过特殊技术烘烤制成。采用树脂结合剂将金刚石磨粒固结于钢丝表面而形成的固结磨料锯丝切割工艺简单、生产成本低、切割效率高；但是树脂金刚石线切割硅片时容易产生树脂脱皮和金刚石脱落，造成断线和硅片划伤，还可能影响后续制绒工艺。
金刚石微粉
2.2 以金刚线母线材质分类
在金刚线切割过程中，金刚线母线要承担90%以上的抗拉强度，断线率也就主要取决于金刚线母丝基体强度，因此母线的选择对于金刚石线的质量与性能来说至关重要。
2.2.1 碳钢丝金刚线
碳钢丝金刚线又称为碳钢基金刚线，是一种以高碳钢丝为母线的金刚石线，是目前在光伏行业中应用最多的一种金刚线，线径在φ45μm左右。具有高强度、大硬度、良好切削性能、高的弹性极限和疲劳极限的优点，但因碳钢丝母线切割能力与效率欠佳，在生产过程中，高碳钢丝镀层很容易发生破损情况，且破损位置会发生电化学反应产生铁的氧化物，会进一步降低金刚线的质量。一般情况下，为了确保金刚线强度，碳钢丝作为母线的金刚线的直径较大，使得被切割材料损失较大，且易出现划痕和破碎。
碳钢丝金刚线
针对上述的不足，有生产商已使用钨丝替代碳钢母线来制作金刚线，这在很大程度上解决了细线化的问题及提升了成品的综合性能。但是，钨丝最终能否全面取代碳钢丝，仍需要后续在市场大量应用后验证。这其中其需要解决的核心问题就包括钨丝的成本问题，目前钨丝的价格是碳钢丝的4-5倍左右，在钨丝强度和使用寿命等不能有较大提升的情况下，钨丝替代碳钢丝将严重压缩生产企业的盈利空间。
碳钢丝
2.2.2 钨丝金刚线
钨丝金刚线，钨丝金刚石切割线或钨基金刚线，是一种以纯钨丝或掺杂钨丝为母线的金刚线，是由纯钨丝或掺杂钨丝、预镀镍层、上砂镍层和固砂镍层所组成的一种切割线，英文名为Tungsten Diamond Wire, Tungsten Diamond Wire Saw, Tungsten Fund Steel Wire，因具有出色的切割效果，而广泛应用于线材切割行业。注意：在实际生产过程中，大多是用掺杂钨丝来作为母线，主要是归因于它的整体性能比纯钨丝的更好。
过去两年光伏硅料价格大涨是的节省硅材料消耗，增加出片率成为提升产业效率和效益的主要思路，因此倒逼硅片厂向更细线径的金刚线寻求突破，降低切割过程中的硅料损耗，细线化是金刚线行业这两年发展的主流趋势。
钨丝在强度方面具备的天然优势，在生产技术方面几十年的积累，以及我国在钨资源和钨丝产能方面的巨大优势使得钨丝母线成为金刚线线径细化的方向，也称为最佳的替代材料，可以预见钨丝将快速成为下一代金刚线母线基材。
从2015年开始使用钨丝直到2021年才有了突破，今年以来，量产金刚线基体母丝钨丝线径已经突破了30um-35um。钨丝替代碳钢丝的成本也将随之大幅降低，使得钨丝应用产业化成为现实。由于金刚线新应用的催生，国内钨丝产销量快速串升至：2022年1-6月份国内钨丝产销量同比增长了50%以上，我国的钨丝加工产能开工率提升到90%。
招商证券预计2022年钨基金钢线的渗透率有望达到15%，2025年提升至70%。假设产能扩张后钨丝的售价由45元/公里下降至35元/公里，2025年光伏领域的钨丝市场空间约96亿元，年复合增速126%，未来4年需求增长达十倍以上；预计2022年底钨丝金刚线性价比初现，钨丝金刚线将在2023年进入产品升级和需求高速增长的黄金发展期，钨丝母线企业将获得难得的高速增长的机遇。当然钨丝替代碳钢丝主要动因是效费比，将受制于硅料硅片价格、碳钢丝成本、钨丝成本三者综合性能比较。
金刚线
3. 金刚线有哪些优点？
4. 金刚线主要有哪些用途？
5. 金刚线的发展历程
6. 金刚线的发展前景
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注释：
金刚线
梵语vajra-su^tra。密教中，灌顶时授与受者之丝线，或修法坛（曼荼罗）上金刚橛（坛上四隅所立之柱）间的张索，称为金刚线。由五色丝搓合而成，并在两线头之结合处作三个金刚结，故有此称。广义而言，金刚线泛指以上两者；若严格区分，则前者称为金刚线、护身线、神线，后者称为坛线。
五色即白、赤、黄、青、黑等色，分别代表五佛中之大日佛、宝幢佛、华开敷佛、无量寿佛、鼓音佛的五智；又表示以信、进、念、定、慧等五法贯摄一切教门。据大日经疏卷五载，当挑选上好之丝作金刚线，先用香水洗净，再由清净之童女搓合之，其次，依五佛之真言次第加持一色，最后以成办诸事之真言总加持之。又曼荼罗上所用之线，造法亦同。［大日经具缘品、金刚顶瑜伽中略出念诵经卷四、陀罗尼集经卷四、大日经疏卷十五］
金刚线
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