[发明专利]一种连续真空快淬设备及利用该设备进行金属快淬的方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种连续真空快淬设备及利用该设备进行金属快淬的方法。

背景技术

为便于使用，由矿石冶炼而成的大块金属，通常首先要粉碎成颗粒、条带或薄片等形状，再经过烧结或粘结等粉末冶金过程成型，最后加工成为机械电子设备的零部件。

将大块金属破碎成颗粒的方法早期是简单的机械破碎，但这种方法带来的残余应力很大。后来发展了加钢球和液态介质的球磨、利用高压气流使得物料互相撞击的气流磨、针对某些稀土合金的吸氢破碎等方法。其中，采用熔体快淬技术将熔融状态的合金液喷射到水冷的旋转轮盘上，可以很容易地获得颗粒、条带或薄片等形状的合金。而且，由于这种方法具有极高的冷却速度（每秒约一百万度），可获得自然慢冷过程不可能得到的非晶态金属，该类材料在电磁性能和机械性能方面显著不同于晶态金属。根据成分和用途的不同，可以用熔体快淬法制造的功能材料主要有：作为永磁材料的含钕或镨的稀土合金、作为热电材料的铋系合金、作为开关触头材料的铜铬合金、作为软磁材料的铁镍合金、作为结构材料的镁合金等。

采用熔体快淬技术将金属材料制成颗粒、条带或薄片状等的设备简称为快淬设备，包括熔炼、浇注与快淬三个步骤。

按照抗氧化能力的不同，合金的熔炼可在空气、惰性气氛保护或真空中进行，如铜合金或镍合金就可以在空气中，而稀土合金、镁合金等就必须在真空或惰性气氛保护的熔炼炉中。除合金成分以外，冷却轮盘的旋转速度、合金液流的流速等工艺参数，均会影响合金粉末的形态及性能。

按照熔炼合金方式的不同，熔炼装置可分为电弧式和感应式两种。由于合金感应熔炼时会形成涡流，对熔融状态的合金液起到搅拌的作用，而电弧放电每次只能融化局部的合金。故与比电弧式熔炼相比，采用感应式熔炼制得的合金更加均匀，不容易产生成分偏析。因此除小型熔炼炉外，大部分熔炼装置都采用了感应加热的形式。专利号为ZL92105431.9的中国发明专利《真空快淬炉》披露了一种带冷却辊的制造金属粉末的装置。它包含有真空壳体、熔炼炉、喷嘴包、喷嘴、快淬辊，以及用于移动喷嘴包以及调节喷嘴与快淬辊之间间距的喷嘴包移动和控制机构，炉壳分为固定的和可移动的两部分。

按照合金液浇注方式的不同，快淬设备可分为溢流式和喷射式两种。如公开号为CN101722311A的中国发明专利《感应溢流快淬法与设备》披露了一种用于生产快淬钕铁硼磁粉的感应溢流快淬方法与设备，采用中频感应加热，将原料或钕铁硼合金锭熔化成合金液，然后以一定的速度倾倒在一个特殊设计的中间包内，合金通过中间包的溢流口至一个高速旋转的水冷钼轮或铜轮上，快速冷却形成钕铁硼快淬薄带。这种浇注方式最大的问题在于，合金液与冷却辊是面接触。由于合金液表面张力的存在，合金液面总有某一局部呈现突起或凹陷的弧型，即合金液流的横截面并不平整。这样经过快淬辊冷却后，仅从外观看合金条带就薄厚不一，而且合金条带各处由于冷却效果不同，性能并不一致。而喷射式就不存在该问题，从孔口喷射出的合金液与冷却辊的接触面仅为一个小点。一般地，喷射孔越小，合金条带的均匀性越好。

目前，投入应用的感应喷射式快淬设备绝大部分都是实验室用的小型快淬炉，而适合批量制造的大型快淬炉少见报道，其存在的最大问题在于喷射孔容易堵塞。主要原因是采用感应加热方式时，理想的被加热坩埚外径应与加热线圈内径基本相当。而坩埚底部喷射孔的直径通常只有约1毫米，如果增大孔径会加大合金液流量，但是热容量却过大，导致冷却辊来不及快速冷却。因此，大型快淬炉中处于狭长孔道内的合金液和加热线圈的匹配性不佳，当坩埚直径越大越是如此。另外，如果合金液没有被加热到足够的温度，其流动性就很差，难以通过狭长的喷射孔道。

对此，人们采用了一些办法。如公开号为CN102205417A的中国发明专利《一种快淬合金的制造方法及设备》披露了一种可制造快淬合金的制造方法及设备，主要特点在于合金熔炼和快淬分别在两个独立的环境下进行，两个环境的压力可以独立控制。这种方法试图用加压的方式帮助喷射熔体，但并没有解决以上喷射孔处的合金液因与加热线圈匹配性差的问题，仍可能发生喷射孔堵塞。

另外，小型快淬炉也存在如下不足之处：（1）炉腔从常压达到高真空往往需要较长的时间，当腔内容积较大时，需要的时间则更长；（2）快淬后喷射出的合金仍留在炉腔内，必须打开炉门方能取出产品；另外，一次工作后，须打开炉门，手工重新装载坩埚，然后关炉门、抽真空后再次工作，如此循环，极大限制了真空快淬设备的连续工作能力，降低了生产效率。

发明内容