CN1327990C - 用于生产非晶质合金板的方法以及使用该方法生产的非晶质合金板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在低生产成本下生产具有高质量的块状非晶质合金板的方法，通过该方法在没有使用其它附加工艺的情况下可以直接把合金熔体转变成板状。该方法包括：制备含有合金成分的熔体；将熔体加入到彼此反方向旋转的两个辊之间限定的缝隙中，并且每个辊都装备有热交换装置；以及当熔体通过两个辊之间限定的缝隙时，使用比将熔体转变成非晶固体相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却该熔体。本发明也提供了在低生产成本下生产高质量块状非晶质合金板的装置以及块状非晶质合金板。

Description

用于生产非晶质合金板的方法以及使用该方法生产的非晶质合金板

技术领域

本发明涉及一种用于生产非晶质或非晶态合金的方法，具体而言，是涉及一种用于生产块状(bulk)非晶质合金板的方法。

背景技术

非晶质合金是一种由于扰乱了原子的排列而不具有结晶性的类液相微观结构的材料，而且不包含晶体缺陷如晶界和错位，这不同于传统的晶体合金。因此，非晶质合金是一种在机械性能如强度、磁性、耐腐蚀性等等方面显著改善的材料。

由于上述优异性能，而增加了对于非晶质合金材料的兴趣，尤其地，作为新材料的非晶质合金板能够在不同的工业领域包括航空航天工业、核能设备工业和国防工业中用于各种目的。然而，尽管在许多的工业领域都有需求，但是对于规模生产非晶质合金板的效率和工业适用方法仍旧没有得到发展。

至于用于生产非晶质合金的传统方法，采用压模浇铸法和硬模铸造(permanent mold casting)。然而，压模浇铸法和硬模铸造不适用于规模生产可用于各种目的的非晶质合金板，而且没有成本效率。

熔体纺丝工艺是另一种用于生产非晶质合金的传统方法。然而，因为这种工艺打算用于生产厚度约为0.05mm或更薄的超薄型条状形式的非晶质合金材料产，因此该工艺不适合于生产块状非晶质合金板。

带坯连铸工艺是把金属材料制备成板状形式的方法。该方法具有如设备投资成本低、能耗低、以及相对于原材料有高的成品比例的优点。然而，传统的带坯连铸工艺已经理解为不适用于非晶质合金板的生产，因此没有关于使用传统带坯连铸工艺生产非晶质合金板的实例的报道。甚至传统带坯连铸工艺可以用于生产非晶质合金板的可能性也被否认了。

因此，为了使具有优良性能的块状非晶质合金在更多各种各样工业领域应用于更多目的，需要发展在低生产成本下用于批量生产具有多用途的板状形式的块状非晶质合金的方法。

发明内容

本发明提供了一种在低生产成本下用于生产具有高质量的块状非晶质合金板的方法，通过该方法把熔化的合金直接地转变成板状而没有应用其它附加工艺。

本发明也提供了一种用于在低生产成本下生产高质量块状非晶质合金板的装置以及一种块状非晶质合金板。

附图说明

图1所示为用于生产根据本发明的非晶质合金板的方法；

图2所示为用于生产根据本发明实施方案的非晶质合金板的装置示意图；

图3所示为在图2所示装置的两个辊中将非晶质合金熔体转变成板状的图。

图4示出了调节在图2装置中的两个辊之间的缝隙的图；

图5所示为根据通过水平线和连接两个辊各自的旋转中心的直线所限定的角度，图2装置中的两个辊的安装结构的实例；

图6所示为根据本发明实施例生产的非晶质合金板的X射线衍射图；和

图7所示为根据本发明实施例生产的非晶质合金板的微观结构的光学显微照片；

具体实施方式

一种用于生产根据本发明的非晶质合金板的方法，它包括：制备包含合金成分的熔体；把熔体送入到由两个彼此反方向旋转的辊之间限定的缝隙内，并且每个辊都装备有热交换装置；以及当熔体通过两个辊之间所限定的缝隙时，用比将熔体转变成非晶质固相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却熔体。

一种用于生产根据本发明的非晶质合金板的装置，它包括：坩锅，用于接收包含合金成分的熔体，而且该坩锅装备有熔体出口；两个辊，当熔体通过两个辊之间所限定的缝隙时，每个都装备有热交换装置以比用于将熔体转变成非晶质固相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却熔体；和连接通道，用于使熔体从坩锅的熔体出口流向两个辊之间限定的缝隙中。

在下文中将详细描述用于生产根据本发明的非晶质合金板的方法；图1示意性地示出了用于生产根据本发明的非晶质合金板的方法。

例如，使用装备有适合于熔融合金成分的加热装置并且具有可密封的坩锅的熔炉进行制备熔体的步骤。

在熔炉中配备的加热装置可以以加热方式进行，如电阻加热、电弧加热、感应加热、红外线加热、电子束加热、以及激光加热，但是并不局限于这些方式。

制备熔体的步骤可以在惰性的或非惰性气氛中进行。至于一些特殊的合金，非结晶化要求惰性气氛。在这种情况下，优选在惰性气氛中进行制备熔体的步骤。

在使用上述熔炉进行制备熔体步骤的情况下，惰性气氛可以通过把惰性气体加入到熔炉中来实现。在此处使用的惰性气体的实例包括氦、氖、氩、氪、氙、氡、氮或它们的混合物。另外，惰性气氛可以通过把可密封坩锅保持在真空状态下来实现。

制备熔体的步骤还可以按特殊合金的要求在其它的特殊气氛中进行。在这种情况下，形成这种特殊气氛所需要的气体注入到坩锅中。

这样制备的熔体注入到两个彼此反方向旋转的辊之间所限定的缝隙中，并且每个辊都装备有热交换装置。根据本发明的实施方案，熔炉具有熔体喷嘴，该喷嘴位于两个辊附近。熔体通过熔体喷嘴加入到两个辊之间限定的缝隙中。

加入到两个辊之间限定的缝隙中的熔体以比用于将熔体转变成非晶相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却。为了完成这种快速冷却，两个辊由具有优良导热性能的材料制成并且装备有热交换装置。铜-基合金材料可以用作用于两个辊的优良导热材料，但并不限制于这些。例如，安装在两个辊中的热交换装置可以是用于冷却液流动的回路，但并不局限于这些。冷却液可能是冷却水或冷却油。

两个辊的直径和转速没有特殊的限制。然而，考虑到热传递，在两个辊的圆周上的线速度可以大约为1～10cm/sec。而且，两个辊之间的缝隙也没有特殊的限制。然而，考虑到热传递和/或所需板的厚度，两个辊之间的缝隙可以在0.5～20mm范围内。只要本发明的目的可以实现，两个辊之间的缝隙也可以小于0.5mm或大于20mm。另外，辊的宽度也没有特殊的限制。辊的宽度可以根据所需板的最大宽度而恰当确定。

通常，用于非晶相形成的临界冷却速度根据合金类型而变化。用于特殊合金的恰当的冷却速度可以通过调节冷却液的循环速度、两个辊的转速、两个辊之间的缝隙、熔体的温度等来实现。

熔体通过上述快速冷却铸成非晶质合金板，然后从辊中取出。由于通过两个辊的轧制作用，防止了裂缝和空气隙的产生，这是通过X射线衍射和显微镜图像分析结果确定的。

在本发明方法中，如果加入到两个辊之间限定的缝隙中的熔体温度太低，则熔体给料不能顺利进行，因此，难以生产薄板。另一方面，如果温度过高，则即使使用了两个辊和热交换装置，熔体也不能充分地冷却，因此，也难以生产非晶质的薄板。

如果两个辊的表面温度太低，则熔体不能以均匀比例冷却，因此，熔体的填料不能顺利进行。此外，可能在形成薄板的边缘引起裂缝。另一方面，如果温度过高，难以获得临界冷却速度以上的冷却速度。

如果两个辊的转速太慢，则可能在非晶固体合金完全地离开辊之前熔体就可能固化了，因此，辊的运行可能中止。另一方面，如果转速过快，则不能充分地实现均匀冷却，因此，难以生产具有高质量的薄板。

如果两个辊之间的缝隙过小，则难以生产块状非晶质合金板。此外，由于熔体的过度给料，其它的加工因素可能有不利的影响。同时，可能在形成薄板的边缘引起裂缝。另一方面，如果缝隙太大，则可能形成过厚的板，因此，在薄板的中心部分不能实现在临界冷却速度以上的冷却速度。结果，难以获得均匀的、高质量的非晶质合金。

作为说明性实例，在包括45～49原子％的Cu、32～34原子％的Ti、10～13原子％的Zr、5～7原子％的Ni、1～3原子％的Sn、以及0.5～2原子％的Si的铜-基非晶质合金情况下，注入到两个辊之间限定的缝隙中的熔体温度可以设定为500～1500℃，两个辊的表面温度大约在15～30℃的范围，两个辊的转速大约为1～10cm/sec，并且两个辊之间的缝隙大约为0.5～20mm的范围。

应该理解为本发明方法除了应用到上述铜-基合金之外，还可以应用于所有能够转变成非晶相的合金类型。

在下文中将详细描述用于生产根据本发明的非晶质合金板的装置。该装置可以有效地用于根据上述方法的非晶质合金板的生产中。

用于生产根据本发明的非晶质合金板的装置，它包括：坩锅，用于接收包含合金成分的熔体并且该坩锅装备有熔体出口；两个辊，每个辊都装备有热交换装置，当熔体通过两个辊之间所限定的缝隙时，用于以比将熔体转变成非晶质固相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却熔体；以及连接通道，用于将熔体从坩锅的熔体出口流向两个辊之间限定的缝隙。

图2示意性地示出了根据本发明实施方案用于生产非晶质合金板的装置，它包括坩锅10、连接通道20和两个辊30。

坩锅10可能是可以控制在其中气氛的熔化坩锅。如图2所示，坩锅10接收包含合金成分的熔体以及装备有熔体出口18。坩锅10也包括用于在坩锅10中控制气氛的供气单元16以及用于熔融合金成分以制备熔体和维持所制备熔体温度的加热单元14。

坩锅10可以进一步包括可以打开和关闭熔体出口18以控制熔体放出的闭锁装置12。

连接通道20可以包括当熔体从坩锅10流向两个辊30之间限定的缝隙时能够维持在连接通道20中的熔体温度的加热单元22。连接通道20可以进一步包括能够控制在连接通道20中的气氛的供气单元24。

两个辊30可以由包含铜-基合金的材料制成。然而，因为对于两个辊的材料没有特殊的限制，因此两个辊也可以由具有良好导热性的其它种类材料制成。

两个辊30中的每一个可以包括作为热交换装置的用于冷却液流动的回路32。冷却液可以是冷却水或冷却油。

图3是图2的两个辊的详图，示意性地示出了当熔体通过由两个辊之间限定的缝隙时，通过冷却将熔体转化成固体薄板。作为能够转变成非晶相的合金熔体被加入到旋转的两个辊30之间限定的缝隙中，然后当熔体接触两个辊30时冷却并且铸成固体薄板。因此获得的薄板通过两个辊30的旋转而离开两个辊30。此时，为了使通过接触两个辊30的熔体冷却速度比用于形成非晶相的临界冷却速度更高，两个辊30通过热交换装置来冷却。合金熔体通过两个辊30强烈地挤压而铸成非晶质合金板，然后离开两个辊30。

如果两个辊之间的缝隙太小，则难以生产块状非晶质合金板。此外，由于熔体的过度给料，其它的加工因素可能有不利的影响。同时，可能在所形成薄板的边缘引起裂缝。另一方面，如果缝隙太大，在薄板的中心部分不能实现在临界冷却速度以上的冷却速度。结果，难以获得均匀的、高质量的非晶质合金板。基于这点，两个辊30之间的缝隙可以在大约0.5～20mm范围之内。两个辊可以安装成彼此隔开预定距离，或可以安装成当需要时两个辊之间的缝隙可以调节的方式。图4示意性地示出了两个辊之间的缝隙调节。

图5示意性地示出了以通过水平线和连接两个辊各自旋转中心的直线限定的角度在0～90度的范围之内的方式安装的两个辊的结构。所述角度可以根据熔体性质如流动性来改变。例如，如果熔体的流动性高，则两个辊可以垂直地安装(即，角度是90度)，以便顺利进行熔体的水平供给和薄板的释放。另一方面，如果熔体的流动性不够，则两个辊可以水平地安装(即，角度是0度)，以便通过重力顺利进行熔体的垂直进料以及薄板的释放。两个辊可以以从0～90度中选择的固定角度安装或可以以角度在一定范围内可以调节的方式安装。

如果两个辊的转速太慢，则熔体的固化可能在非晶固体合金完全地离开辊之前就完成了，因此，辊的运行可能中止。另一方面，如果转速过快，则不能充分地实现均匀冷却，因此，难以生产具有高质量的薄板。基于此点，两个辊可以以在大约为1～10cm/sec的转速下工作的这种方式安装。为此，两个辊可以与传统的驱动装置(没有示出)连接。

在下文中将详细描述根据本发明的块状非晶质合金板。

根据本发明的块状非晶质合金板即可以是由完全非晶相组成的块状合金材料又可以是包含非晶相和晶相的复合物组成的块状合金材料。

在此处使用的术语“块状薄板”指的是本发明的非晶质合金被加工成具有结构连续性和相对大的两或三维尺寸的材料，而不是加工成薄膜(例如，厚度为100μm或更小)尺寸。例如，本发明的非晶质合金板可能具有大约0.5～20mm的厚度，但并不限于此。而且，本发明的非晶质合金板在宽度、长度、以及形状上没有特殊的限制。这种块状非晶质合金板可以用于各种目的。而且，这种块状非晶质合金板作为新材料，在整个工业领域包括核能设备工业(金属管)、国防工业(非晶体金属-钨复合物穿透器)、运动设备工业(高尔夫俱乐部)、以及航空航天工业方面都已经引起了注意。

根据本发明的块状非晶质合金板能够通过根据本发明的上述方法生产。

根据本发明的块状非晶质合金板可以由包含非晶相和晶相的复合物组成。在这种情形下，在复合物中非晶相与晶相的体积或重量比可以通过改变根据本发明的上述方法的工艺条件来控制。

根据本发明的块状非晶质合金板通常可以包含大约90体积％或更多的非晶相，优选大约96体积％或更多。

在使用本发明的上述方法和装置生产非晶质合金板的实验中，获得了包含至少大约96体积％、甚至大约100体积％非晶相的非晶质合金板。通常地，本发明的非晶质合金板可以包含大约96.0～99.9体积％的非晶相。

另一方面，根据本发明的块状非晶质合金板也可以包含大约90体积％或更少的非晶相。

在用于生产本发明的非晶质合金板的方法和装置以及通过该方法和装置生产的非晶质合金板中，对于所使用的合金组成没有特殊限制。例如，可以使用的非晶质合金组成有如Cu₄₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈[S.C.Glade，W.L.Johnson：J.Appl.Phys.，89卷(2001)，1573-1579页]；Cu₄₇Ti₃₃Zr₁₁Ni₈Si₁[M.Calin：Scripta Mater.，印刷中(2003)]；Cu₄₇Ti₃₃Zr₁₁Ni₆Sn₂Si₁[D.H.Bae，H.K.Lim，S.H.Kim，D.H.Kim和W.T.Kim：Acta Materialia，50卷(2002)1749-1759页]；Cu₆₀Zr₃₀Ti₁₀、Cu₆₀Hf₂₅Ti₁₅[Akihisa Inoue，Wei Zhang，TaoZhang和Kei Kurosaka：J.of Non-Crystal line Solids，304卷(2002)200-209页]；Zr₅₇Nb₅Al₁₀Cu_15.4Ni_12.6[H.Choi-Yim，R.D.Conner，F.Szuecs和W.L.Johnson：Acta Materialia，50卷(2002)2737-2745页]；Zr₄₁Ti₁₄Cu₁₂Ni₁₀Be₂₃[J.Schroers，R.Busch，S.Bossuyt和W.L.Johnson：Mater.Sci.&Eng.A.，304-306卷(2001)287-291页]；以及Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_12.5Pd₅[M.Sherif EI-Eskandarany，J.Saida和A.Inoue：Acta Materialia，51卷(2003)4519-4532页]。

在下文中，将通过实施例来更具体地描述本发明。然而，以下实施例只是提供用于例证说明，因此本发明不限于实施例。

<实施例>

在这个实施例中，具有表1所示化学组成的铜-基合金用作母合金。使用图2所示的装置。

表1

母合金的化学组成

元素	Cu	Ti	Zr	Ni	Sn	Si
							含量(原子％)	47	33	11	6	2	1

3千克的铜-基母合金送入到高纯度的石墨坩锅中，然后在大约1400℃的温度下维持大约60分钟以完全地熔成液相。这样获得的铜-基母合金熔体维持在大约1200℃的温度时排出，然后输送到带坯连铸装置的各轧辊之间的入口处。

轧辊的转速、表面温度和缝隙分别为大约2.0cm/sec、约20℃和约2mm。在这些工艺条件下，制备长度为1m、宽度为10cm以及厚度为2mm的非晶质合金板。

这样制备的铜-基非晶质合金薄板的非结晶性通过X射线衍射分析确定，所得结果在图6中示出。如图6所示，在实施例中获得的非晶质合金板是含有小体积分数的晶相部分的非晶相。

在实施例中获得的铜-基非晶质合金薄板的横向剖面图进行光学显微镜图象分析，所得横向剖面图的显微照片结果在图7示出。如图7所示，在实施例中获得的合金板没有观察到可以由熔体的固化和收缩引起的气隙或裂纹。另外，评价在非晶质合金板中的非晶相的含量。根据评价结果，在实施例中获得的合金薄板含有大约为96体积％或更多的非晶相。因此，证实在实施例中获得的合金薄板是优异的非晶质合金板。

工业应用

从以上描述可以明白，生产本发明的非晶质合金板的方法和装置用于高质量的非晶质合金板的生产，在该优质非晶质合金板中气隙和裂纹的产生显著地减少。

根据用于生产本发明的非晶质合金板的方法和装置，非晶质合金板可以在没有使用分离工艺的情况下直接地从熔体制备。因此，具有很高的工业应用性的非晶质合金板可以大规模、极低成本下生产。因此，非晶质合金的应用范围可以经济地扩展。

Claims (9)

1.一种用于生产块状非晶质合金板的方法，该方法包括如下：

制备含有合金成分的熔体；

将熔体直接加入到彼此反方向旋转的两个辊之间限定的缝隙中，并且每个辊都装备有热交换装置；和

当熔体通过两个辊之间限定的缝隙时，使用比将熔体转变成非晶固体相的临界冷却速度更高的冷却速度冷却熔体，

其中所述两个辊的旋转速度为1～10cm/sec，而两个辊之间的缝隙在0.5～20mm。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述制备熔体的步骤在惰性气氛中进行。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述热交换装置是冷却液流动的回路。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述冷却液是冷却水或冷却油。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述两个辊由含铜-基合金的材料制成。

6.如权利要求1所述的方法，其中要加入到所述两个辊之间限定的缝隙中的熔体的温度在500～1500℃的温度范围内，所述两个辊的表面温度在15～30℃的温度范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个辊以通过使水平线与连接两个辊各自旋转中心的直线所限定的角度在0～90度的范围内的方式安置。

8.一种通过权利要求1～7中任一项所述的方法制备的块状非晶质合金板。

9.如权利要求8所述的块状非晶质合金板，其厚度为0.5～20mm。

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