CN100395048C - 采用连续管线成型技术制备多层金属复合粉芯线材的方法 - Google Patents

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Abstract

采用连续管线成型技术制备多层金属复合粉芯线材的方法属于材料加工工程中线材加工制备技术领域。目前前述的两种方法在制备过程中各自都存在着不足：前者虽然可以先后套进不同金属材料的套管再进行后期加工，但是其制备的长度有限，不能实现连续化生产，生产效率低下；后者在目前的粉芯线材成型设备上，虽然可以连续生产，但目前它仅能实现一层金属材料的包覆。本发明特征在于，利用粉芯线材成型设备，在实现对粉末进行一层金属材料的包覆之后，将此粉芯线材作为下一步的待装填线芯，继续包覆第二层金属，反复如此，以达到多层包覆的目的。本发明在现有的粉芯线材成型设备上，实现多层包覆粉芯线材的生产，并且能够不受生产长度的制约。

Description

采用连续管线成型技术制备多层金属复合粉芯线材的方法
技术领域
本发明涉及一种粉芯线材制备方法，属于材料加工工程中线材加工制备技术领域。
背景技术
粉芯线材由于其内填粉末外覆套管的结构，可以方便地利用外覆套管将成型困难的粉末包裹起来制备成粉芯线材，并可方便的调节粉末内各组分的百分含量，满足实际的需求。目前制作粉芯线材的方法主要有两种：粉末套管法和连续管线成型法。前者是把待填充粉末填充进一定长度的金属套管，之后封闭两端，再通过旋锻、拉伸等变形工艺获得粉芯线材；后者是利用连续管线成型设备，将待包覆的金属带材加工形变成为U型槽状，同时加入待装填粉末，之后令其机械闭合成为管状，再通过拉伸等变形工艺获得粉芯线材(如图1所示)。
随着工业的发展，多种粉芯线材的应用领域为得到综合性能更好的粉芯线材，对粉芯线材的包覆材料提出了新的要求——两层甚至更多层金属复合包覆。比如在超导领域，用Fe带包覆MgB2化合物非原位制备MgB2超导线材，Fe本身的热导性差容易造成超导线材失超，同样，如果用Fe包覆Mg粉和B粉原位制备MgB2超导线材，除存在上述问题之外，还有Fe和B粉发生反应生成Fe2B的情况，消耗了有效成分B粉，降低了超导物质MgB2的生成率，引入隔离层Nb和导热层Cu，却又缺乏刚性，需要继续包覆不锈钢层来弥补，但是报道中仅有采用粉末套管法包覆多层的案例，并没有通过连续管线成型设备来多层包覆的报道。在这样的要求下，前述的两种方法在制备过程中各自都存在着不足：前者虽然可以先后套进不同金属材料的套管再进行后期加工，但是其制备的长度有限，不能实现连续化生产，生产效率低下；后者在目前的粉芯线材成型设备上，虽然可以连续生产，但目前它仅能实现一层金属材料的包覆。这时候，就急需一种既能连续生产，又能实现多层包覆的粉芯线材生产方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是在现有的粉芯线材成型设备上，实现多层包覆粉芯线材的生产，并且能够不受生产长度的制约。
本发明提供的制备方法，其主要特征在于，利用粉芯线材成型设备，在实现对粉末进行一层金属材料的包覆之后，将此粉芯线材作为下一步的待装填线芯，继续包覆第二层金属，反复如此，以达到多层包覆的目的。
本发明所提供的这种采用连续管线成型技术制备多层金属复合粉芯线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)待装填线芯的制备
待包覆的金属材料要求先加工成为带材，然后通过轧辊发生系列形变，使其横截面变形获得U形金属槽，利用自动填粉系统，将粉末均匀填入槽内，再利用轧辊将U形槽开口机械闭合，采用搭接工艺使横截面达到σ形，以防止粉末的撒出，将上述线材在拉拔设备上减径至倒不出粉末为止，盘卷备用；
(2)待装填线芯的包覆
如图2所示，将待装填线芯卷放进线芯供给装置，并以角速度ω转动，保证其出线速度同外层包覆金属带的前进速度υ一致，一边供给，一边包覆，包覆完毕后减径至各金属包覆层之间不出现相互滑动为止，来得到复合包覆的粉芯线材；
最终线材要求达到更多层的复合包覆，则将上述步骤中制备出的粉芯线材继续作为待装填线芯，重复上述工艺，进行下一层金属的包覆，层层包覆，直至达到符合要求的包覆层数，其中最外层采用对接或搭接包覆，中间各层均采用对接包覆，以减少金属带过多占据横截面积的比例；
(3)拉拔减径
将多层金属复合粉芯线材在拉丝机上进行反复拉拔，道次变形量为5％～10％，直至得到需要直径尺寸的成型多层金属复合粉芯线材。
本发明利用上一工序做出的粉芯线材半成品作为下一工序的装填线芯，逐次增加金属包覆材料的层数，关键是：①待装填线芯需要适当减径，要以会导致各层金属带之间产生空隙，出现相对滑动，影响之后拉拔的效果。②待装填线芯的供给的角速度要与包覆金属的供给线速度保持一致，同步包覆。③多层金属复合粉芯线材的最内层包覆金属带应采用搭接工艺包覆，以防止粉末的撒出；最外层可根据需要采用对接或者搭接包覆；中间各层均采用对接包覆，以减少金属带过多占据横截面积的比例。
附图说明
图1：单层粉芯线材成型过程示意图
1、待包覆金属带横截面  2、粉芯坯
3、对接工艺包覆的线材横截面  4、搭接工艺包覆的线材横截面
5、减径完毕的线材横截面
图2：线芯供给装置供给过程示意图
6、待包覆金属带轧成的U形槽  7、待装填线芯
8、线芯供给装置
图3：实施例1中制备出的双层复合线材横截面光学显微镜照片
由内至外分别是MgB2芯、Fe层、Cu层
图4：实施例3中制备出的三层复合线材横截面光学显微镜照片
由内之外分别是MgB2芯、Nb层、Cu层、不锈钢层
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：为改善MgB2超导线材的热稳定性，将MgB2/Fe线材的包覆材料Fe带厚度减半，再包覆与现有厚度相近的Cu带，利用Cu的高导热性来弥补Fe导热性差的不足：将粒度为325目，纯度为98％的MgB2粉作为初始粉末，装入填粉系统。用1.0mm(宽)×0.3mm(厚)的Fe带作为包覆基带材料，运用搭接工艺，通过粉芯线材成型设备，得到Φ2mm的初始粉芯线材。将初始粉芯线材用拉丝机拉拔，得到Φ1.5mm的MgB2/Fe单层粉芯线材。继续采用1.0mm(宽)×0.4mm(厚)的Cu带作为第二层包覆基带材料，运用对接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备得到Φ3mm左右的双层金属复合粉芯线材，然后在拉丝机上拉拔得到Φ1.01mm的成型MgB2粉/Fe/Cu双层金属复合粉芯线材。退火后用光学显微镜观察复合线材径向截面形貌结果如图3所示。由于Cu的导热性能比Fe强5倍以上(Cu的导热系数为398W/m·K，Fe仅为69W/m·K)，因此本实施例较以往单纯使用Fe带作为包覆材料，可及时将热量导出，改善线材的热稳定性。
实施例2：在加工领域的表面喷涂工作中，使用的Al粉/Zn单层喷涂丝，由于Zn质地柔软，在使用中极易发生形变，给施工操作带来了困难。在原有的喷涂丝外侧再包覆一层不锈钢带，用这样的双层金属带结构来增强其刚性：将粒度为40目，纯度为99％的Al粉作为初始粉末，装入填粉系统。用1.0mm(宽)×0.3mm(厚)的Zn带作为包覆基带材料，运用搭接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备，得到Φ2mm初始粉芯线材；将此初始线材作为线芯，继续使用1.0mm(宽)×0.4mm(厚)的不锈钢带作为第二层金属包覆基带，运用对接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备得到Φ3mm左右的两层金属复合粉芯线材，然后在拉丝机上拉拔得到Φ2mm的成型Al粉/Zn/SS双层复合喷涂丝。此实施例中，不锈钢包覆材料的加入，给喷涂丝增加了支撑性能，方便施工操作。
实施例3：由于Fe包覆的Mg与B粉在退火过程中，B粉容易和包覆材料Fe发生反应生成Fe2B，消耗了有效成分B的数量，降低了MgB2的生成百分比，因此改用在退火温度下与Mg、B均不反应的Nb带作为隔离层，外面包覆Cu层加强线材的热稳定性，再包覆不锈钢层来增加线材的刚度，形成三层复合的MgB2超导线材：将粒度为325目，纯度为99.8％的Mg粉和非晶B粉作为初始粉末，装入填粉系统。用1.0mm(宽)×0.4mm(厚)的Nb带作为包覆基带材料，运用搭接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备得到Φ3mm左右的初始线材，并通过拉拔机减径得到Φ2mm单层初始粉芯线材；将初始粉芯线材作为线芯，继续使用1.0mm(宽)×0.4mm(厚)的Cu带作为包覆基带，运用对接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备得到Φ3mm左右的复合线材，然后在拉丝机上拉拔得到Φ2mm的双层金属复合线材。再将双层金属复合线材作为线芯，继续使用1.0mm(宽)×0.4mm(厚)的不锈钢带作为包覆基带，运用搭接工艺，通过多功能粉芯线材成型设备得到Φ3mm左右的三层金属复合线材，再在拉丝机上拉拔得到Φ1.31mm的成型混合粉末粉/Nb/Cu/不锈钢三层复合粉芯线材。烧结后用光学显微镜观察到的三层复合粉芯线材径向截面形貌结果如图4所示。此实施例所使用的各包覆基带材料，首先避免了B粉和包覆材料的反应(B与Fe可生成化合物Fe2B，但烧结温度下B与Nb不反应)，增加B粉的利用率；其次改善了线材的导热性能(Cu的导热系数较Fe高)；此外，不锈钢较Fe更高的弹性模量(不锈钢为2.1×105MPa，Fe为1.2×105MPa)也弥补了Nb和Cu的强度差的缺点，增强了复合线材的强度。因此，较以往单纯使用Fe带作为包覆材料而言，本实施例复合包覆材料提供了隔离、散热、刚性等方面的性能，这是单一包覆材料很难达到的。

Claims (1)

1.一种采用连续管线成型技术制备多层金属复合粉芯线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)待装填线芯的制备
待包覆的金属材料要求先加工成为带材，然后通过轧辊发生系列形变，使其横截面变形获得U形金属槽，利用自动填粉系统，将粉末均匀填入槽内，再利用轧辊将U形槽开口机械闭合，采用搭接工艺使横截面达到σ形，以防止粉末的撒出，将上述线材在拉拔设备上减径至倒不出粉末为止，盘卷备用；
(2)待装填线芯的包覆
将待装填线芯卷放进线芯供给装置，并以角速度ω转动，保证其出线速度同外层包覆金属带的前进速度υ一致，一边供给，一边包覆，包覆完毕后减径至各金属包覆层之间不出现相互滑动为止，来得到复合包覆的粉芯线材；
最终线材要求达到更多层的复合包覆，则将上述步骤中制备出的粉芯线材继续作为待装填线芯，重复上述工艺，进行下一层金属的包覆，层层包覆，直至达到符合要求的包覆层数，其中最外层采用对接或搭接包覆，中间各层均采用对接包覆，以减少金属带过多占据横截面积的比例；
(3)拉拔减径
将多层金属复合粉芯线材在拉丝机上进行反复拉拔，道次变形量为5％～10％，直至得到需要直径尺寸的成型多层金属复合粉芯线材。
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