单辊法2kg制带机制造非晶态合金窄带工艺方法探讨 Study of technology for made amorphous alloy strip using 2kg one roller machine 1前言 六十年代初，美国P.Duwe发明熔体快凝技术，最先研制出非晶态合金薄带，这一发明被称之为冶金工艺的一次革命。 获得非晶态合金薄带的工艺方法很多，主要有内圆淬火法{又称离心铸造法)，单辊法(又称外圆离心法)，双辊法(又称轧辊淬火法)，内圆淬火法圆筒的转速一般为5000-10000转/分，可得到的合金条带厚为5-50μm。用这种方法生产的条带两面冷却条件不同，质量也不同。此外也不易获得比较宽的条带。双辊法实际上类似一个小型二辊轧机，制造时把熔融的合金直接注入二个轧辊之间，经碾压而成条带。由于两面都冷却，因此带的尺寸、表面及内在质量的均匀性比单辊法好，但设备制造技术难度高。单辊法(见图1)用感应圈使合金在氩气保护下在坩埚内熔化，然后加大氩气气压将合金熔体流经喷嘴而形成射流喷向高速旋转的冷却辊上，冷凝成长为薄带。用这种方法生产的条带由于两面冷却条件不同，质量也可能不同，但却比较容易得到宽带。批量生产大多采用此法(如日本日立金属公司的周期式生产装置，美国联合公司的连续制带没备采用的都是单辊法)。 本文主要就单辊法2kg制带机制造非晶态合金窄带工艺方法作一初步探讨。 2单辊法2kg制带机技术参数及工艺特点 单辊法2kg制带机是我国自行设计制造的实验室用制带机，由沈阳摩擦片厂独家生产，制带宽度不超过20mm。近年来随着非晶态合金材料的广泛应用，许多厂家用其来生产(宽度≤l0mm)非晶窄带，并作为小型厂家主要生产设备被广泛应用。二十多年来，很据生产需要对2kg喷带机作了较大改进，制带机辊轮直径由过去的φ350×150改为φ450×200。辊轮材料由过去的铬青铜改成铬锆铜。辊轮电动机由过去的可控硅调速改为变频调速。感应加热线圈由过去的固定不动改为可上下移动（行程约为100mm），移动方式有手动和液动等。 2kg制带机主要技术参数： a、辊轮表面修整后：粗糙度为，径向跳动≤0.01mm，圆柱度≤0.02/150mm。 b、辊轮表面冷却方式：压力水内冷却，辊轮内加了防锈措施。 c、坩埚为Φ60mm×(400~450)mm石英管。氮化硼陶瓷喷嘴。 d、制带时喷铸温度一般为1300℃。 e、喷嘴与辊面间距控制在1.2~1.5mm。 f、喷射压力为0.5~2kg/cm2。 g、喷管与辊面的法线约成14度角。 h、辊面线速度一般为l0~35m/s。2kg喷带机急冷喷铸过程为：合金熔体通过喷嘴小孔射出的射流打在高速转动的铜辊面，在铜辊面形成熔潭，熔潭底部被铜辊面迅速冷却凝固，凝固层逐渐增厚至离开熔潭形成一定厚度的连续条带，当冷却速度达到106度/秒时条带形成非晶。熔潭的大小和形状决定了条带的几何尺寸与质量如熔谭过长则条带过厚，熔潭不稳则条带表面不光滑，甚至产生孔洞和毛刺。由于2kg喷带机熔潭是在喷嘴与辊面之间自由形成，受辊面转动气流变化和熔体喷射力变化(靠人工控制)。熔潭形状和大小在一定范围不规则变化，从而使条带沿长度方向厚薄不均，表面质量差，冷却速度变化大，非晶形成不完全，条带非晶化程度不高，磁性能下降。2kg喷带坩埚为石英管。喷嘴材料为氮化硼。多年生产实践证明喷嘴材料与结构，喷射孔形状、尺寸和精度等，将直接影响条带的尺寸、表面状况、性能、成本及生产规模。这就要求喷嘴材料对非晶熔体具有良好的化学稳定性，热稳定性，易研磨加工等。目前，使用的BN喷嘴在空气中，赤热状态下将被氧化成三氧化二硼(B2O3)，随温度的升高，反应越发剧烈，当温度超过1300℃左右B2O3将蒸发，尽管在N2、Ar气氛中，BN的工作温度可达2800℃，但在氧化气氛中，其稳定性差。由于BN喷嘴极易从空气中吸湿，产生水化作用，经水化作用的喷嘴生成H3BO3被吸附在喷嘴表面，受热时H3BO3分解成水蒸气，这些水蒸气和喷嘴气孔中吸附水急剧汽化、膨胀使喷嘴炸裂。喷嘴、石英管材料不同，热膨胀系数不同。为此，喷嘴与石英管粘结工艺很难掌握，控制不好，喷嘴与石英管烧结后配合松动，喷嘴脱落，产生漏钢，导致喷带失败，生产效率大大降低。 3新工艺特点 为克服2kg喷带机的一系列缺点，有人曾采用平板流技术和石英玻璃喷嘴用于单辊法2kg喷带机上，即在石英管下面接一小直径石英管，管底部开宽为l-1.5mm，长为带宽尺寸方口，方口高为3mm(见图2）。这样就使熔潭基本被限制在方口内，克服了因各种因素引起的熔潭不稳。方口高3mm主要起导流管作用，使熔潭形状规则，避免形成射流。这种工艺要求喷嘴与辊面间隙在0.3~35mm。喷铸气体压力恒定在0.03~0.035Mpa。熔体温度严格控制在1280~1350℃范围内。铜辊转速要求1800转/分。为此，石英坩埚内放有下端为球形的石英玻璃管，球形玻璃管与石英坩埚管应磨合搠虫，避免合金钢熔化后漏钢，上端管内放铂铑热电偶测量喷铸温度。并附一套复杂的辅助装置，石英管夹层内放打碎的要求非常纯净的母料，装料时就小心排放，母料不允许有尖角，否则加热时容易炸管。为此，放料时间长，喷一炉光准备工作装料就需40多分钟，生产效率低，要求操作者技术高。此外，要求辊面修整后： ①粗糙度高于 ②径向跳动≤0.005m 该工艺方法尽管克服了2kg喷带机老工艺许多缺点，使条带质量、断裂强度有所提高。然而对设备精度，母料纯净度要求苛刻。生产效率低，装料繁琐，只能用于实验室和科研，不适合用于批量生产。 为此，珠海市格润高科技有限公司充分利用其石英管制作技术，对石英喷咀作了许多改进试验，制成了一种特殊的石英喷咀：即在石英管下面接一方形实心石英块，块内开二个宽l~1.5mm，长为带宽尺寸方口，方口高2mm(见图3)。这样既使熔潭限制在二个方口内。保证不形成射流，又减少了影响熔潭的不利因素。而且熔融合金流量大大增加，一次喷二根带，既提高了产量，又减少杂质塞管的机会。这种工艺方法要求喷嘴与辊面间隙在1.2mm左右，喷射压力毋需恒定，铜辊转速不需太高，对辊面修整后的粗糙度、径向跳动要求不高（与老工艺基本相同)，这一工艺既克服了2kg喷带机老工艺许多缺点，条带质量条带非晶化程度、条带收得率、断裂强度有所提高，而对设备精度、母料纯净度要求不苛刻。适宜批量生产，生产效率提高一倍。制带成本也有所下降。 一年多来，格润公司依靠自身石英制造技术，不断改进石英喷咀，利用2kg喷带机制造非晶态合金窄带方面取得突破性进展，尤其是批量生产的4.5mm，铁基纳米晶窄带，不但对折不断，而且非晶化程度很高，用其制作的GRl005、GRl205、GRl505系列磁放大器饱和磁心，用本公司研制的LCl50型号(虚拟仪器)软磁材料交流B-H曲线测试仪测量，方形比达98％，Hc<30A/m，高频铁损低，μi高达15万，单匝电感量AL高达60μH。 用其制作共模电感，Bs高达1.4T，电感量高，一致性好；用其制作的尖峰仰制器(磁珠)，高频特性好，50KHZ下测量单匝电感量高达15μH。用新工艺方法喷制的1.5~4.5mm钴基非晶窄带，用其制作高频磁放大饱和磁心，参数接近西德VAC水平(见图4、图5)。 4结论 采用平板流技术，用石英喷咀代替BN喷咀用于单辊法2kg制带机制造非晶窄带，实践证明不但节约成本，增加产量，而且大大提高条带质量。为非晶窄带制造技术开创了一条新路，尽管此工艺尚有不完善处，但经进一步改进效果必定更明显。