非晶态合金装备及制带工1

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1、非晶态合金装备及制带工艺一、总则1. 什么是非晶态合金非晶态合金为 20 世纪 70 年代问世的一个新型材料领域，它的 制备技术完全不同于传统的方法，而是采用了冷却速度大约为每秒一 百万度的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成形，比一般冷轧 金属薄带制造工艺减少了许多中间工序，各道工序加热用的能耗可节 约 80%，既生产一公斤非晶态合金薄带比生产一公斤冷轧硅钢片可节 约一升石油。因此，这种新工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项 “革命”。由于超急冷凝固，合金凝固时，原子来不及有序排列，得 到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒，晶界存在谓之 非晶态合金。这类材料在微观结构上完全不同于

2、人类几千年来所认识和使用 的金属和合金，因而有一系列新的宏观特性和优异的使用性能，被称 为冶金材料学的一项“革命”。2. 非晶态合金在实际中的运用 由于成份和无序结构的特点，非晶态合金具有许多独特的性能。如； 优异的磁性，耐腐蚀性，耐磨性，高的强度，硬度和韧性，高的电阻 率和机电耦合系数，能获得高的，零的或负的磁致伸缩系数，电阻温 度系数，高的超导性，焊接特性等。由于非晶态合金性能优异，工艺 简单，适于快速大量生产和广泛应用所以成为80 年代国际材料科学 界的研究重点与新产品开发项目。我国从70 年代开始了非晶态合金 的研究开发工作，在“六五”期间就将非晶态合金课题列入国家“六 五”重大科技公

3、关项目。经过“六五”特别是“七五”科技攻关，对 各类非晶态合金做了大量的研发，开发工作，如铁基，钴基，铁镍基 合金等，已经形成了系列化，标准化。并在多方面开展了非晶态合金 的应用开发和推广工作，如；用于开关电源；脉冲变压器，磁头电源 变压器，磁放大器，电感器，钎焊料，催化剂，漏电保护器，增强纤 维，磁分离，磁屏蔽，传感器，电机等方面。在国防方面；已用于东 风，尖兵，867 工程，潜艇，鹰击，红旗，及多种雷达，为军工产品 小型化和提高质量做出了贡献。 二、非晶态合金装备的设计思路及发展方向1. 前期制带设备的研发之路1963 年美国加州理工学院杜威兹教授，首先采用急冷技术（冷却速度106C/S）

4、从金属溶滴得到了非晶态Au_Si合金。1967年，他又把离心技术应用于非晶态合金的制造中，后经；巴丁，陈鹤寿和 米勒等不断改进而完善，开创了应有的道路，非晶态合金得到了迅速 发展。能否形成非晶态合金，首先与材料的非晶态形成能力有密切关 系，这是形成非晶态合金的内因，此外，从金属熔体形成非晶态合金 的必要条件是要有足够快的冷却速度，已致使熔体在达到凝固温度 时，其内部原子还未来得及结晶（形核，长大），就被冻结在液体时 所处位置附近，从而形成无定型结构的固体，这是形成非晶态合金的外因。熔融金属急冷技术出现的初期，主要采用枪法，锤法等来制造 一些形状不规则的薄片，丝，带或粉末。2. 12 公斤喷带机

5、的生产应用1969年使用的单辊急冷石英管喷带机，实现了批量非晶态材料的生 产，这种方法是将合金放入石英管底部，调节石英管位置，使合金 处于感应圈中部，启动中频电源，利用感应加热熔化合金，启动铜 辊，调节其转速，而后用砂纸清洁辊面，降下石英管至所需高度， 开动压力气体推动合金至冷却辊面，由辊面甩出，调节压力，间隙， 便可得到连续的非晶合金条带。从最初的0.5 公斤到目前的 5 公斤 石英管喷带机3，现阶段制带设备研发之路随着电子电力非晶带材的广泛运用，降低成本，稳定质量。是急需 解决的首要任务。为适应市场需求，喷带设备首先是提高单产量， 从前期的生产单产量为50 公斤、100公斤。到如今的千吨、

6、万吨级。随着产量的提高。自动化程度是首要解决的任务，如：在线自动卷 取、自动测厚、间隙自动调节，温度自动调节等。现阶段制带设备 的研发重点是如何提高设备的自动化程度。三：非晶态合金带材的制备工艺1， 非晶态合金的制取机理（水冷铜辊）非晶合金制取的基本原理是急冷凝固，需满足冷却速度大于105-15兀，因此冷却体就必须在长时间浇注钢水的条件下、温度 不能不断升高，表面能保持恒定的光洁度和几何形状。冷却带的 移动速度按合金的不同应大于15-35M/S。目前公司所采用的是单 辊外圆法制取非晶态合金薄带，冷却辊采用内水冷却方式。用单 辊外圆法制取非晶态合金薄带的传热原理，熔融的非晶态合金从 喷嘴喷出、射

7、在以速度20-30M/S旋转的冷却辊上，形成熔潭、以 155106C/s的冷却速度在极短的时间（0.010.001S）和极小 的区域空间（沿冷却辊的长度方向30020mm）内，其温度从高 于合金熔化温度降至低于晶化温度，可以认为在此过程中放出的 热量全部通过冷却辊被流动着的冷却水带走。2， 熔体急冷法明白了非晶态合金的制取机理，我们再谈熔铸的方式，就目 前使用广泛的熔铸方式为日本人发明的“平面流”原理。是实现 工业化大规模生产的一种方式。为了形成有用的材料，所选定的 合金不仅必须要求冷却快、而且要求连续冷却，尤其熔铸系统必 须同时做到钢液温度的稳定，使合金的流动性保持稳定、排除或 避免熔渣混入

8、钢液。喷嘴口尺寸不能变大，喷嘴包液位高度恒定 辊嘴间隙必须可以控制和调节，根据实践经验，在冷却铜辊上方 铸带的方式中、计有三种方法；（1），单包法（即熔炼包、中间包 和喷嘴包合为一包）只适用于 50Kg 以下的生产。（2），双包法（即 只有熔炼包和喷嘴包）只适用于200Kg以下生产，铸带宽度小于 50mm,单熔量再大、或制带宽度再宽，将造成控制供钢速度以保持 恒定的困难、具不易实现底注出钢，造成熔渣的混入。（3），三包 法是大容量宽带生产必然采用的方法、在千吨级生产装置中、熔 炼为1000Kg固体中频感应炉电炉，附有操作灵便的封闭式炉盖、 可充氩气保护熔钢。中间包容量稍大于熔炼包。用电加热预热

9、到 1350C，用塞杆水口底注出钢，为便于制带操作和喷嘴包的更换、 中间包按一定轨道移动，从制带后面将感应炉的钢水送至喷嘴包 上，喷嘴包是铸带过程的关键部件、它必须保证钢液以“平面流” 方式稳定地流到冷却铜辊上。三包法的主要缺点是容易造成钢液 温度的丢失。3 单辊外圆法制带工艺 为大容量非晶宽带的稳定生产，要求设备必须能对主要操作工艺 参数稳定、精确、灵便的调节控制。主要操作工艺参数是：冷却 辊转速。钢水温度。喷嘴宽度。液位高度。辊嘴间距。在线收取 等。冷却辊转速；是喷带时的速度；它是随合金的不同而改变。并直接影响带材的厚度和质量。（2532M/S） 钢水温度；温度的稳定可使钢液的流动性保持稳

10、定，排除或避 免熔渣混入钢液。（1250C1400C）喷嘴宽度；是影响出钢量因素之一，主要起到控制带材宽度的 作用。在制带过程中应保持不变，如今的氮化硼喷嘴；在 200Kg钢水的冲刷下，其尺寸变化不大。（尺寸定位小于带材宽度10um）液位高度；是影响带材外观及密度的因素，在制带过程中钢水 液位高度保持一致，带材表面平整度较一致。包内液位高，内压 就高，制得的带材密度高。（高度250mm400mm）辊嘴间距；是控制带材厚度、外观质量的因素之一，由于高速 旋转的铜辊带动的风速不断地冲击熔潭、造成带材的气孔。所以 理论上是越小越好，由于钢液的粘性及机械的共振造成带材的破 裂，实际上是有界限的。（间隙

11、 2540um）在线收取；是大容量宽带喷制工艺的必要基础，小容量的喷制 可以堆积在地面、而宽带及大容量带材的喷制是无法完成的。在线收取由导向轮、剥离气体、抓取、负压吸附、组建张力、 在线测厚等组成。导向轮及剥离是使喷制的带材沿着所需的线路抛出、容易进行 抓取。负压吸附是使带材在负压的吸取下紧贴收取卷轮。组建张 力是使带材在卷轮上，收取有一定的张紧度。测厚装置是在喷带 过程中检测带材厚度，并进行在线调整。加上收取卷轮可以进行 前后行走，得以散除一定的温度，不致使带卷温度过高。四；非晶态合金在电子、电力领域的发展随着电子技术的不断发展、有源器件的进步，电子产品体积和 重量大为减少。这就推动了电子元器件向轻、薄、小的方向发展。 电子元器件的生产工艺面临一场巨大的变革，因而推广应用具有 高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的非晶纳米晶软磁合金 材料作用电子元器件，将大大促进电子元器件的小型化、满足电 子行业的发展需要。1，目前非晶态合金在电子、电力领域的发展方面如下：1，替 代极薄硅钢产品。2，高磁导率和大功率磁芯器件。3，工作环境 温度高和环境恶劣的电子产品。4，航空航天等军工产品用的各种 磁性器件。5，高频、大电流、大功率电源变压器，电抗器、滤波 器等器件的小型化。6，高精度精密互感器用磁芯。