專利名稱：金屬帶材快速凝固成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種金屬帶材快速凝固成形方法，屬于金屬帶材的直接成形和近終形成形技術(shù)領(lǐng)域。
金屬快速凝固的研究始于約40年前，此后，快速凝固技術(shù)與理論得到迅速發(fā)展，成為材料科學(xué)與工程研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在快速凝固過程中，由液相到固相的相變過程進(jìn)行得非常快，從而能獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在已知快速凝固能夠均勻和細(xì)化微觀組織，擴(kuò)展合金中溶質(zhì)的溶解度，生成非平衡結(jié)晶相及非晶態(tài)合金。最初的快速凝固技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)金屬薄片的快速凝固，目前的快速凝固技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)金屬粉末、細(xì)線和薄帶的快速凝固。快速凝固粉末需進(jìn)一步固化成形，而快速凝固細(xì)線和薄帶則是直接成形，并且作為難加工金屬帶材的直接成形方法和近終形成形方法為人們所期待。
單輥法是目前主要的快速凝固薄帶制備技術(shù)，它是將熔融金屬連續(xù)地引向高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上，實(shí)現(xiàn)快速凝固。根據(jù)熔融金屬引入方式的不同，可分為自由噴射甩出法(Free Jet Melt Spinning)，如.J.R.BedellU.S.Patent No.3,862,658(1975)所提供的；平面流鑄造法(Planar Flow Casting)，如M.C.NarasimhanU.S.Patent No.4,221,257(1980)所提供的；金屬液被拉成薄膜后，隨冷卻輥旋轉(zhuǎn)一定的角度進(jìn)一步冷卻并凝固，然后與其分離。因?yàn)椴僮魅菀祝Y(jié)構(gòu)簡單，目前其應(yīng)用最為廣泛。包括以非晶態(tài)合金為代表的新材料的創(chuàng)制，磁性合金鐵硅鋁合金、形狀記憶合金鎳鈦合金等難加工材直接產(chǎn)品化的嘗試，不銹鋼帶坯連鑄的開發(fā)等。但其缺點(diǎn)也很明顯，主要表現(xiàn)在(1)所得薄帶上下表面的冷卻條件和表面質(zhì)量均不一樣；(2)薄帶厚度受限制(通常薄帶厚度為10～100μm)。這些問題制約著快速凝固帶材的推廣應(yīng)用。
雙輥法是將液體金屬連續(xù)地注入一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的冷卻輥的中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速凝固。很早就有采用雙輥法實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造的想法，如H.BessemerU.S.Patent No.49,053，July 25，(1865)所提供的；后來人們將其用于快速凝固，如H.S.Chen and C.E.MillerRev.Sci.Instrum.，41(1970)，1237所提供的。由于是雙面冷卻，帶材上下表面質(zhì)量相同。人們?cè)谕p輥法是比單輥法冷卻能力更強(qiáng)、可制備更厚帶材的快速凝固技術(shù)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。雙輥法的熔融金屬與冷卻輥之接觸時(shí)間通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單輥法，這可能是雙輥法冷卻能力不盡人意的主要原因。增加液體金屬與冷卻輥之接觸時(shí)間的努力之一是采用帶法(Belt Method)，如M.Sakata，T.IshibashiProc.4thInt.Conf.On Rapidly Quenched Metals.ed.T.Masumoto，K.Suzuki.(1982)，Vol.1，39所提供的；在兩冷卻輥之間增加一條與它們成一定程度包繞的冷卻鋼帶，熔融金屬在一冷卻輥和冷卻鋼帶之間冷卻，它與冷卻輥和冷卻鋼帶有較長的接觸時(shí)間。然而，這種方法并不能實(shí)現(xiàn)更厚帶材的制備。增加冷卻輥直徑，也可增加接觸時(shí)間。以近終形成形為目標(biāo)，曾實(shí)現(xiàn)厚0.2～0.5mm高硅鋼帶的制備，如小澤三千晴，山根浩志，三宅苞，行本正雄，菅 孝宏川崎製鐵技報(bào)，21(1989)，36所提供的，但由于熔融金屬注入裝置的升高會(huì)導(dǎo)致操作穩(wěn)定性等一系列問題。降低冷卻輥轉(zhuǎn)速、同時(shí)在冷卻輥兩端設(shè)置側(cè)封以防止熔融金屬逸出，可實(shí)現(xiàn)厚1.5～5mm不銹鋼帶坯的制備，如竹內(nèi)英磨西山紀(jì)念技術(shù)講座，1994所提供的，但此舉是以犧牲冷卻速度為代價(jià)的?？梢?，實(shí)現(xiàn)雙面冷卻，同時(shí)在快速運(yùn)動(dòng)條件下保證液體金屬與冷卻面有足夠的接觸時(shí)間，應(yīng)是帶材快速凝固技術(shù)追求的目標(biāo)。帶材快速凝固新技術(shù)的想法在此背景下孕育產(chǎn)生。
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬帶材快速凝固成形方法，可實(shí)現(xiàn)厚至毫米級(jí)的金屬帶材快速凝固成形，尤其適合于各種難加工的高性能金屬帶材的直接成形或近終形成形。
本發(fā)明的構(gòu)成如下1、背面實(shí)施冷卻的冷卻鋼帶(3)和(3’)形成冷卻區(qū)域，冷卻鋼帶(3)由定位輥(4)、張緊輥(5)和驅(qū)動(dòng)輥(6)支撐，冷卻鋼帶(3’)由定位輥(4’)張緊輥(5’)和驅(qū)動(dòng)輥(6’)支撐；2、冷卻鋼帶在驅(qū)動(dòng)輥的帶動(dòng)下以線速度0.1～20m/s運(yùn)動(dòng)，張緊輥對(duì)冷卻鋼帶施加張力保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；3、熔融金屬(1)在壓力P作用下由坩堝(2)進(jìn)入冷卻區(qū)域，在運(yùn)動(dòng)過程中被冷卻而實(shí)現(xiàn)快速凝固成形；4、通過調(diào)節(jié)定位輥(4)和(4’)的水平相對(duì)位置來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的入口厚度H，H的控制范圍為0.1～10mm，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輥(6)和(6’)的水平相對(duì)位置來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的出口厚度h，h的控制范圍為0.1～2mm，通過調(diào)節(jié)定位輥(4)、(4’)與驅(qū)動(dòng)輥(6)、(6’)的垂直距離來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的長度L，L的控制范圍為100～1000mm。因此，采用本方法可制備厚度100μm～2mm的快速凝固金屬帶材。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可用于各種高性能金屬帶材的快速凝固成形。如高硅鋼帶的快速凝固成形，含硅6.5％的高硅鋼具有鐵硅系合金最優(yōu)的軟磁特性，但由于脆性大，不能采用通常的軋制法生產(chǎn)實(shí)用帶材。在國外，采用單輥法和雙輥法制備了韌性良好的6.5％Si硅鋼薄帶，但厚度太薄(小于50μm)；對(duì)軋制后的低硅鋼采用CVD(化學(xué)氣相沉積)法增加硅含量，制取了厚0.1～0.5mm的無取向6.5％Si硅鋼，但成本上升。采用本發(fā)明，可制備厚0.1～0.5mm的6.5％Si硅鋼帶。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的概念圖。熔融金屬(1)在壓力作用下從坩堝(2)進(jìn)入由兩條冷卻鋼帶(3)和(3’)所形成的冷卻區(qū)域。冷卻鋼帶(3)由定位輥(4)、張緊輥(5)和驅(qū)動(dòng)輥(6)支撐，冷卻鋼帶(3’)由定位輥(4’)張緊輥(5’)和驅(qū)動(dòng)輥(6’)支撐，冷卻鋼帶(3)和(3’)分別在驅(qū)動(dòng)輥(6)和(6’)的帶動(dòng)下以相同的速度運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入冷卻區(qū)域的熔融金屬在運(yùn)動(dòng)過程中被冷卻而實(shí)現(xiàn)快速凝固成形。通過調(diào)節(jié)各輥的相對(duì)位置，可調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的入口厚度H、出口厚度h和冷卻區(qū)域長度L，從而實(shí)現(xiàn)不同厚度、不同材質(zhì)的金屬帶材的快速凝固成形。
權(quán)利要求
1.一種金屬帶材快速凝固成形的方法，其特征在于背面實(shí)施冷卻的冷卻鋼帶(3)和(3’)形成冷卻區(qū)域，冷卻鋼帶(3)由定位輥(4)、張緊輥(5)和驅(qū)動(dòng)輥(6)支撐，冷卻鋼帶(3’)由定位輥(4’)張緊輥(5’)和驅(qū)動(dòng)輥(6’)支撐；冷卻鋼帶在驅(qū)動(dòng)輥的帶動(dòng)下以線速度0.1～20m/s運(yùn)動(dòng)，張緊輥對(duì)冷卻鋼帶施加張力保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；熔融金屬(1)在壓力作用下由坩堝(2)進(jìn)入冷卻區(qū)域，在運(yùn)動(dòng)過程中被冷卻而實(shí)現(xiàn)快速凝固成形；通過調(diào)節(jié)定位輥(4)和(4’)的水平相對(duì)位置來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的入口厚度H，H的控制范圍為0.1～10mm，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輥(6)和(6’)的水平相對(duì)位置來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的出口厚度h，h的控制范圍為0.1～2mm，通過調(diào)節(jié)定位輥(4)、(4’)與驅(qū)動(dòng)輥(6)、(6’)的垂直距離來調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域的長度L，L的控制范圍為100～1000mm；制備厚度100μm～2mm的快速凝固金屬帶材。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬帶材快速凝固成形的方法,背面實(shí)施冷卻的冷卻鋼帶(3)(3’)由驅(qū)動(dòng)輥(6)(6’)、定位輥(4)(4’)和張緊輥(5)(5’)支撐,形成冷卻區(qū)域;冷卻鋼帶在驅(qū)動(dòng)輥的帶動(dòng)下以線速度0.1～20m/s運(yùn)動(dòng),熔融金屬(1)在壓力作用下由坩堝(2)進(jìn)入冷卻區(qū)域,在運(yùn)動(dòng)過程中被冷卻而實(shí)現(xiàn)快速凝固成形,制備厚度100μm～2mm的快速凝固金屬帶材。其優(yōu)點(diǎn)在于:可用于現(xiàn)有技術(shù)尚不能實(shí)現(xiàn)的厚度規(guī)格的各種高性能金屬帶材的快速凝固成形。
文檔編號(hào)B22D11/06GK1321556SQ0010617
公開日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2000年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月28日
發(fā)明者周成, 謝建新 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)