CN100554488C - 一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺 - Google Patents

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Abstract

一种利用熔体浸渍法连续制备金属玻璃包覆金属丝复合材料的设备与工艺，属于非晶合金(金属玻璃)领域。本发明由真空系统、加热系统、冷却装置和牵引机构组成，其工艺特征为：将按照名义成分配好的合金先用电弧炉熔炼成均匀的母合金，然后将母合金和金属丝装在底部带有小孔的坩埚中，金属丝一端自内而外穿过坩埚小孔，在加热炉中重熔母合金并保温，然后通过牵引机构由电机带动下拉浸渍在熔体中的金属丝，使其表面均匀浸渍一层合金液，在穿过加热区后通过冷却介质快速冷却形成金属玻璃，最终获得具有较高强度与延伸率的金属玻璃包覆金属丝复合材料，适合于用作防弹衣，防撞头盔等用途。

Description

一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺
技术领域：
本发明属于非晶合金领域，特别涉及一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺。
背景技术：
金属玻璃(又称非晶合金)是指在固态下原子排列具有短程有序而长程无序，并在一定温度范围内保持这种状态相对稳定的金属合金。近十几年来，块体金属玻璃的发展更是其发展过程的一个里程碑，使得金属玻璃作为结构材料成为可能。
与传统晶体材料相比，块体金属玻璃具有较高的强度(～2GPa)、大的弹性极限(2％～3％)及良好的耐腐蚀性等突出优点。正是由于其独特性能，使得块体金属玻璃在体育用品、电子、医学及国防等领域得到了越来越广泛的应用(文献1，Mark Telford，Materials Today，Vol.3，2004，PP36)。
然而金属玻璃在室温承载失效时几乎没有塑性应变产生，表现为典型的脆性断裂方式，因而严重限制了其作为工程材料的应用。围绕块体金属玻璃室温塑性的改善，国内外开展了广泛的研究。近年来的研究发现，在块体金属玻璃组织中引入第二相可以改变剪切带的分布从而增加其室温塑性，获得综合力学性能较好的新材料。这种第二相可以是外加的，也可以是内生的(文献2，H.Choi-Yim，R.D.Conner，F.Szuecs and W.L.Johnson，Acta Materialia，Vol 50，2002，PP2737)。其中，钨丝增强锆基金属玻璃复合材料因其独特的性能而备受关注。Zr基块体金属玻璃在拉应力或压应力作用下，会发生有剪切力引起的剪切断裂，断裂面在最大切应力的作用面内，有很好的自锐性，用钨丝增强后，提高了强度和密度，达到了高密度、自锐性的特殊要求，可以用作穿甲材料。通过合理的界面和体积分数控制，目前已经制备的这类复合材料中最大压缩断裂强度高达2600MPa，塑性达到13.5％(文献3，M.L.Wang，G.L.Chen，X.Hui，Y.Zhang and Z.Y.Bai，Intermetallics，in press)。目前制备钨丝增强块体金属玻璃复合材料的主要方法是渗流铸造法(文献4，王美玲，惠希东，董伟，刘雄军，陈国良.钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料界面.中国有色金属学报，Vol.14，2004，PP1632)，然而受金属玻璃合金玻璃形成能力的影响，该方法只能制备一些较小尺寸和简单形状(棒状和板状)的试样，极大的限制了这类材料的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于开发一种短流程、适合于大规模工业生产、并能获得完全清洁复合界面的金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备与工艺。
一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备，由真空系统7、预热系统2、加热系统4、冷却系统5、牵引机构组成。其特征是牵引机构上下各设置了一个导轮，分别为放线轮1和收线轮6，两导轮竖直方向相切，且下部导轮与电机相连，可以将制备的丝直接缠绕起来，实现连续生产；冷却系统5紧置于坩埚3下部，保证包覆的合金液快速凝固形成金属玻璃。
采用本发明的工艺过程为：将按照名义成分配好的合金先用电弧炉熔炼成均匀的母合金，然后将母合金和金属丝装在底部带有小孔的坩埚中，金属丝一端自内而外穿过坩埚的小孔，在加热炉中重熔母合金并保温，然后通过牵引机构由电机带动下拉浸渍在熔体中的金属丝，使其表面均匀浸渍一层合金液，在穿过加热区后通过冷却介质快速冷却形成金属玻璃，最终获得具有较高强度与延伸率的金属玻璃包覆金属丝复合材料。
金属丝可以选用具有较高熔点及较高强度的钨丝，金属玻璃合金可以选用具有较强玻璃形成能力及较好力学性能的锆基合金体系。电机牵引拉丝速率为1-5mm/min，冷却装置的冷却速率为所吹氩气流速1-5m/s。
本发明的优点在于：
1.在牵引机构中采用上下双导轮装置，两导轮竖直方向相切，且下部导轮与电机相连，可以将制备的丝直接缠绕起来，实现连续大规模生产，达到短流程、节能降耗的目的。
2.加热载体置于高真空系统中，可获得结合完好、无夹杂完全清洁的复合界面，大大提高复合材料的质量、生产率和经济效益。
3.多种具有较强玻璃形成能力的金属玻璃合金体系及具有较高熔点及较高强度的金属丝都可以被选用，材料可选择性强。
附图说明
图1为本发明的设备示意图。
图2为采用本发明制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5金属玻璃包覆钨丝复合材料的宏观照片。
图3是采用本发明制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5金属玻璃包覆钨丝复合材料的X射线衍射图。
图4为采用本发明制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5金属玻璃包覆钨丝复合材料的横截面SEM照片。
具体实施方式：
实施例1：
将纯度大于99.99％的Zr、Ti、Cu、Ni及Be按名义成分配比在钛吸附的氩气氛中电弧熔炼，使之混合均匀，冷却得到铸锭。直径为200μm的钨丝经过矫直后在40％氢氟酸(HF)中浸泡，除去表面氧化膜，然后用超声波分别在丙酮和酒精中清洗。处理后的钨丝缠绕在牵引机构上部的导轮上，引出部分连同粉碎过的母合金被装入底部带有小孔的坩埚中，钨丝一端自内而外穿过坩埚的小孔，在加热炉中重熔母合金并保温，然后通过牵引机构由电机带动以V＝25mm/min的速率下拉浸渍在熔体中的金属丝，使其表面均匀浸渍一层合金液，在穿过加热区后通过氩气快速冷却形成金属玻璃，最终获得金属玻璃包覆钨丝复合材料，并且连续缠绕在下部导轮上。复合材料的宏观照片、X射线衍射图和横截面SEM照片分别如图2、3和4所示。
实施例2：
技术方案如实施例1，金属丝选用不锈钢丝，调节连续铸造拉丝速率V＝25mm/min，可获得高质量的连续铸造金属玻璃包覆钢丝复合材料。

Claims (2)

1.一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备，由真空系统(7)、预热系统(2)、加热系统(4)、冷却系统(5)、牵引机构组成，其特征是牵引机构上下各设置了一个导轮，分别为放线轮(1)和收线轮(6)，两导轮竖直方向相切，且下部导轮与电机相连，能将制备的丝直接缠绕起来，实现连续生产；冷却系统(5)紧置于坩埚(3)下部，保证包覆的合金液快速凝固形成金属玻璃。
2.一种金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备工艺，利用权利要求1所述金属玻璃包覆金属丝复合材料的连续制备设备，其特征在于是将按照名义成分配好的合金先用电弧炉熔炼成均匀的母合金，然后将母合金和金属丝装在底部带有小孔的坩埚中，金属丝一端自内而外穿过坩埚的小孔，在加热炉中重熔母合金并保温，然后通过牵引机构由电机带动下拉浸渍在熔体中的金属丝，使其表面均匀浸渍一层合金液，在穿过加热区后通过冷却介质快速冷却形成金属玻璃，最终获得具有较高强度与延伸率的金属玻璃包覆金属丝复合材料；金属丝选用钨丝，金属玻璃合金选用锆基合金；电机牵引拉丝速率为1-30mm/s，冷却系统的冷却是靠吹氩气冷却，所吹氩气流速为1-5m/s。
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