本發(fā)明屬于金屬功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法。

背景技術(shù)：

合金熔體粘度是表征合金熔體物理性質(zhì)的一個重要物理量，直接反映原子和原子團(tuán)簇在熔體中的輸運(yùn)情況，是流體控制方程的基本參數(shù)。溫度是影響合金熔體粘度的主要因素，合金熔體粘度隨著溫度變化的一般規(guī)律是溫度上升，粘度降低；溫度下降，粘度增加。由于合金熔體粘度與溫度成反比，在合金熔體凝固過程中熔體溫度下降導(dǎo)致合金熔體粘度增加，使熔體失去流動性，轉(zhuǎn)變成固體。固體合金的結(jié)構(gòu)是由凝固過程決定的，在凝固過程中能將合金熔體的結(jié)構(gòu)保留到固態(tài)合金，就得到固體非晶合金。要實(shí)現(xiàn)合金熔體到固體非晶合金的轉(zhuǎn)變,凝固過程必須是完全的過冷凝固，在過冷凝固中沒有出現(xiàn)晶體的形核生長。過冷凝固要求合金熔體必須具有一定的過冷度，合金熔體的過冷度越大，合金熔體的非晶形成能力越強(qiáng)，越容易獲得固體非晶合金。由于合金熔體的過冷度很小，只能采用人為增加金熔體過冷度的方式使合金熔體到固體合金的轉(zhuǎn)變滿足過冷凝固，將熔體結(jié)構(gòu)保留到固體合金中。高速冷卻凝固是一種有效增加合金熔體過冷度的方式，是制備固體非晶合金的主要方法之一，因為在高速冷卻凝固過程中，合金熔體粘度增加的幅度小于降溫幅度，形成粘度滯后現(xiàn)象，降溫速率越快，粘度滯后越嚴(yán)重，當(dāng)粘度滯后達(dá)到一定程度時，可實(shí)現(xiàn)合金熔體的過冷凝固，得到固體非晶合金。

借助高速冷卻凝固方法雖然可以將合金熔體制備成固體非晶合金，但是固體非晶合金的尺寸卻受到合金熔體本身的非晶形成能力和設(shè)備冷卻能力的限制。固體非晶合金的尺寸對于固體非晶合金的應(yīng)用，特別是對利用非晶合金制造的產(chǎn)品十分重要，例如，軟磁非晶合金帶材厚度是決定節(jié)能變壓器和非晶電機(jī)鐵芯疊片系數(shù)的關(guān)鍵因素，增加非晶合金帶材的厚度有利于提升鐵芯制備效率和性能。要增加非晶合金帶材的厚度和獲得更大尺寸的固體非晶合金，就必須進(jìn)一步增加高速冷卻凝固過程中合金熔體的過冷度，要實(shí)現(xiàn)這一目的，就必須增強(qiáng)設(shè)備的冷卻能力或者合金熔體的非晶形成能力。合金熔體本身的非晶形成能力主要取決于合金的成份配比，因此可以通過調(diào)整合金成份配比來提高合金熔體的非晶形成能力。美國專利US5958153A公開了一種在鐵基非晶合金中添加P來制備厚度在40-90μm的非晶合金帶材的方法，這種含P非晶合金帶材的成份配比為(FeSiBC)100-xPx，其中x的變化范圍在2～6at.％，由于在合金中加入P元素，導(dǎo)致Fe含量的降低，因此該方法存在的主要不足之處是：非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低。從已公開的專利和文獻(xiàn)報道可知，雖然合金成份的改變可以提高合金熔體的非晶形成能力，但是合金成份配比的改變同樣會改變固體非晶合金的宏觀性能。對于非晶合金材料來講，宏觀性能的下降必然會明顯影響非晶合金材料和制品的性能。為了確保固體非晶合金的宏觀性能，通常制備的固體非晶合金都有固定的成份配比，不能隨意改變。當(dāng)合金成份配比使得合金熔體本身的非晶形成能力不足時，可以通過提高設(shè)備的冷卻能力，增加快速凝固過程中的降溫速率來進(jìn)行彌補(bǔ)。但是提高設(shè)備的冷卻能力涉及到裝備設(shè)計和制備等諸多方面的問題，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性技術(shù)工程。

合金熔體粘度的變化反映了熔體結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)，溫度上升時，熔體中穩(wěn)定性差的大尺寸原子團(tuán)簇分解成尺寸更小的、但穩(wěn)定性更好的小團(tuán)簇，尺寸小的團(tuán)簇有利于增加熔體的流動性，所以粘度降低；溫度下降時，熔體中原子團(tuán)簇的尺寸增大，尺寸大的原子團(tuán)簇不有利于熔體的流動性，所以粘度增加。在升、降溫過程中熔體原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的變化速度總是落后于溫度的變化，在合金熔體宏觀性質(zhì)上體現(xiàn)為粘度滯后現(xiàn)象。降溫過程中，在高穩(wěn)定性的小尺寸原子團(tuán)簇上面增加原子需克服的勢壘比穩(wěn)定性差的大尺寸原子團(tuán)簇分解需克服的勢壘大，所以降溫過程中熔體粘滯現(xiàn)象比升溫過程中熔體粘滯現(xiàn)象更明顯。合金熔體粘度滯后增加了熔體的過冷度，有助于提高合金熔體的非晶形成能力。

綜上所述，盡管增加非晶合金帶材厚度對于非晶帶材的應(yīng)用有重要作用，但目前仍然缺乏提高非晶合金帶材厚度的有效技術(shù)方法，主要原因是：缺乏提高合金熔體非晶形成能力的技術(shù)方法。通過提高合金熔體的非晶形成能力來增加非晶合金帶材厚度是目前非晶合金材料領(lǐng)域未能解決的關(guān)鍵且重要科學(xué)技術(shù)問題之一。因此，在提高合金熔體非晶形成能力的基礎(chǔ)上，建立增加非晶合金帶材厚度的工藝方法是滿足重要的非晶態(tài)固體合金材料研究和工程化生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)，而且還是研發(fā)新型高性能固體非晶合金材料急需的重要技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的的不足而提供的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法，本發(fā)明能夠有效增加非晶合金帶材厚度，以顯著改善利用非晶態(tài)固體合金帶材制造鐵芯的疊片系數(shù)，提高非晶態(tài)固體合金帶材鐵芯的效率。

根據(jù)本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法，其特征在于，包括如下具體步驟：

步驟1，建立過熱循環(huán)處理與降低合金熔體粘度的關(guān)系：(1)設(shè)定Fe79Si13B8合金熔體的過熱溫度為1700℃,熱循環(huán)處理的溫度區(qū)間為1240-1700℃；(2)采用高溫粘度測量儀測量合金熔體的粘度,Fe79Si13B8合金熔體的升溫和降溫速度均設(shè)定為10℃/分鐘,在測量每個溫度的合金熔體的粘度前，首先保溫1小時，然后再進(jìn)行測量，得到Fe79Si13B8合金熔體的粘度隨溫度變化的特征；

步驟2，選擇在澆注溫度能大幅度降低合金熔體粘度的過熱循環(huán)處理溫度并進(jìn)行熱處理：(1)基于實(shí)際測量的Fe79Si13B8合金熔體的粘度值，得到在1700℃過熱處理后，再降溫至1240℃時，F(xiàn)e79Si13B8合金熔體的粘度值下降了13.5％，由此選擇Fe79Si13B8合金熔體的過熱處理溫度為1700℃；(2)將Fe78Si9B13合金熔體以10℃/分鐘的速率升溫至1700℃并在該溫度條件下保溫1小時；

步驟3，將過熱處理后的合金熔體溫度降至設(shè)定的澆注溫度并快速凝固得到非晶態(tài)固體合金薄帶：將在1700℃過熱處理后的Fe79Si13B8合金熔體以60℃/分鐘的速率降溫到1240℃，然后將Fe79Si13B8合金熔體通過噴嘴連續(xù)澆注高速旋轉(zhuǎn)的快速冷卻銅輥上，該銅輥表面的線速度為25米/秒，被迅速凝固成厚度為32微米的非晶態(tài)固體合金薄帶。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理是：本發(fā)明的步驟1為測量過熱循環(huán)處理合金熔體的粘滯特征：由于合金熔體粘度隨溫度變化具有滯后性，對合金熔體在設(shè)定的溫度區(qū)間進(jìn)行過熱循環(huán)處理時，在升溫過程和降溫過程中合金熔體有不同的粘滯性，使得熔體粘度不再是溫度的單值函數(shù)，而是溫度的多值函數(shù)；利用高溫粘度測量儀器對合金熔體在過熱循環(huán)處理過程中的粘度進(jìn)行測量，得到過熱循環(huán)處理合金熔體的粘滯特征；步驟2為選擇在澆注溫度能大幅降低合金熔體粘度的過熱循環(huán)處理溫度并進(jìn)行熱處理：隨著合金熔體過熱循環(huán)處理溫度的不同，不同的過熱處理溫度導(dǎo)致合金熔體在澆注溫度有不同的粘度值，通過建立熔體粘度與過熱處理溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系可解決最佳過熱循環(huán)處理溫度的選擇問題；按照已知的熔體粘滯特征與合金熔體過熱循環(huán)處理溫度的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，選擇在澆注溫度能大幅降低合金熔體粘度的過熱處理溫度并在相應(yīng)的溫度區(qū)間進(jìn)行循環(huán)熱處理；步驟3為將過熱處理的合金熔體降溫到設(shè)定的熔體澆注溫度并快速凝固得到非晶態(tài)固體合金薄帶：將過熱循環(huán)處理后的合金熔體迅速降溫到快速凝固工藝設(shè)定的正常合金熔體溫度，同時進(jìn)行快速凝固，得到非晶態(tài)固體合金，以實(shí)現(xiàn)固體非晶合金帶材厚度的提高。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

一是本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法，開創(chuàng)了本領(lǐng)域制備大厚度的固體非晶合金帶材的新理念和新方案。

二是本發(fā)明適用于所有的合金熔體，特別是能夠在合金熔體成份有較大波動的情況下增加固體非晶合金帶材的厚度。

三是本發(fā)明具有實(shí)施簡便、效率高、成本低、可操控性和重復(fù)性強(qiáng)、技術(shù)可靠性高等特點(diǎn)，適合于在金屬功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法的流程方框示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1對Fe79Si13B8合金熔體溫度在溫度區(qū)間1240-1700℃過熱處理過程中測量粘度的示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1利用透射電鏡拍攝的Fe79Si13B8固體非晶合金的高分辨像，合金熔體經(jīng)1700℃過熱處理后，降溫至1240℃并采用高速平面流連鑄技術(shù)將Fe79Si13B8合金熔體快速凝固成非晶態(tài)固體合金薄帶的示意圖；圖3中顯示的只有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，看不到晶態(tài)區(qū)域。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1利用透射電鏡拍攝的Fe79Si13B8非晶態(tài)固體合金的高分辨像，采用高速平面流連鑄技術(shù)將未經(jīng)過熱處理的1240℃Fe79Si13B8合金熔體直接快速凝固成非晶態(tài)固體合金薄帶的示意圖；圖4中的圓圈示出的區(qū)域為一些零散分布的納米尺度晶態(tài)區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法，包括如下具體步驟：

步驟1，建立過熱循環(huán)處理與降低合金熔體粘度的關(guān)聯(lián)關(guān)系：(1)設(shè)定Fe79Si13B8合金熔體的過熱溫度為1700℃,熱循環(huán)處理的溫度區(qū)間為1240-1700℃；(2)采用高溫粘度測量儀測量合金熔體的粘度,Fe79Si13B8合金熔體的升溫和降溫速度均設(shè)定為10℃/分鐘,在測量每個溫度的合金熔體的粘度前，首先保溫1小時，然后再進(jìn)行測量，得到Fe79Si13B8合金熔體的粘度隨溫度變化的特征；

步驟2，選擇在澆注溫度能大幅度降低合金熔體粘度的過熱循環(huán)處理溫度并進(jìn)行熱處理：(1)基于實(shí)際測量的Fe79Si13B8合金熔體的粘度值，得到在1700℃過熱處理后，再降溫至1240℃時，F(xiàn)e79Si13B8合金熔體的粘度值下降13.5％，由此選擇Fe79Si13B8合金熔體的過熱處理溫度為1700℃；(2)將Fe79Si13B8合金熔體以10℃/分鐘的速率升溫至1700℃并在該溫度條件下保溫1小時；

步驟3，將過熱處理后的合金熔體溫度降至設(shè)定的澆注溫度并快速凝固得到非晶態(tài)固體合金薄帶：將在1700℃過熱處理后的Fe79Si13B8合金熔體以60℃/分鐘的速率降溫到1240℃，然后將Fe79Si13B8合金熔體通過噴嘴連續(xù)澆注高速旋轉(zhuǎn)的快速冷卻銅輥上，該銅輥表面的線速度為25米/秒，被迅速凝固成厚度為32微米的非晶態(tài)固體合金薄帶。

本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法的進(jìn)一步的優(yōu)選方案是：

本發(fā)明所述Fe78Si9B13合金熔體的過熱處理溫度高于合金熔體澆注溫度460℃；所述合金熔體過熱處理溫度的調(diào)節(jié)范圍為1240-1700℃；所述非晶態(tài)固體合金的形狀包括薄帶狀、棒狀、片狀、絲狀或粉末狀；所述非晶固體合金薄帶的材質(zhì)為非晶合金體系中的Fe基、FeNi基、FeCo基；所述非晶態(tài)固體合金薄帶的尺寸為帶厚32微米、帶寬50-280毫米。

本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法的具體實(shí)施例如下：

實(shí)施例1：以采用Fe79Si13B8非晶態(tài)固體合金薄帶為例，所述化學(xué)式中的下標(biāo)數(shù)字為at％，該非晶態(tài)固體合金薄帶是采用本領(lǐng)域常用的高速平面流連鑄法制備得到的。運(yùn)用本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法的具體操作步驟如下：

步驟1：(1)選擇Fe79Si13B8合金熔體的過熱溫度為1700℃,熱循環(huán)處理的溫度區(qū)間為1240-1700℃；(2)采用高溫粘度測量儀(GBX公司產(chǎn)品，型號：Viscodrop 2000)測量合金熔體的粘度,合金熔體的升溫和降溫速度都是10℃/分鐘,為了保證粘度測量的準(zhǔn)確性,在每個測量溫度先保溫1小時，然后再進(jìn)行測量，得到的粘度隨溫度變化的特征如圖2所示，顯示出合金熔體過熱處理后的粘滯現(xiàn)象；

步驟2：基于實(shí)際測量的粘度值如圖2所示，可知在1700℃過熱處理后，再降溫到1240℃時，熔體的粘度值下降了約13.5％，由此選擇Fe79Si13B8合金熔體的過熱處理溫度為1700℃，并將Fe79Si13B8合金熔體以10℃/分鐘的速率升溫至1700℃，然后在該溫度條件下保溫1小時；

步驟3：將在1700℃過熱處理后的Fe79Si13B8合金熔體以60℃/分鐘的速率降溫至1240℃，然后將合金熔體通過噴嘴連續(xù)澆注高速旋轉(zhuǎn)的快速冷卻銅輥上，該銅輥表面的線速度為25米/秒，被迅速凝固成厚度約為32微米的非晶態(tài)固體合金薄帶。為了使得所制備的非晶態(tài)固體合金薄帶具有均勻的厚度，在高速平面流連鑄過程中需要做到合金熔體溫度精確檢測及實(shí)時控制、高精度輥?zhàn)扉g距監(jiān)控、冷卻銅輥轉(zhuǎn)速高精度閉環(huán)控制、銅輥冷卻效率調(diào)控和噴帶速率控制。

通過上述步驟得到的非晶態(tài)固體合金Fe79Si13B8薄帶微結(jié)構(gòu)的高分辨像示意圖如圖3所示，其中顯示的結(jié)構(gòu)特征是非晶態(tài)無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征。作為對比，利用相同的快速凝固條件對未經(jīng)過熱處理的1240℃Fe79Si13B8合金熔體直接通過噴嘴連續(xù)澆注高速旋轉(zhuǎn)的快速冷卻銅輥上，該銅輥表面的線速度為25米/秒，制備了厚度30微米的薄帶，該薄帶微結(jié)構(gòu)的高分辨像示意圖如圖4所示，其中可看到在非晶基體中零散分布的納米級晶體結(jié)構(gòu)區(qū)域。說明本發(fā)明能夠增加非晶態(tài)固體合金薄帶的厚度。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種增加非晶合金帶材厚度的工藝方法，能夠在保證非晶態(tài)固體合金薄帶質(zhì)量的前提下，增加固體非晶合金帶材的厚度，獲得高質(zhì)量的固體非晶合金厚帶，適用于不同固體非晶合金材料體系。

本發(fā)明經(jīng)反復(fù)試驗驗證，取得了滿意的試用效果。