专利名称：一种快淬合金的制造方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料及其制备技术领域，特别提供了一种粘结磁体用稀土永磁粉及其制备方法。
背景技术：
快淬技术已被广泛地应用于制备各种微晶或非晶金属及合金，尤其在磁性特种合金领域有着更为广泛地应用。如，利用快淬工艺制备狗-·系、Fe-Ni-Co系、Itefe14B系、稀土铁氮系合金。快淬工艺要求装置能够提供极大的冷却能力(104-106K/s)，从而使高温熔体在极短时间内获得较大的过冷度。目前，工业化的熔体快淬工艺一般是将熔融的合金以一定速度喷射到高速旋转的冷却辊上瞬间凝固形成厚度在0. 02-0. 05mm的薄带。为了提高冷却能力，一般的做法是可能地提高冷却辊表面线速度(10-80m/s)，并尽可能地降低冷却辊的表面温度。有关快淬合金制备方法及设备的专利国外主要有1985年美国专利4496395， 公开了一种高矫顽力稀土铁永磁体，其中涉及到了一种快淬制备技术，是将熔融的合金以17kPa的压力喷射到表面线速度2. 5-25m/s的冷却辊上面进行快淬。1989年美国专利4836868，公开了一种永磁体及采用快淬工艺的制备方法。此外，还有美国专利 5049208、4802931、5056585、5174362、5172751、5209789，日本专利特开 P2002-57017A、特开 P2004-63666A 等。相关专利国内主要有CN 1430035A、CN 1023689C、CN 1078258C、CN 101241789A、CN 201209153Y 等。上述专利涉及的快淬工艺及设备原理基本相同，都是将熔融的合金喷射到冷却辊上进行快淬，不同之处是冷却辊的表面线速度或熔融合金喷射时的压力等参数。根据上述专利公开的信息，采用石英坩埚熔炼合金的工艺喷射的压力较小，一般不超过0. IMPa;而采用坩埚熔炼，再经中间包浇注的快淬工艺是靠中间包中金属自重产生的压力喷射到冷却辊上。上述工艺普遍存在以下缺点第一，熔融合金喷射到冷却辊上的流速无法精确控制，造成快淬合金带薄厚不均勻、成品率降低；第二，熔融合金喷口容易堵塞，造成生产中断；第三，不能够获得更大的冷却速率。此外，上述专利公开的快淬工艺普遍存在一个致命的弱点就是熔融合金基本都是通过细小的单孔喷射到冷却辊上的，这导致该工艺生产效率极其低下，成本过高。
发明内容
本发明提供了一种快淬合金的制造方法及设备。目的在于解决现有快淬工艺上述诸多缺点。本发明提供的一种快淬合金的制造方法，其特征在于1.熔融的合金液通过喷嘴喷射而出进行快淬，合金熔炼和快淬分别在两个独立的环境下进行，两个环境的压力Pl和P2可以独立控制。
2.两个环境的压力皆可以从1. OXKT4Pa到5. OX 106! 连续可调。3.快淬过程中Pl与P2的压力差可正可负并连续可调。4.中间包底部带有一个喷嘴，喷嘴上具有1 20个横截面积为0. 03 IOmm2的开孔。5.喷嘴上具有1 10个横截面积为0. 1 2. Omm2的开孔。6.喷嘴上具有3 10个横截面积为0. 3 1. 2mm2的开孔。7.冷却辊的表面宽度为5-200mm，表面线速度在5 100m/S连续可调。8.冷却辊的表面宽度为10-50mm，表面线速度在10 60m/s连续可调。考虑到成本和效率问题，该方法熔炼方式一般情况下选择中频感应熔炼，可以保证熔炼合金组织和成分的均勻性，以及合金液温度可控性，保证合金溶液喷出的流动性；如对合金纯度要求较高，可选择磁悬浮熔炼。而熔炼高熔点难融金属或合金则可选择电弧熔炼或电子束熔炼。熔炼的合金浇注到底部带有喷嘴的中间包内，为了使中间包以及喷嘴内的合金液保持熔融状态，中间包与喷嘴均带有加热装置，且通过电流控制加热温度的高低，从而保证熔融合金液温度可控。由于喷嘴在工作过程中长时间处于高温、高压环境下，需要选择强度高、耐高温、耐腐蚀的材质，如金刚石、氮化硼、石英等。熔化的合金液通过喷嘴喷射而出进行快淬，可直接喷射而出得到细小球形的粉末，也可喷射到水冷辊上进行快淬形成片状粉末，为了形成更高的冷却速率，本发明优选后者。在快淬过程中，合金熔炼部分与快淬部分的压力差为本发明的核心，首先，合金液的喷出利用了两个腔体的压力差，本发明提高的压力在1. OXKr4I3a到5. ox 106 连续可调，压力超过5MPa，超过了现有设备的承受能力，而目前现有设备的真空系统极限真空在10_4Pa 范围，通过真空系统与气体量的调节，改变设备两个环境的压力差。当合金液喷出速度过慢，导致合金液喷出不畅时，加大喷射压力差；当喷速过快，水冷辊上来不及快淬时，降低压力差，从而有利于快淬均勻稳定地进行。其次，为了防止合金液喷出时堵塞喷嘴，本发明提出采用多个喷嘴来解决，本发明采用1 20个喷嘴，为了达到该效果同时考虑到设备的紧凑型，优选为个1 10个喷嘴， 更加优选为3 10个喷嘴。喷嘴开孔的横截面积太小，容易造成喷嘴的堵塞，不利于合金液的流出；横截面积太大，合金液喷射速度过快，造成合金薄片不均勻，本发明优选0. 1 2. Omm2的开孔，更加优选为0. 3 1. 2mm2的开孔。本工艺采用的环境为惰性气体氩气、氦气或者氮气的环境，优选为氩气，保证合金粉在制备过程中不被氧化，喷出的压力差也通过调节气体压力来控制。本发明中采用的水冷辊材质为铜、铜合金、钼、钼合金、铁、铁合金、钨、钨合金、钛、 钛合金中的任一种，优选钼合金或铜合金；冷却辊所用的冷却介质为水、液氮、油中的至少一种，考虑到成本以及生产中的可操作性，本发明优选水作为冷却介质。冷却辊的宽度可以根据中间包底部喷嘴开孔的数量选择5 600mm之间，冷却辊的表面线速度可根据工艺需要在5 100m/S之间调节，一般情况下选择冷却辊的宽度在 5 200mm，优选为10 50mm，表面线速度应控制在10 60m/s之间。该工艺的优点相对传统的合金快淬工艺主要有以下几点第一，熔融合金喷速可以实时控制，喷嘴不易堵塞、工艺稳定，产品均勻性好。
该方法最大的特点是通过单独控制熔炼环境压力(中间包上表面的压力)与快淬环境压力(底部喷嘴端的压力)，可消除因中间包中熔融合金液面高低变化或喷嘴堵塞造成的喷射速度不稳，获得非常均勻的熔融合金喷速。如流速过快时可调节快淬环境压力大于熔炼环境压力，减小流速；流速过小时可调节快淬环境压力小于熔炼环境压力，增大流速。第二，熔融合金喷射压力大，流速快，快淬可获得更大的冷却速率。该方法由于可以控制熔炼环境压力远大于快淬环境压力，从而在中间包合金上表面与喷嘴端获得很高的压力差，因此熔融合金喷射压力非常高，流速快，效率高，并且相同条件下可以获得更高的冷却速率。第三，适合熔炼易挥发金属或合金。普通快淬炉一般熔炼环境为负压，这会导致一些高温下蒸汽压较大的易挥发金属或合金大量挥发、烧损，从而造成快淬合金成分不准确。而该方法熔炼环境压力可以最高控制在5MPa，从而大大降低熔炼时易挥发金属或合金的挥发、烧损。第四，可连续生产，效率高，成本低。该方法采用中间包喷射熔融合金，具有自动加料装置，可以连续生产，并且中间包底部的喷嘴可有多个开孔，这可以成倍地提高熔融合金喷射流量，从而提高生产效率，降低生产成本，非常适合工业化生产。如目前普通快淬工艺熔融合金喷射流量约1. 0-1. 5kg/ min,而本发明熔融合金喷射流量最大可达20kg/min。通过本发明提供的方法可以有效解决稀土永磁材料在制备过程中面临的问题，采用本方法制备的材料主要为钕铁硼系与稀土铁氮系磁性材料，相对现有方法，制备的材料获得了高的性能。本发明提供的一种快淬合金制造方法所使用的设备，其特征在于1.该设备具有上下两个可分别控制压力的腔体。2.该设备含有炉体⑴、加料系统(2)、熔炼坩埚、中间包(7)、冷却辊(11)、坩埚加热系统(5)、中间包加热系统(8)、测温系统(6)、收料系统(10)、抽真空系统(17)和气压控制系统(15)。3.加料系统O)、熔炼坩埚⑷和中间包(7)位于炉体的上部腔体，冷却辊(11) 和收料系统(10)位于炉体的下部腔体；设备上、下腔体相互隔离开来，仅通过中间包底部喷嘴上的开孔(18)相连接。该设备炉体分为上下两部分中间用钢板隔开，加料系统、熔炼坩埚，中间包和测温装置位于上半部分，中间包底部喷嘴，冷却辊和收料系统位于下半部分。加料系统包括储料仓，电机和溜槽。测温系统包括温度传感器，数据传输线、计算机及显示屏，可以测量熔炼坩埚和中间包内熔融合金的温度。收料系统包括收料仓和冷却风机。抽真空系统一般包括机械泵、罗茨泵，可根据真空度需要增加扩散泵。气压控制系统包括气体流量计、真空计、压力表、真空电磁阀、计算机和气源。测温装置采用热电偶测温或红外线测温，可同时对熔炼坩埚和中间包中熔融合金的温度进行测量，测量最高温度可达2000°C。说明书附1为本发明提供的一种快淬合金制造方法所使用的设备示意图。
图中1.炉体，2.加料系统，3.加料电机，4.熔炼坩埚，5.坩埚加热系统，6.测温系统，7.中间包，8.中间包加热系统，9.冷却风机，10.收料系统，11.冷却辊，12.中间包底部喷嘴，13.压力表，14.真空电磁阀，15.气压控制系统，16.气源，17.抽真空系统。图2—种中间包底部喷嘴的剖面图。图中18.开孔。
具体实施例方式以下用实例对本发明作进一步说明。本发明保护范围不受这些实施例的限制，本发明保护范围由权利要求书决定。为了表述清楚，实施例中采用字母代替具体参数，开孔数N、开孔横截面积S(mm2)、 冷却辊表面宽度L(mm)、冷却辊线速度V(m/s)。材料的磁性能中，iHc单位为kOe，Br单位为kGs，(BH)m单位为MGOe。为了表明本发明的优越性，实施例中列出采用普通快淬炉进行快淬制备材料的性能。本实施例中列出普通快淬炉与本发明提供的设备相比，熔炼与快淬均在一个腔体里进行，喷嘴开孔数为1，同时合金液仅靠自重从喷嘴流出，不能通过调节熔炼与快淬环境的压力来控制流速。为了使对比更有说服力，除了在快淬过程中制备方法不同外，材料的成分、 热处理工艺与实施例中处理过程相同。对钐铁氮系材料来说，后续经过初破碎制备粉末的粒度，氮化温度及时间等工艺与实施例完全相同。材料的磁性能采用VSM进行测量。本发明实施过程如下(1)钕铁硼系磁性材料的制备该系列材料可以为Rx(Fe1^yMy) ιοο-χ-ζΒζ,该材料以R2Fe14B为主相，4彡χ彡15at%, 0. 5 彡 ζ 彡 20at%,0 ^ y ^ 0. 5at%，M 为 Zr、Hf、Mn、Ti、Si、V、Co、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、Ga、 Ta、Cu、Zn中的一种或多种。将具有该成分的原料装入熔炼坩埚和加料系统的储料仓内，开启循环水系统，对熔炼和快淬两个腔体抽真空至1. OX 10-3 以下。关闭抽真空系统，给两个腔体充入氩气至 5. OXlO4Pa0开启坩埚加热系统和中间包加热系统，开始熔炼化料，同时对中间包及底部的喷嘴进行预热。等坩埚内的原料完全熔化后，开启冷却辊和收料仓冷却风机，调整冷却辊表面线速度，将坩埚内的熔融合金浇注到中间包内，合金液从喷嘴喷出，开始快淬。在快淬的过程中，气压调节系统会自动控制保持熔炼腔体气压Pl和快淬腔体气压P2压差的稳定，同时可通过观察窗口针对快淬状况实时监控，根据快淬状态手动调节Pl 和P2的压力状态和压力差，测温系统会自动控制中间包加热电源保持中间包内熔融合金温度稳定，从而保证快淬工艺的稳定。快淬结束，待收料仓内温度降至室温时，出炉即得到快淬钕铁硼合金粉。将得到的合金粉放入晶化炉中经过600 800°C，5min 池的热处理，处理后即得性能优异的各向同性钕铁硼磁粉。实施例权利要求
1.一种合金的制造方法，将熔融的合金液通过喷嘴喷射而出进行快淬，其特征在于 合金熔炼和快淬分别在两个独立的环境下进行，两个环境的压力Pl和P2可以独立控制。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述两个环境的压力皆可以从 1.0X10_4Pa 到 5. OXlO6Pa 连续可调。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述快淬过程中Pl与P2的压力差可正可负并连续可调。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于合金熔炼过程包括坩埚加热以及中间包加热两部分。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述的中间包底部带有一个喷嘴，喷嘴上具有1 20个横截面积为0. 03 IOmm2的开孔。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述的喷嘴上具有1 10个横截面积为 0. 1 2. Omm2的开孔。
7.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述的喷嘴上具有3 10个横截面积为 0. 3 1. 2mm2的开孔。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于熔化的金属合金通过喷嘴喷射到冷却辊上快淬，冷却辊的表面宽度为5 200mm，表面线速度在5 100m/S连续可调。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于所述的冷却辊的表面宽度为10 50mm，表面线速度在10 60m/s连续可调。
10.一种权利要求1所述的快淬合金制造方法所使用的设备，其特征在于该设备具有上下两个可分别控制压力的腔体。
11.按权利要求10所述的设备，其特征在于该设备含有炉体(1)、加料系统O)、熔炼坩埚(4)、中间包(7)、冷却辊(11)、坩埚加热系统(5)、中间包加热系统(8)、测温系统(6)、 收料系统(10)、抽真空系统(17)和气压控制系统(15)。
12.按权利要求11所述的设备，其特征在于所述的加料系统O)、熔炼坩埚(4)和中间包(7)位于炉体的上部腔体，冷却辊(11)和收料系统(10)位于炉体的下部腔体；设备上、下腔体相互隔离，仅通过中间包底部喷嘴上的开孔(18)相连接。
全文摘要
本发明提供了一种可制造快淬金属合金的方法及设备，属于金属材料及制备技术领域。该方法包括熔炼，浇注和快淬三个步骤，主要特点在于合金熔炼和快淬分别在两个独立的环境下进行，两个环境的压力可以独立控制。该方法通过分别控制熔炼及快淬的压力，可实现快淬速度的均匀控制，具有增大快淬冷却速率，提高快淬合金厚度均匀性，减少喷嘴堵塞几率的优点。
文档编号B22F9/08GK102205417SQ201010134360
公开日2011年10月5日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者于敦波, 李世鹏, 李扩社, 李红卫, 王民, 罗阳, 袁永强 申请人:有研稀土新材料股份有限公司