[发明专利]合金快速凝固设备及利用该设备进行合金快速凝固的方法

说明书

技术领域

本发明涉及使熔融金属合金快速凝固的冶金设备技术领域，尤其涉及一种合金快速凝固设备以及利用该设备进行合金快速凝固的方法。

背景技术

金属合金的制造工艺通常包括组分配比、熔炼、凝固、热处理等过程。具体而言，包括将两种或更多种的金属(如铁、铜、镍等)和非金属(如碳、硼)等元素按照一定成分配比，在高温下熔化成液态，再经过自然或强制降温过程，凝固成块状或其它形状的制品。其中，凝固是指金属合金由液态向固态转变，是一种相变过程。在多数情况下，金属凝固是晶体或晶粒的生成和长大的过程。另外，金属凝固过程还伴随着体积变化、气体脱溶和元素偏析等现象，故该过程不但决定合金的结构、组织和性能，而且还影响后期的塑性加工和热处理。

为便于制造各类不同形状的电子或机械元件，除铸造等少数工艺外，大部分块体金属首先要粉碎成颗粒、条带或薄片等形状，再经过烧结或粘结等过程成型，最后加工成为所需的电子或机械元件。关于将大块金属破碎成颗粒的方法，早期采用简单的机械破碎法，但这种方法带来的残余应力很大，而且很难保证粒度均匀；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)，可获得慢冷过程无法制备的非晶态金属，该类材料在电磁性能和机械性能方面显著不同与晶态金属。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。

按照抗氧化能力的不同，合金的熔炼选择在空气、惰性气氛保护或真空中进行，如铜合金或镍合金可以在空气中，而稀土合金、镁合金等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。

专利号为ZL92105431.9的中国发明专利《真空快淬炉》公开了一种带冷却辊的制造金属粉末的装置。它包含真空壳体、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，炉壳分为固定和可移动的两部分。

专利号为ZL200810060511.7的中国发明专利《一种各向异性复相稀土永磁快淬带的制备方法》公开了一种各向异性复相稀土永磁快淬带的制备方法，在辊面形成一层具有(0002)面织构的钴或钴的固溶体，复相稀土永磁材料的硬磁相R₂T₁₄M在快淬凝固过程中易磁化轴取向受到具有织构辊面的诱导。

公开号为CN101722311A的中国发明专利《感应溢流快淬法与设备》公开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。

公开号为CN1517659A的中国发明专利《真空熔炼速凝炉》公开了一种用于生产钕铁硼稀土永磁合金材料及稀土储氢合金材料的真空熔炼速凝炉，包括真空系统、真空炉壳、感应加热器线圈、坩埚、中间包和转轮，其特征在于真空炉壳内的转轮侧面设有滚筒，滚筒外壁包覆冷却装置。

上述专利所涉及的设备或工艺，均是将熔融的合金液喷射或倾倒于冷却辊进行快速凝固，合金液的喷射压力、倾倒速度，以及冷却辊的线速度等参数可以调节。

需指出的是，熔融状态的合金液温度很高，例如铁基合金熔点在1500度左右，接触冷却辊的瞬间即放出巨大的热量。快速凝固合金质量的关键参数之一为冷却速度，其与合金液温度、合金液到冷却辊的距离、冷却辊表面温度、冷却辊旋转速度、合金液浇注速度等因素密切相关。其中，前几项因素容易控制，如可通过热电偶或红外测温仪检测将合金液温度保持在熔点附近；可通过不同结构和尺寸的中间包调整合金液到冷却辊的距离，；可由通入的冷却水温度调节冷却辊表面温度；可通过与之相连的旋转电机调节冷却辊旋转速度等。但是，要准确控制合金液浇注速度却很困难。