材料加工新技術(shù)與新工藝22課件

§2.4帶材快速凝固成形1.單輥法

單輥法(singleroller）又稱為熔體甩出法(meltspinning)，它是采用高速旋轉(zhuǎn)的激冷圓輥將合金熔液流鋪展成液膜并在激冷作用下實(shí)現(xiàn)快速凝固的方法。根據(jù)熔融合金熔液引入方式的不同，可分為自由噴射甩出法(free-jetmeltspinning或FJMS法)和平流鑄造法(planarflowcasting或PFC法)，其原理如圖2-8所示。

第2章快速凝固

-2§2.4帶材快速凝固成形1.單輥法第2章快速凝固-21圖2-8單輥法快速凝固原理圖

(a)自由噴射甩出(FJMS)法；(b)平流鑄造(PFC)法1－激冷輥；2－感應(yīng)加熱器；3－排氣閥；4－壓力表；5－帶材；6－噴嘴；7－合金液；8－激冷基底(單輥表面)圖2-8單輥法快速凝固原理圖2單輥法線速度為10～60m／s(其中以20～30m／s居多)，冷卻速度為l04～107K／s，制得薄帶的厚度為10～100m。單輥法的液膜形成過程可分為熱傳輸控制和動量傳輸控制兩種類型，它是根據(jù)合金熔池中熱傳輸和動量傳輸?shù)南鄬χ匾远x的。如果合金帶從熔池中拉出時(shí)已經(jīng)發(fā)生凝固，凝固層的厚度決定著帶材的厚度，則認(rèn)為該過程是由熱傳輸控制的。相反，如果合金帶從熔池中拉出時(shí)仍為液相，液膜的拉出過程及厚度由熔池中合金熔液的動量傳輸過程控制，則認(rèn)為該過程是由動量傳輸控制的。單輥法線速度為10～60m／s(其中以20～303旋轉(zhuǎn)單輥上的任意一點(diǎn)一旦與合金溶液接觸即在其表面發(fā)生凝固，凝固層逐漸增厚，在其脫離熔池時(shí)凝固層的厚度已經(jīng)達(dá)到一定值ym，此時(shí)固液分離，ym即為最終獲得的帶材厚度。設(shè)熔池與單輥接觸的長度為xd，則液膜凝固過程的熱平衡條件為圖2-9單輥法帶材成形過程的抽象模型l－固液界面；2－同相；3－帶材；4－液相；5－噴嘴；6－熔池；7－坩堝：8－單輥表面

熱傳輸過程控制的單輥法帶材成形過程的抽象模型如圖2-9所示。旋轉(zhuǎn)單輥上的任意一點(diǎn)一旦與合金溶液接觸即在其表面4當(dāng)快速凝固形成非晶合金時(shí)，△h

（結(jié)晶潛熱）=0。凝固時(shí)間可由xd／r求得。帶材厚度計(jì)算式為

的確定是解決該計(jì)算問題的關(guān)鍵，它通常是通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得的。熔區(qū)寬度、單輥速度、合金熔液過熱度、界面張力等都對的取值具有重要的影響。

——單輥與合金熔液的界面熱導(dǎo)率；Tm——合金熔液溫度；△Tm——合金熔液過熱度；

Tr——單輥表面溫度；

——旋轉(zhuǎn)角速度；r——單輥的半徑；c——合金質(zhì)量熱容；

當(dāng)快速凝固形成非晶合金時(shí)，△h（結(jié)晶潛熱）=05

動量傳輸過程控制的單輥表面液膜帶材形成過程如圖2-10所示。由于單輥直徑相對于液膜的厚度非常大，可以忽略單輥表面的曲率，而將其視為平面運(yùn)動，單輥將其運(yùn)動的動量傳遞到合金熔液中形成流動邊界層。圖2-10單輥表面液膜形成過程圖1－單輥表面；2－自由表面；3－熔池；4－流速u為1％的邊界動量傳輸過程控制的單輥表面液膜帶材形成過程如圖26將流速達(dá)到單輥表面運(yùn)動速度u為1％的邊界定義為層流邊界。與熔池后緣的交點(diǎn)定義為液膜與熔池的分離點(diǎn)。液膜形成后，其上部的合金熔液流速仍然很低，仍在不斷被加速，同時(shí)液膜被拉薄。用u表示液膜的水平速度，則根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)方程導(dǎo)出

式中

y——液膜厚度。

將流速達(dá)到單輥表面運(yùn)動速度u為1％的邊界定義為層7當(dāng)動量傳輸控制的單輥表面液膜的水平速度達(dá)到與單輥的表面速度同步時(shí)，液膜的厚度固定下來不再變化。從而根據(jù)液膜凝固過程的熱平衡條件及液膜與熔池分離時(shí)的速度分布，可以算出液膜的厚度。在實(shí)際工藝過程中，需要不斷向熔池中補(bǔ)充合金熔液，除了液相的水平運(yùn)動外存在著液相在y方向的流動，是一個(gè)二維流動問題，如圖2-11所示。圖2-11冷卻輥表面液膜中的二維模型

—合金熔液流速與基板(單輥)速度比當(dāng)動量傳輸控制的單輥表面液膜的水平速度達(dá)到與單輥8

單輥法中當(dāng)薄帶寬度小于5mm時(shí)采用圓孔噴嘴，更寬時(shí)采用狹縫噴嘴。Heinemann采用多噴嘴制備了寬300mm左右的薄帶，如圖2-12所示。圖2-12單輥法制備寬帶1－單輥；2－熔液保持器；3－噴嘴；4－控溫加熱器；5－保溫爐；6－壓力控制器；7電源；8－薄帶；9－空氣鏟單輥法中當(dāng)薄帶寬度小于5mm時(shí)采用圓孔噴嘴，9圖2-13為在單輥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的單輥法復(fù)合帶材快速凝固技術(shù)，它是將熔融的合金液2噴在單輥表面發(fā)生快速凝固形成非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)的帶材，在該帶材與單輥分離之前，再將熔融的合金液5噴在合金液2上快速凝固，從而獲得快速凝固復(fù)合帶材。圖2-13單輥法制備復(fù)合帶材1－單輥；2、5－合金液；3、4－坩堝；6－感應(yīng)加熱器；7－復(fù)合薄帶圖2-13為在單輥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的單輥法復(fù)合帶10

單輥法快速凝固過程的原理非常簡單，其傳熱過程也不復(fù)雜，但在實(shí)施中存在一些較難解決的技術(shù)問題，主要是：

①單輥需要以2000～10000r／min的高速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)要保證單輥的轉(zhuǎn)速均勻性很高，徑向跳動非常小，以控制薄膜的均勻性；②為了防止合金熔液的氧化，整個(gè)快速凝固過程要在真空或保護(hù)性氣氛下進(jìn)行；③為了獲得較寬并且均勻的非晶合金帶材，液流必須在單輥上均勻成膜，液流出口的設(shè)計(jì)及流速的控制精度要求極高。單輥法快速凝固過程的原理非常簡單，其傳熱過程也不11圖2-14為美國AlliedSignal公司采用單輥法生產(chǎn)非晶合金帶材的示意圖。圖2-14非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖圖2-14為美國AlliedSignal公司采12采用單輥法技術(shù)，我國的國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心(鋼鐵研究總院)等單位可生產(chǎn)寬度在220mm以下不同規(guī)格的鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶帶材和鐵基納米晶帶材，這些產(chǎn)品具有優(yōu)異的軟磁性能，是硅鋼片、坡莫合金以及鐵氧體的換代產(chǎn)品。圖2-15比較了各類軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。

圖2-15各類軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率采用單輥法技術(shù)，我國的國家非晶微晶合金工程技術(shù)研13表2-4非晶、納米晶軟磁合金帶材的主要性能及應(yīng)用領(lǐng)域表2-4非晶、納米晶軟磁合金帶材的主要性能及應(yīng)用領(lǐng)域142.雙輥法

雙輥快速凝固法的基本原理如圖2-16所示。是將熔融合金熔液噴射到兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)的軋輥之間形成薄帶，并實(shí)現(xiàn)快速凝固。雙輥法實(shí)際上是19世紀(jì)就已經(jīng)提出來的鋼坯連鑄技術(shù)的發(fā)展，但長期未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。圖2-16雙輥法快速凝固原理圖l－帶材；2－合金液流；3－加熱器；4－坩堝；5－噴嘴；6－雙輥2.雙輥法圖2-16雙輥法快速凝固原理圖15雙輥法是一種比單輥法更直觀的從合金熔液鑄造薄帶材料的技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是雙面冷卻，因此，所獲得的帶材兩面的表面質(zhì)量相同并且均勻。理論上，雙輥法的冷卻能力應(yīng)大于單輥法，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。在雙輥法快速凝固過程中，合金熔液與冷卻輥的接觸時(shí)間通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單輥法，因?yàn)殡p輥法中冷卻接觸弧非常短，這是雙輥法冷卻能力減小的主要原因?？焖倮鋮s能力由冷卻速度與有效冷卻時(shí)間確定，即使雙輥時(shí)的冷卻速度與單輥相同，甚至可能比單輥時(shí)高，但由于接觸時(shí)間(即有效冷卻時(shí)間)遠(yuǎn)小于單輥時(shí)的情形，故其冷卻能力下降。雙輥法是一種比單輥法更直觀的從合金熔液鑄造薄帶材16雙輥法與單輥法的工藝基礎(chǔ)是明顯不同的。單輥法是利用液相流動邊界層的熱傳輸和動量傳輸過程控制的，而雙輥法則是利用兩個(gè)激冷輥的軋制作用控制的。雙輥法快速凝固過程中，合金熔液應(yīng)在兩個(gè)冷卻輥之間的很小范圍內(nèi)完成凝固過程，否則合金熔液將破碎并球化而不能獲得帶材，因此溫度和冷卻條件的控制顯得更為重要。一般情況下，雙輥法線速度小于12m/s，冷卻速度為104～l07K/s。雙輥法與單輥法的工藝基礎(chǔ)是明顯不同的。單輥法是利17雙輥法也存在著類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝過程控制的難度甚至更大。除此之外，雙輥法工藝過程中兩個(gè)冷卻輥的平行度對帶材質(zhì)量的影響很大。如圖2-17所示，冷卻輥之間任何形狀變化都將反映在最終的產(chǎn)品上。圖2-17雙輥狀態(tài)對薄帶質(zhì)量的影響

(a)平行；(b)傾斜；(c)凸面；(d)凹面雙輥法也存在著類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝18

雙輥法制備帶材快速凝固過程中的凝固模型，如圖2-18所示。

合金熔液在與冷卻輥的接觸點(diǎn)a處開始凝固，而當(dāng)其通過兩個(gè)輥之間的最小間隙后逐漸與軋輥分離，冷卻輥的激冷作用逐漸失去。因此，合金熔液的凝固在角的范圍內(nèi)進(jìn)行。設(shè)雙輥旋轉(zhuǎn)角速度為，則合金熔液在雙輥之間快速凝固的時(shí)間為

圖2-18雙輥法凝固模型雙輥法制備帶材快速凝固過程中的凝固模型，如圖2-19如果合金熔液在冷卻輥之間正好完成凝固過程，如圖2-18中的第二種情況所示，則是理想的凝固過程。如果合金熔液在冷卻輥之間的凝固過程進(jìn)行得不完全，在離開冷卻輥之后冷卻速度將減小，薄帶可能在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)心部維持為液相，如圖2-18中的第三種情況所示，使材質(zhì)下降。如果凝固過程過早完成，則失去一部分雙輥的冷卻作用，在冷卻輥之間的最小距離處發(fā)生固態(tài)變形，如圖2-18中的第一種情況所示。

如果合金熔液在冷卻輥之間正好完成凝固過程，如圖220圖2-19為以雙輥法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固制備技術(shù)原理圖。將預(yù)制的一種帶材沿其中一個(gè)冷卻輥導(dǎo)入雙輥之間，同時(shí)將另外一種合金熔液澆入雙輥之間快速凝固，并貼著另外一個(gè)冷卻輥拉出形，成復(fù)合層。該方法用于制備復(fù)合帶材時(shí)，由于復(fù)合層是貼著冷卻輥之一被拉出的，與冷卻輥有較長的接觸時(shí)間，從而可獲得更大的冷卻速度。圖2-19雙輥法制備復(fù)合薄帶

l、2－冷卻輥；3－基帶；4—噴嘴；5－合金溶液圖2-19為以雙輥法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固制備21由于以上技術(shù)問題，目前雙輥法未能像單輥法那樣，用于制備數(shù)十到100m的非晶或細(xì)晶帶材，而傾向于用來制備毫米級甚至更厚的帶材。此時(shí)，需要在冷卻輥兩端設(shè)置側(cè)封，采用注人式水口(連鑄工藝中的成熟技術(shù))在雙輥間形成熔池。顯然，為保證凝固過程的完成，要大幅度降低雙輥轉(zhuǎn)速，冷卻速度也隨之降低。此工藝亦稱薄帶坯鑄軋法，其思路在一百多年以前就被提出，在技術(shù)進(jìn)步、追求快速凝固效果和近終形成形的現(xiàn)在，其應(yīng)用受到越來越廣泛的重視。由于以上技術(shù)問題，目前雙輥法未能像單輥法那樣，用22

薄帶坯鑄軋?jiān)砣鐖D2-20所示，有關(guān)具體內(nèi)容可參考第5章。圖2-20薄帶坯鑄軋?jiān)韴D薄帶坯鑄軋?jiān)砣鐖D2-20所示，有關(guān)具體內(nèi)容可參考233.溢流法溢流法快速凝固的基本原理如圖2-21所示。它是利用特制的坩堝與激冷單輥的配合，使合金熔液從坩堝的特定形狀的邊沿溢出，并由高速旋轉(zhuǎn)的單輥拉成薄膜，獲得快速凝固帶材。3.溢流法24可以看出，該方法實(shí)際上是單輥法快速凝固技術(shù)的一種改進(jìn)。與單輥法相比，該方法具有以下特點(diǎn)：(1)采用坩堝邊沿溢出的方式取代噴嘴的噴射方式，因而不存在噴射產(chǎn)生的紊流，合金熔液的流動更加平穩(wěn)，有利于獲得均勻的帶材；(2)可采用溶劑對合金熔液進(jìn)行表面保護(hù)，因此可在非真空并無保護(hù)氣氛的條件下進(jìn)行易氧化材料薄帶的快速凝固。由于上述特點(diǎn)，溢流法已被成功地用于鈦合金薄帶的快速凝固制備過程，并已開發(fā)出工程化的生產(chǎn)設(shè)備，其合金的熔化分別采用了感應(yīng)加熱和電渣熔化技術(shù)?？梢钥闯觯摲椒▽?shí)際上是單輥法快速凝固技術(shù)的一種25溢流法可以進(jìn)一步改進(jìn)為如圖2-22所示的結(jié)構(gòu)，從而具有更好的防氧化與擋渣作用。根據(jù)溢流法快速凝固技術(shù)的原理圖可知，溢流法快速凝固過程的薄帶形成原理與單輥法相同，可以用相同的模型進(jìn)行帶厚的估算。該過程的主要控制條件是液面高度，單輥的冷速及各種溫度參數(shù)。而關(guān)鍵技術(shù)則是坩堝溢流緣的結(jié)構(gòu)及其與單輥之間間隙的設(shè)計(jì)及尺寸精度的控制。溢流法可以進(jìn)一步改進(jìn)為如圖2-22所示的結(jié)構(gòu)，從26圖2-23為以溢流法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固過程原理圖。它采用了兩個(gè)溢流坩堝，利用同一個(gè)冷卻輥將兩種不同的合金熔液連續(xù)激冷，獲得快速凝固復(fù)合帶材。圖2-23溢流法制備復(fù)合帶材

1－復(fù)合層；2－基帶；3－激冷輥；4－合金液l；5－合金液2；6－冷卻長度圖2-23為以溢流法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固過程274.甩出法甩出法薄帶快速凝固過程的基本原理及主要參數(shù)，如圖2-24所示。它是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪直接與坩堝中的合金熔液接觸，合金熔液在短時(shí)間中“粘”在飛輪上被高速拋出，形成薄膜材料。

圖2-24甩出法快速凝固原理圖(a)vc=104K/s，(b)vc=106K/s4.甩出法圖2-24甩出法快速凝固原理圖28與單輥法相比，甩出法快速凝固技術(shù)不需要合金熔液導(dǎo)出口，熔煉工藝簡單，不存在噴嘴被堵住及液流不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。通過在飛輪上開口可以獲得非連續(xù)的材料。調(diào)整飛輪的速度和帶材的長寬比，可以獲得帶材、碎片、線材及短纖維。甩出法快速凝固過程中的控制參數(shù)主要是飛輪的浸入深度和旋轉(zhuǎn)速度。前者決定著合金熔液與飛輪的接觸長度。接觸長度越大，合金熔液凝固時(shí)間就越長，其產(chǎn)品的厚度就越大。Mitin等獲得的帶材厚度與旋轉(zhuǎn)角速度及接觸長度l之間的關(guān)系為與單輥法相比，甩出法快速凝固技術(shù)不需要合金熔液導(dǎo)29為了獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品，需要對甩出法在飛輪與合金熔液接觸處的流動雷諾數(shù)Re進(jìn)行控制，Re定義為

當(dāng)Re=1×105時(shí)，液流開始失穩(wěn)。當(dāng)Re>3×105時(shí)，則形成紊流。因此，飛輪旋轉(zhuǎn)速度的選擇應(yīng)使Re滿足1×105<Re<3×105?！辖鹑垡旱倪\(yùn)動黏度為了獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品，需要對甩出法在飛輪與合金熔液30§2.4帶材快速凝固成形1.單輥法

單輥法(singleroller）又稱為熔體甩出法(meltspinning)，它是采用高速旋轉(zhuǎn)的激冷圓輥將合金熔液流鋪展成液膜并在激冷作用下實(shí)現(xiàn)快速凝固的方法。根據(jù)熔融合金熔液引入方式的不同，可分為自由噴射甩出法(free-jetmeltspinning或FJMS法)和平流鑄造法(planarflowcasting或PFC法)，其原理如圖2-8所示。

第2章快速凝固

-2§2.4帶材快速凝固成形1.單輥法第2章快速凝固-231圖2-8單輥法快速凝固原理圖

(a)自由噴射甩出(FJMS)法；(b)平流鑄造(PFC)法1－激冷輥；2－感應(yīng)加熱器；3－排氣閥；4－壓力表；5－帶材；6－噴嘴；7－合金液；8－激冷基底(單輥表面)圖2-8單輥法快速凝固原理圖32單輥法線速度為10～60m／s(其中以20～30m／s居多)，冷卻速度為l04～107K／s，制得薄帶的厚度為10～100m。單輥法的液膜形成過程可分為熱傳輸控制和動量傳輸控制兩種類型，它是根據(jù)合金熔池中熱傳輸和動量傳輸?shù)南鄬χ匾远x的。如果合金帶從熔池中拉出時(shí)已經(jīng)發(fā)生凝固，凝固層的厚度決定著帶材的厚度，則認(rèn)為該過程是由熱傳輸控制的。相反，如果合金帶從熔池中拉出時(shí)仍為液相，液膜的拉出過程及厚度由熔池中合金熔液的動量傳輸過程控制，則認(rèn)為該過程是由動量傳輸控制的。單輥法線速度為10～60m／s(其中以20～3033旋轉(zhuǎn)單輥上的任意一點(diǎn)一旦與合金溶液接觸即在其表面發(fā)生凝固，凝固層逐漸增厚，在其脫離熔池時(shí)凝固層的厚度已經(jīng)達(dá)到一定值ym，此時(shí)固液分離，ym即為最終獲得的帶材厚度。設(shè)熔池與單輥接觸的長度為xd，則液膜凝固過程的熱平衡條件為圖2-9單輥法帶材成形過程的抽象模型l－固液界面；2－同相；3－帶材；4－液相；5－噴嘴；6－熔池；7－坩堝：8－單輥表面

熱傳輸過程控制的單輥法帶材成形過程的抽象模型如圖2-9所示。旋轉(zhuǎn)單輥上的任意一點(diǎn)一旦與合金溶液接觸即在其表面34當(dāng)快速凝固形成非晶合金時(shí)，△h

（結(jié)晶潛熱）=0。凝固時(shí)間可由xd／r求得。帶材厚度計(jì)算式為

的確定是解決該計(jì)算問題的關(guān)鍵，它通常是通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得的。熔區(qū)寬度、單輥速度、合金熔液過熱度、界面張力等都對的取值具有重要的影響。

——單輥與合金熔液的界面熱導(dǎo)率；Tm——合金熔液溫度；△Tm——合金熔液過熱度；

Tr——單輥表面溫度；

——旋轉(zhuǎn)角速度；r——單輥的半徑；c——合金質(zhì)量熱容；

當(dāng)快速凝固形成非晶合金時(shí)，△h（結(jié)晶潛熱）=035

動量傳輸過程控制的單輥表面液膜帶材形成過程如圖2-10所示。由于單輥直徑相對于液膜的厚度非常大，可以忽略單輥表面的曲率，而將其視為平面運(yùn)動，單輥將其運(yùn)動的動量傳遞到合金熔液中形成流動邊界層。圖2-10單輥表面液膜形成過程圖1－單輥表面；2－自由表面；3－熔池；4－流速u為1％的邊界動量傳輸過程控制的單輥表面液膜帶材形成過程如圖236將流速達(dá)到單輥表面運(yùn)動速度u為1％的邊界定義為層流邊界。與熔池后緣的交點(diǎn)定義為液膜與熔池的分離點(diǎn)。液膜形成后，其上部的合金熔液流速仍然很低，仍在不斷被加速，同時(shí)液膜被拉薄。用u表示液膜的水平速度，則根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)方程導(dǎo)出

式中

y——液膜厚度。

將流速達(dá)到單輥表面運(yùn)動速度u為1％的邊界定義為層37當(dāng)動量傳輸控制的單輥表面液膜的水平速度達(dá)到與單輥的表面速度同步時(shí)，液膜的厚度固定下來不再變化。從而根據(jù)液膜凝固過程的熱平衡條件及液膜與熔池分離時(shí)的速度分布，可以算出液膜的厚度。在實(shí)際工藝過程中，需要不斷向熔池中補(bǔ)充合金熔液，除了液相的水平運(yùn)動外存在著液相在y方向的流動，是一個(gè)二維流動問題，如圖2-11所示。圖2-11冷卻輥表面液膜中的二維模型

—合金熔液流速與基板(單輥)速度比當(dāng)動量傳輸控制的單輥表面液膜的水平速度達(dá)到與單輥38

單輥法中當(dāng)薄帶寬度小于5mm時(shí)采用圓孔噴嘴，更寬時(shí)采用狹縫噴嘴。Heinemann采用多噴嘴制備了寬300mm左右的薄帶，如圖2-12所示。圖2-12單輥法制備寬帶1－單輥；2－熔液保持器；3－噴嘴；4－控溫加熱器；5－保溫爐；6－壓力控制器；7電源；8－薄帶；9－空氣鏟單輥法中當(dāng)薄帶寬度小于5mm時(shí)采用圓孔噴嘴，39圖2-13為在單輥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的單輥法復(fù)合帶材快速凝固技術(shù)，它是將熔融的合金液2噴在單輥表面發(fā)生快速凝固形成非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)的帶材，在該帶材與單輥分離之前，再將熔融的合金液5噴在合金液2上快速凝固，從而獲得快速凝固復(fù)合帶材。圖2-13單輥法制備復(fù)合帶材1－單輥；2、5－合金液；3、4－坩堝；6－感應(yīng)加熱器；7－復(fù)合薄帶圖2-13為在單輥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的單輥法復(fù)合帶40

單輥法快速凝固過程的原理非常簡單，其傳熱過程也不復(fù)雜，但在實(shí)施中存在一些較難解決的技術(shù)問題，主要是：

①單輥需要以2000～10000r／min的高速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)要保證單輥的轉(zhuǎn)速均勻性很高，徑向跳動非常小，以控制薄膜的均勻性；②為了防止合金熔液的氧化，整個(gè)快速凝固過程要在真空或保護(hù)性氣氛下進(jìn)行；③為了獲得較寬并且均勻的非晶合金帶材，液流必須在單輥上均勻成膜，液流出口的設(shè)計(jì)及流速的控制精度要求極高。單輥法快速凝固過程的原理非常簡單，其傳熱過程也不41圖2-14為美國AlliedSignal公司采用單輥法生產(chǎn)非晶合金帶材的示意圖。圖2-14非晶合金帶材生產(chǎn)線示意圖圖2-14為美國AlliedSignal公司采42采用單輥法技術(shù)，我國的國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心(鋼鐵研究總院)等單位可生產(chǎn)寬度在220mm以下不同規(guī)格的鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶帶材和鐵基納米晶帶材，這些產(chǎn)品具有優(yōu)異的軟磁性能，是硅鋼片、坡莫合金以及鐵氧體的換代產(chǎn)品。圖2-15比較了各類軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。

圖2-15各類軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率采用單輥法技術(shù)，我國的國家非晶微晶合金工程技術(shù)研43表2-4非晶、納米晶軟磁合金帶材的主要性能及應(yīng)用領(lǐng)域表2-4非晶、納米晶軟磁合金帶材的主要性能及應(yīng)用領(lǐng)域442.雙輥法

雙輥快速凝固法的基本原理如圖2-16所示。是將熔融合金熔液噴射到兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)的軋輥之間形成薄帶，并實(shí)現(xiàn)快速凝固。雙輥法實(shí)際上是19世紀(jì)就已經(jīng)提出來的鋼坯連鑄技術(shù)的發(fā)展，但長期未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。圖2-16雙輥法快速凝固原理圖l－帶材；2－合金液流；3－加熱器；4－坩堝；5－噴嘴；6－雙輥2.雙輥法圖2-16雙輥法快速凝固原理圖45雙輥法是一種比單輥法更直觀的從合金熔液鑄造薄帶材料的技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是雙面冷卻，因此，所獲得的帶材兩面的表面質(zhì)量相同并且均勻。理論上，雙輥法的冷卻能力應(yīng)大于單輥法，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。在雙輥法快速凝固過程中，合金熔液與冷卻輥的接觸時(shí)間通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單輥法，因?yàn)殡p輥法中冷卻接觸弧非常短，這是雙輥法冷卻能力減小的主要原因?？焖倮鋮s能力由冷卻速度與有效冷卻時(shí)間確定，即使雙輥時(shí)的冷卻速度與單輥相同，甚至可能比單輥時(shí)高，但由于接觸時(shí)間(即有效冷卻時(shí)間)遠(yuǎn)小于單輥時(shí)的情形，故其冷卻能力下降。雙輥法是一種比單輥法更直觀的從合金熔液鑄造薄帶材46雙輥法與單輥法的工藝基礎(chǔ)是明顯不同的。單輥法是利用液相流動邊界層的熱傳輸和動量傳輸過程控制的，而雙輥法則是利用兩個(gè)激冷輥的軋制作用控制的。雙輥法快速凝固過程中，合金熔液應(yīng)在兩個(gè)冷卻輥之間的很小范圍內(nèi)完成凝固過程，否則合金熔液將破碎并球化而不能獲得帶材，因此溫度和冷卻條件的控制顯得更為重要。一般情況下，雙輥法線速度小于12m/s，冷卻速度為104～l07K/s。雙輥法與單輥法的工藝基礎(chǔ)是明顯不同的。單輥法是利47雙輥法也存在著類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝過程控制的難度甚至更大。除此之外，雙輥法工藝過程中兩個(gè)冷卻輥的平行度對帶材質(zhì)量的影響很大。如圖2-17所示，冷卻輥之間任何形狀變化都將反映在最終的產(chǎn)品上。圖2-17雙輥狀態(tài)對薄帶質(zhì)量的影響

(a)平行；(b)傾斜；(c)凸面；(d)凹面雙輥法也存在著類似于單輥法的各種工藝問題，其工藝48

雙輥法制備帶材快速凝固過程中的凝固模型，如圖2-18所示。

合金熔液在與冷卻輥的接觸點(diǎn)a處開始凝固，而當(dāng)其通過兩個(gè)輥之間的最小間隙后逐漸與軋輥分離，冷卻輥的激冷作用逐漸失去。因此，合金熔液的凝固在角的范圍內(nèi)進(jìn)行。設(shè)雙輥旋轉(zhuǎn)角速度為，則合金熔液在雙輥之間快速凝固的時(shí)間為

圖2-18雙輥法凝固模型雙輥法制備帶材快速凝固過程中的凝固模型，如圖2-49如果合金熔液在冷卻輥之間正好完成凝固過程，如圖2-18中的第二種情況所示，則是理想的凝固過程。如果合金熔液在冷卻輥之間的凝固過程進(jìn)行得不完全，在離開冷卻輥之后冷卻速度將減小，薄帶可能在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)心部維持為液相，如圖2-18中的第三種情況所示，使材質(zhì)下降。如果凝固過程過早完成，則失去一部分雙輥的冷卻作用，在冷卻輥之間的最小距離處發(fā)生固態(tài)變形，如圖2-18中的第一種情況所示。

如果合金熔液在冷卻輥之間正好完成凝固過程，如圖250圖2-19為以雙輥法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固制備技術(shù)原理圖。將預(yù)制的一種帶材沿其中一個(gè)冷卻輥導(dǎo)入雙輥之間，同時(shí)將另外一種合金熔液澆入雙輥之間快速凝固，并貼著另外一個(gè)冷卻輥拉出形，成復(fù)合層。該方法用于制備復(fù)合帶材時(shí)，由于復(fù)合層是貼著冷卻輥之一被拉出的，與冷卻輥有較長的接觸時(shí)間，從而可獲得更大的冷卻速度。圖2-19雙輥法制備復(fù)合薄帶

l、2－冷卻輥；3－基帶；4—噴嘴；5－合金溶液圖2-19為以雙輥法為基礎(chǔ)的復(fù)合帶材快速凝固制備51由于以上技術(shù)問題，目前雙輥法未能像單輥法那樣，用于制備數(shù)十到100m的非晶或細(xì)晶帶材，而傾向于用來制備毫米級甚至更厚的帶材。此時(shí)，需要在冷卻輥兩端設(shè)置側(cè)封，采用注人式水口(連鑄工藝中的成熟技術(shù))在雙輥間形成熔池。顯然，為保證凝固過程的完成，要大幅度降低雙輥轉(zhuǎn)速，冷卻速度也隨之降低。此工藝亦稱薄帶坯鑄軋法，其思路在一百多年以前就被提出，在技術(shù)進(jìn)步、追求快速凝固效果和近終形成形的現(xiàn)在，其應(yīng)用受到越來越廣泛的重視。由于以上技術(shù)問題，目前雙輥法未能像單輥法那樣，用52

薄帶坯鑄軋?jiān)砣鐖D2-20所示，有關(guān)具體內(nèi)容可參考第5章。圖2-20薄帶坯鑄軋?jiān)韴D薄帶坯鑄軋?jiān)砣鐖D2-20所示，有關(guān)具體內(nèi)容可參考533.溢流法溢流法快速凝固的基本原理如圖2-21所示。它是利用特制的坩堝與激冷單輥的配合，使合金熔液從坩堝的特定形狀的邊沿溢出，并由高速旋轉(zhuǎn)的單輥拉成薄膜，獲得快速凝固帶材。3.溢流法54可以看出，該方法實(shí)際上是單輥法快速凝固技術(shù)的一種改進(jìn)。與單輥法相比，該方法具有以下特點(diǎn)：(1)采用坩堝邊沿溢出的方式取代噴