[發明專利]一種連續真空快淬設備及利用該設備進行金屬快淬的方法

有效

• 申請號: 201410013612.4
• 申請日: 2014-01-13
• 公開（公告）號: CN104772466B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 林旻;閆阿儒;李東
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B22F9/08
• 分類號: B22F9/08
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 單英

技術領域

本發明涉及冶金技術領域，尤其涉及一種連續真空快淬設備及利用該設備進行金屬快淬的方法。

背景技術

為便于使用，由礦石冶煉而成的大塊金屬，通常首先要粉碎成顆粒、條帶或薄片等形狀，再經過燒結或粘結等粉末冶金過程成型，最后加工成為機械電子設備的零部件。

將大塊金屬破碎成顆粒的方法早期是簡單的機械破碎，但這種方法帶來的殘余應力很大。后來發展了加鋼球和液態介質的球磨、利用高壓氣流使得物料互相撞擊的氣流磨、針對某些稀土合金的吸氫破碎等方法。其中，采用熔體快淬技術將熔融狀態的合金液噴射到水冷的旋轉輪盤上，可以很容易地獲得顆粒、條帶或薄片等形狀的合金。而且，由于這種方法具有極高的冷卻速度（每秒約一百萬度），可獲得自然慢冷過程不可能得到的非晶態金屬，該類材料在電磁性能和機械性能方面顯著不同于晶態金屬。根據成分和用途的不同，可以用熔體快淬法制造的功能材料主要有：作為永磁材料的含釹或鐠的稀土合金、作為熱電材料的鉍系合金、作為開關觸頭材料的銅鉻合金、作為軟磁材料的鐵鎳合金、作為結構材料的鎂合金等。

采用熔體快淬技術將金屬材料制成顆粒、條帶或薄片狀等的設備簡稱為快淬設備，包括熔煉、澆注與快淬三個步驟。

按照抗氧化能力的不同，合金的熔煉可在空氣、惰性氣氛保護或真空中進行，如銅合金或鎳合金就可以在空氣中，而稀土合金、鎂合金等就必須在真空或惰性氣氛保護的熔煉爐中。除合金成分以外，冷卻輪盤的旋轉速度、合金液流的流速等工藝參數，均會影響合金粉末的形態及性能。

按照熔煉合金方式的不同，熔煉裝置可分為電弧式和感應式兩種。由于合金感應熔煉時會形成渦流，對熔融狀態的合金液起到攪拌的作用，而電弧放電每次只能融化局部的合金。故與比電弧式熔煉相比，采用感應式熔煉制得的合金更加均勻，不容易產生成分偏析。因此除小型熔煉爐外，大部分熔煉裝置都采用了感應加熱的形式。專利號為ZL92105431.9的中國發明專利《真空快淬爐》披露了一種帶冷卻輥的制造金屬粉末的裝置。它包含有真空殼體、熔煉爐、噴嘴包、噴嘴、快淬輥，以及用于移動噴嘴包以及調節噴嘴與快淬輥之間間距的噴嘴包移動和控制機構，爐殼分為固定的和可移動的兩部分。

按照合金液澆注方式的不同，快淬設備可分為溢流式和噴射式兩種。如公開號為CN101722311A的中國發明專利《感應溢流快淬法與設備》披露了一種用于生產快淬釹鐵硼磁粉的感應溢流快淬方法與設備，采用中頻感應加熱，將原料或釹鐵硼合金錠熔化成合金液，然后以一定的速度傾倒在一個特殊設計的中間包內，合金通過中間包的溢流口至一個高速旋轉的水冷鉬輪或銅輪上，快速冷卻形成釹鐵硼快淬薄帶。這種澆注方式最大的問題在于，合金液與冷卻輥是面接觸。由于合金液表面張力的存在，合金液面總有某一局部呈現突起或凹陷的弧型，即合金液流的橫截面并不平整。這樣經過快淬輥冷卻后，僅從外觀看合金條帶就薄厚不一，而且合金條帶各處由于冷卻效果不同，性能并不一致。而噴射式就不存在該問題，從孔口噴射出的合金液與冷卻輥的接觸面僅為一個小點。一般地，噴射孔越小，合金條帶的均勻性越好。

目前，投入應用的感應噴射式快淬設備絕大部分都是實驗室用的小型快淬爐，而適合批量制造的大型快淬爐少見報道，其存在的最大問題在于噴射孔容易堵塞。主要原因是采用感應加熱方式時，理想的被加熱坩堝外徑應與加熱線圈內徑基本相當。而坩堝底部噴射孔的直徑通常只有約1毫米，如果增大孔徑會加大合金液流量，但是熱容量卻過大，導致冷卻輥來不及快速冷卻。因此，大型快淬爐中處于狹長孔道內的合金液和加熱線圈的匹配性不佳，當坩堝直徑越大越是如此。另外，如果合金液沒有被加熱到足夠的溫度，其流動性就很差，難以通過狹長的噴射孔道。

對此，人們采用了一些辦法。如公開號為CN102205417A的中國發明專利《一種快淬合金的制造方法及設備》披露了一種可制造快淬合金的制造方法及設備，主要特點在于合金熔煉和快淬分別在兩個獨立的環境下進行，兩個環境的壓力可以獨立控制。這種方法試圖用加壓的方式幫助噴射熔體，但并沒有解決以上噴射孔處的合金液因與加熱線圈匹配性差的問題，仍可能發生噴射孔堵塞。

另外，小型快淬爐也存在如下不足之處：（1）爐腔從常壓達到高真空往往需要較長的時間，當腔內容積較大時，需要的時間則更長；（2）快淬后噴射出的合金仍留在爐腔內，必須打開爐門方能取出產品；另外，一次工作后，須打開爐門，手工重新裝載坩堝，然后關爐門、抽真空后再次工作，如此循環，極大限制了真空快淬設備的連續工作能力，降低了生產效率。

發明內容