CN103846399A - 一种用于生产非晶合金箔片的制造设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于生产非晶合金箔片的制造设备及其方法，即提供工业规模量产方式生产厚非晶金属带材（厚非晶质合金箔带）的制造方法及非晶金属带材（非晶质合金箔带）的制造方法。此技术对50％以上的结晶质材料的结晶粒控制的应用也是可能的。有关非晶质合金箔带的制造装置、采用在内部形成流水回路的冷却轮、冷却液的供给装置、冷却轮的駆动装置、冷却轮外周的热液供给装置等构成。冷却轮的流水路径采用同心等距离复数的圆周配置方法。

Description

一种用于生产非晶合金箔片的制造设备及其方法

技术领域

本发明涉及非晶合金箔片的制造设备及其方法，特别是有关拥有水冷制冷冷却辊的非晶合金箔片的制造设备及其方法。

背景技术

铁基非晶合金材料作为低损失变压器，马达的铁心材料被广泛研究。虽然其实用化技术也有了一些进展，但作为变压器的叠片铁心材料还没有实际的研究报告。当然，用于马达材料的实际运用还有很大的差距。还只停留在对厚度小于30微米的箔片进行一些改进而已。

如果比较厚的箔片制造能够降低生产成本，作为叠片铁心或者马达材料的应用就能变为可能。提高箔片厚度，不仅能提高叠片铁心变压器的生产效率，而且能改善变压器的占积率，并减低电力损失。也就是说，提高箔片厚度，能使铁心的尺寸变小，铜线的匝数减少，整个变压器的重量得以减轻。提高箔片厚度，不仅仅能减少电力损失，还能增加机械强度。以致可以满足高速旋转马达所要求的离心力可耐强度。

作为非晶合金箔片的制造方法，一般比较常用的是，让由高热传导系数金属或者是合金材料构成的冷却辊进行高速旋转，喷注合金熔液到冷却辊的外周表面，使得合金熔液得以急速冷却凝固。此方法也就是所谓的冷却辊合金熔液急速冷却法。合金熔液的热能被急速转移到冷却辊上，使合金熔液在结晶前，以非晶形态得到凝固。此方法在生产过程中，合金熔液的热能会使冷却辊的温度不断上升，使来自合金熔液的热能和由冷却辊排出的热量相等得而到平衡。在这种平衡下，如果冷却辊平均温度低于合金熔液急冷形成非晶温度，那么非晶合金箔片就能得到连续生存；但如果冷却辊表面温度高于合金熔液急冷形成非晶温度，那么非晶合金箔片只能在有限的时间内得以生产。这个平衡状态下的冷却辊平均温度是由该冷却辊的排热特性所决定。

另一方面，要使合金熔液急冷以非晶形态凝固而所需冷却辊平均温度跟所要生产的箔片厚度也有依存关系。箔片厚度越厚，要使箔片全体得到急速冷却就会变得困难，冷却辊的平均温度就需要降低。所以，可制造的非晶合金箔片的厚度跟冷却辊的排热性能有很大的影响。在这种情况下，水冷冷却辊要比非水冷冷却辊排热能力高，对非晶合金箔片的连续性生产比较适合。但是，即使使用水冷冷却辊，非晶合金箔片的工业量产还只停留在30微米以下的水平。

现有技术文献

专利文献1：日本特开昭60-108144号公报

专利文献2：日本特公昭60-051933号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够工业生产高厚度非晶合金箔片的专用设备及其非晶合金箔片的制造方法。

本发明的技术方案是：

1。提供一种用于生产非晶合金箔片的制造设备，其包括：内部有水流通道的冷却辊；向所述水流通道注入冷却液体的冷却液体提供装置；使所述冷却辊旋转的驱动装置；向所述冷却辊的辊面上喷注合金熔液的熔液提供装置，所述水流通道是设置在以所述冷却辊的旋转轴为中心的相隔距离等同的多个同心圆周面上，沿着多个同心圆周方向排列，或者是贯通所述冷却辊侧面的水流通道。

2。提供一种用于生产高厚度非晶合金箔片的制造方法：从冷却辊的侧面向设置在该冷却辊的旋转轴为中心相隔距离相同的多个同心圆周面上的多数群的水流通道里注入冷却液体，使该冷却辊高速旋状，再向冷却辊外周表面喷注合金熔液。

附图说明

图1是实施方式1的非晶合金箔片的制造设备的斜视图

图2（a）和（b）是实施方式1的非晶合金箔片的制造设备的冷却辊的剖视图

图3（a）和（b）是实施方式1的变化方式中的冷却辊剖视图

图4（a）是实施方式2的非晶合金箔片的制造设备的模式侧面图。（b）是（a）A-A’线处所示剖视图，（c）是（a）B-B’线处所示剖视图。

图5是实施方式3的非晶合金箔片的制造设备3的侧面图。

图6（a）是实施方式4的非晶合金箔片的制造设备的冷却辊的侧面图。（b）是冷却辊及其周围的剖视图，（c）是冷却辊的侧面图。

图7是实施方式4的变化方式中的冷却辊侧面图。

图8是实施方式5的非晶合金箔片的制造设备侧面图。

图9是图8中合金熔液和水冷冷却辊接触部的剖视图。

图10是本发明另一个实施方式的示意图，图中箭头表示冷却水的流动方向。

具体实施方式

下面具体结合实施例和附图进一步详述本发明。

实施例1

如图1所示，在本发明的非晶合金箔片的制造设备1中，备有冷却辊11，向冷却辊内注入冷却水的冷却设备12，使冷却辊11旋转的驱动部13，向冷却辊11的外周面11a喷注合金熔液的熔液提供部14。熔液提供部14由保持熔液A的坩埚15，坩埚15的底部有使熔液向下方喷出的喷嘴16构成。喷嘴16和冷却辊11上方的外周面11a之间仅有很小的缝隙。本设备是制造非晶合金箔片S的设备。这里的所谓非晶合金，是指体积百分比达到50%以上的非晶体，其余部分是以非晶体为母相，纳米结晶分散在其中。

另外，即使是有50%以上的结晶，为了控制结晶粒大小，或者是控制急速冷却后的材料的温度，本装置及本方法都可以运用。

如图2所示，冷却辊11内部由水流通道21a和21b构成。水流通道21a和21b是以冷却辊旋转中心C为起点，设置在互相之间相隔距离等同的同心圆周面上。更具体地说，水流通道21a是在沿着离旋转中心C距离Ra的圆周面上，水流通道21b是在沿着离旋转中心C距离Rb的圆周面上。Rb小于Ra。也就是说，水流通道21a是在外侧，而水流通道21b则是在内侧。在本实施例中，水流通道21a和水流通道21b是由1根通道构成。从旋转中心C看，水流通道21a和水流通道21b相隔一定距离，互相重叠在一起，有着相同的排列周期和位相。

上所述冷却辊可用以下方法制作。

首先，准备圆柱形材料26，其内部是空心也可。在圆柱形材料26外周面26a处，沿着圆周方向切出复数根互相平行的沟槽26b。然后再准备内部环状材料27。环状材料27的内径比圆柱形材料26的外径稍小，内部环状材料27的外周面27a处沿着圆周方向切出复数根互相平行的沟槽27b。随后对圆柱形材料26和内部环状材料27进行热压配合。再准备外部环状材料28，其内径比内部环状材料27的外径稍小，其外周面28a处则是平滑的，没有沟槽。最后对外部环状材料28和内部环状材料27进行热压配合后，就能完成制作本实施例的冷却辊。

如上述方法所制冷却辊，圆柱形材料26的沟槽26b构成内侧的水流通道21b，内部环状材料27的外周面沟槽27b构成外侧的水流通道21a。圆柱形材料26的外圆周面26a相当于假想圆周面22b，内部环状材料27的外圆周面27a相当于圆周面22a，外部环状材料28的外圆周面28a则构成冷却辊的外圆周面11a。圆柱形材料26和内部环状材料27一般採用有热传导系数的纯铜材料，而外部环状材料28则推荐使用高硬度且具热传导系数的铜合金材料，例如铍铜，铬锆铜。各个部分的材料并不仅限以此，圆柱形材料26和内部环状材料27採用不同材料也可。

本发明的冷却辊，其圆柱形材料26的外周面加上内部环状材料27，外部环状材料28的厚度大于25mm。例如，制造比较薄的，其厚度小于30微米的非晶合金箔片S时，外部环状材料28的厚度在10mm左右，而如要制作50微米较厚的非晶合金箔片S时，外部环状材料28的厚度在20-30mm左右。另外，上述沟槽26b，27b的内面处，再制作微细沟槽以增加和冷却水接触的表面积，更加提高冷却辊的冷却性能。

其次，将对用上述设备构成来制作非晶合金箔片S的方法加以说明。先在坩埚15内合金材料熔液A。熔液A，例如是含有锡的铁基合金。锡的浓度，例如0.01—1质量%，或者0.1—0.5质量%。作为锡的替代，也可加入硫。其含量为0.003—1质量%。另为，同时添加锡和硫也可以。由冷却液体提供装置12向冷却辊11的水流通道21a，21b注入冷却水W，同时驱动冷却辊11高速旋转。在这个状态下，从喷嘴16对着冷却辊11外周面11a喷出熔液A。

这个时候，冷却辊11外周面11a和喷嘴16之间形成扁平状的液滴（Paddle），这个扁平状的液滴（Paddle）沿着冷却辊11旋转方向，从喷嘴拖拉出来，并被冷却辊11急速冷却以非晶的形态凝固下来。用这样的方法就可以制造出带状的非晶合金箔片S出来。非晶合金箔片S可以在冷却辊的另一侧卷起来，而由熔液A传到冷却辊11的热量，则由冷却水排出。

下面详细说明本实施方式的效果及优点。

一般情况下，水流通道越长，从冷却辊传到冷却水的热量越多。但是，水流通道间的间隔变小，冷却辊的热容量变小。所以，为使冷却辊保持一定的热容量，水流通道之间的间隔需保持一定的距离。因此，本实施方式中，水流通道21a和21b采用二重排列方式，使水流通道之间保持一定距离，又增加了整个水流通道总长度。所以，冷却辊保持一定的热容量，又能提高排热性能，以到达能够制造大厚度的非晶合金箔片的目的。例如，用本实施方式可以制造45微米厚的晶合金箔片，并且长时间连续制造，达到工业生产水平。

另外，水流通道采用多重排列方式，可增加冷却辊11的总厚度，以增加冷却效率。增加冷却辊11的总厚度可以提高冷却辊的热容量，可使冷却辊11的温度上升得到减少。因此可以长时间安定制造晶合金箔片S。

外部环状材料28则使用高硬度且具热传导系数的铜合金材料，不仅冷却效率，而且可以抑制冷却辊表面损伤。圆柱形材料26和内部环状材料27採用有热传导系数的纯铜材料，可以快速将热量传入冷却辊内部，再传给水流通道21b。不仅如此，由于纯铜材料比较软，热压配合后，圆柱形材料26和内部环状材料27以及内部环状材料27和外部环状材料28的界面的结合性保持良好，减少热量抵抗。

本实施方式中，熔液A是含有锡的铁基合金。由于锡在非晶合金箔片S表面处偏析，可以防止非晶合金箔片S与冷却辊表面11a熔合，及剥离分开时造成的冷却辊表面损伤。因此大大地减低冷却辊交换及其表面的研磨频度。熔液A中的锡浓度为0.01—1质量%，最好是0.1—0.5质量%。锡超过0.01质量%可以保证延长冷却辊的寿命。而锡超过1质量%，可以防止非晶合金箔片S脆化。除了锡以外，硫也有同样的效果。硫浓度0.003质量%以上，可延长冷却辊的寿命，1质量%以下可以防止非晶合金箔片S脆化。

以下对实施方式1的变化方式进行说明。

图3（a）和（b）是实施方式1的变化方式中的冷却辊剖视图。在冷却辊31中，设有21a—

21c的3重构造。3者之间都有同样的周期排列，但21b和21a及21c的位相相差半个周期。本实施方式由于采用3重构造，排热性能得到进一步的提高。保证冷却辊31表面的热量确实地传给冷却水。因此，可以满足大厚度的非晶合金箔片达到工业生产水平。除了3重构造，

也可4重以上构造。但是，重数越多，成本越大。因根据所需生产非晶合金箔片的厚度及数量来考虑冷却辊的构造及其他条件。

以下对实施方式2进行说明。

图4（a）是实施方式2的非晶合金箔片的制造设备的模式侧面图。（b）是（a）A-A’线处所示剖视图，（c）是（a）B-B’线处所示剖视图。本冷却辊41中，沿着宽度方向，有着无数的通孔47。通孔47是多重排列，也就是从冷却辊的旋转中心开始互相之间等距离排列。从冷却液提供装置12出来的冷却水W，通过无数的水管42a流到通孔47。每个水管42a都配有流量调节阀。沿着圆周方向相邻的两个通孔47由U形管42b相接在一起。就这样，由通孔47构成往路，U形管42b构成反转，再由旁边的通孔47构成返路，形成1条完整的水流通道。

水管42a和42b焊接在冷却辊的侧面。其内径和通孔47的基本相同。水管42a和42b采用延伸性强的金属同通孔47相接的部分成喇叭形，端面则加以平坦化加工。水管，比如由铜合金构成，通孔47的内面比如加以微细沟槽加工增加表面积。因而提高从冷却辊到冷却水的传热性能。

如同图4（c）所示，复数根水管42a共同接到二重管43。43a为外管，内管为内管。往路水管42a接到外管43a，返路水管42a和内管内管连在一起。二重管43和冷却辊41固定在一起。

二重管43和二重管44连在一起。二重管43的外管43a同二重管44的外管44a，二重管43的内管43b同二重管44的内管44b相连。二重管44和冷却水提供装置12固定在一起。二重管43和二重管44之间保持良好的水密性，又能相互旋转。也就是说，二重管43和二重管44构成旋转接头46。

以下将对用上述设备构成来制作非晶合金箔片S的方法加以说明。

根据图4（a）--（c），冷却水提供装置12对冷却水W进行加压，注入二重管44的内管44b。通过二重管43的内管43b，及水管42a，进入通孔47。这样的供给方式可以给各个水流通道以相同的水压提供冷却水。冷却水W在各个水流通道的往返路部分从冷却辊得到热量后，通过水管42a，二重管43，44被排放出去，从而使得冷却辊得到冷却。

以下对实施方式3进行说明。

图5是实施方式3的非晶合金箔片的制造设备3的侧面图。冷却辊51的各个段层中有各个独立的通孔57。各个通孔57由2根管子52相连。各个管子都有流量调节阀。各段层的通孔57相互独立，由旋转接头53连在一起，旋转接头53和冷却水提供装置连在一起。1根通孔57和它两侧的2根管子52，构成1条水流通道。旋转接头53有排水口53a。

冷却水提供装置59向各段层的管子52相互独立地提供冷却水。一般来讲，冷却辊比较厚的情况下，温度上升比较慢。因此，在生产的初期阶段，冷却辊保持低温状态。但是，冷却辊太厚的话，熱抵抗大，排热性差。长时间生产的话，温度变得越来越高。相反，冷却辊比较薄的话，排热性好，长时间生产比较有利。根据本实施方式，因为冷却辊的各个段层的水流通道都是独立的，冷却水提供装置也是独立对它们注入冷却水，就可以控制冷却辊的温度分布。例如，冷却辊的外部注入冷却水，就如同减少冷却辊的厚度，而如果只向冷却辊的内部注入冷却水，那么好比增加了冷却辊的厚度。如在制造箔片的初期时，冷却辊的外部先不注入冷却水，当非晶合金箔片开始生产后，再注入冷却水也可以。因此，用这个方法，冷却辊的厚度可以得到调整，因而大厚度的非晶合金箔片就容易得到制造。

以下对实施方式4进行说明。

图6（a）是实施方式4的非晶合金箔片的制造设备4的冷却辊的侧面图。（b）是冷却辊及其周围的剖视图，（c）是冷却辊的侧面图。

根据图6（a）--（c），驱动装置13（图5）和冷却水提供装置之间，冷却辊61可旋转地固定起来。在冷却辊里面，沿着宽度方向，设有多个通孔67，且排列成3层。各层相邻的一对通孔67，由冷却辊外部的U形管子64连接起来。因此，各层的通孔67由多数根U形管子接层1条水流通道。冷却辊61里，21a，21b，21c是互相独立的水流通道。

这样的水流通道在圆周面上铺设，沿着宽度方向曲折排列，在冷却辊的两侧各设有供水旋转接头和排水旋转接头。具体如下。最外层的21a由2根管子62a和旋转接头63a和63b相连。第2段层的水流通道21b由2根管子62b和旋转接头63a和63b相连。第3段层的水流通道21c由2根管子62c和旋转接头63a和63b相连。管子62a，62b，62c，64采用铜管。

根据本实施方式，与实施方式相比，接到旋转接头63a和63b的管子的数量得到减少。装置变得简略，降低了设备成本。本实施方式虽然提示了3段水流通道例，也可以是2段或者4段。管子的材料可以是铜，或者和冷却辊相同

以下对实施方式4的变化方式进行说明。

图7是实施方式4的变化方式中的冷却辊侧面图。此图中，通孔67及管子64被省略，水流通道21a21b21c以虚线表示。

根据图7，各段层的水流通道分成3个。这和实施方式4相比，和旋转接口相连的管子数量虽有增加，冷却水的温度上升可以得到控制。另外，注入水流通道的抵抗可以减少，因而降低冷却水的水压。

以下对实施方式5进行说明。

图8是实施方式5的非晶合金箔片的制造设备侧面图。

图9是图8中合金熔液和水冷冷却辊接触部的剖视图。

根据图8，在驱动装置的两侧，各设冷却辊71a和71b，其外侧则是两个冷却水提供装置72a和72b。

冷却辊71a和71b，跟实施方式1所示冷却辊11相同，但也可以是，实施方式1的变化方式的冷却辊31，也可以是，实施方式2的冷却辊41，也可以是，实施方式3的冷却辊51，也可以是，实施方式4的冷却辊61，也可以是，实施方式4的变化方式的冷却辊61a。

冷却水提供装置72a和供水管74a，排水管75a相连。通过74a向冷却辊71a提供室温或低温冷却水，通过75a将由冷却辊加热的冷却水排出。同样，冷却水提供装置72b和供水管74b，排水管75b不相连。通过74b向冷却辊71b提供室温或低温冷却水，通过75b将由冷却辊加热的冷却水排出。驱动装置73，带动冷却辊71a和71b旋转。

根据图9，喷嘴16是多重长缝状开口的喷嘴。喷嘴16的具体形状如下。沿着冷却辊71a和71b的圆周方向，复数条，比如2条长缝状开口81。其长缝的长轴线方向同冷却辊轴线方向相同。长缝状开口间的距离，比如是10mm以下，或者6mm以下。喷嘴16的长缝状开口可以是3条，也可是1条。

以下是实施方法。

冷却水提供装置72a和供水管74a，排水管75a相连。通过74a向冷却辊71a提供室温或低温冷却水，通过75a将由冷却辊加热的冷却水排出。同样，冷却水提供装置72b和供水管74b，排水管75b不相连。通过74b向冷却辊71b提供室温或低温冷却水，通过75b将由冷却辊加热的冷却水排出。驱动装置73，带动冷却辊71a和71b旋转。然后将坩埚15移动到冷却辊71a的上方。从喷嘴16的长缝状开口把熔液合金A喷到冷却辊71a的外周表面。由于喷嘴16有2条长缝状开口，扁平状熔液合金液滴（Paddle）在两处生成。本实施方式中，长缝状开口间的距离，因是10mm以下，或者6mm以下。上方的扁平状熔液合金液滴（Paddle）在冷却到玻璃化转变温度之前就到达到下方的另一个扁平状熔液合金液滴（Paddle）处，两者互相混合变为一体。作为结果，冷却辊上的液体层变厚了。然后由冷却辊71a进行急冷，从而生产得到非晶合金箔片S。这个时候，由熔液传到冷却辊71a的热量则由排出冷却辊，再由排水管75a排到外部。随着生产量的增加，当冷却辊温度上升到再不能制造非晶合金箔片时，停止熔液A的喷出。沿着轨道77将坩埚移动到冷却辊71b的正上方。然后用冷却辊71b跟冷却辊71a同样的方法生产非晶合金箔片。在使用冷却辊71b的时候，冷却水提供装置则对冷却辊71a进行冷却。如上述方法，冷却辊71a和71b交替使用，可以制造出更厚的非晶合金箔片。本实施方式可以生产出70微米以上厚的非晶合金箔片。这时，外部环状材料28的厚度则推荐为30-50mm。

此外，如图10所示的实施方式也可以实现本发明的目的。

Claims (11)

1.一种用于生产非晶合金箔片的制造设备，其特征在于，

所述制造设备包括：内部有水流通道的冷却辊；向所述水流通道注入冷却液体的冷却液体提供装置；使所述冷却辊旋转的驱动装置；向所述冷却辊的辊面上喷注合金熔液的熔液提供装置，

所述水流通道是设置在以所述冷却辊的旋转轴为中心的相隔距离等同的多个同心圆周面上，沿着多个同心圆周方向排列，或者是贯通所述冷却辊侧面的水流通道。

2.根据权利要求1所述的制造设备，其特征在于：该设置在相隔距离相同的多个同心圆周面上的水流通道由多数群构成，它们之间是互相并列排列的。

3.根据权利要求1所述的制造设备，其特征在于：该设置在相隔距离相同的多个同心圆周面上的水流通道群是互相独立的，由该冷却液体提供装置向该水流通道群彼此独立地提供冷却液体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造设备，其特征在于：除了所述冷却辊以外，还另设有多数个冷却辊，由该合金熔液的熔液提供装置向该冷却辊及其他另外的冷却辊交替地喷注合金熔液。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造设备，其特征在于：该合金熔液的熔液提供装置是沿着该冷却辊的圆周方向，设有多重长缝状开口的喷嘴。

6.一种非晶合金箔片的制造方法，其特征在于：由该冷却辊的侧面向设置在该冷却辊的旋转轴为中心相隔距离相同的多个同心圆周面上的多数群的水流通道里注入冷却液体，使该冷却辊高速旋状，再向冷却辊外周表面喷注合金熔液。

7.根据权利要求6所述的非晶合金箔片的制造方法，其特征在于：以相同的液体压力向该多数群的水流通道里注入冷却液体。

8.根据权利要求6所述的非晶合金箔片的制造方法，其特征在于：向该多数群的水流通道的各个水流通道里独立注入冷却液体。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的非晶合金箔片的制造方法，其特征在于：使该冷却辊及该冷却辊以外的其他冷却辊旋转，交替地向该冷却辊及该冷却辊以外的其他冷却辊的外周表面喷注合金熔液，向该冷却辊外周表面喷注合金熔液时不向其他冷却辊的外周表面喷注合金熔液，向其他冷却辊的外周表面喷注合金熔液时不向该冷却辊外周表面喷注合金熔液。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的非晶合金箔片的制造方法，其特征在于：该合金熔液是含有锡，硫磺的铁基合金。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的非晶合金箔片的制造设备或方法，其特征在于：对有50%以上是结晶的材料，控制其结晶粒大小的急速冷却材料的制造方法。

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