玻璃包覆非晶合金微絲制備技術(shù)研究

周智杰

（北京德普羅爾科技有限公司，北京 100029）

玻璃包覆非晶合金微絲制備技術(shù)研究

周智杰

（北京德普羅爾科技有限公司，北京 100029）

金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一旦金屬開(kāi)始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來(lái)，形成晶體。但如果冷卻過(guò)程很快，原子還來(lái)不及重新排列就被凝固住了，就會(huì)產(chǎn)生非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著變化。以Fe基合金制備的非晶態(tài)合金為例，其具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗的特點(diǎn)。采用熔融拉絲法制備的玻璃包覆非晶合金微絲，由于其具有微小的尺寸，可控的一維形狀以及各向異性的電磁性能，近年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。文章對(duì)玻璃包覆非晶合金微絲制備技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

非晶合金微絲；玻璃包覆；高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；各向異性的電磁性能；全自動(dòng)化制備

金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一旦金屬開(kāi)始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來(lái)，形成晶體。但如果冷卻過(guò)程很快，原子還來(lái)不及重新排列就被凝固住了，就會(huì)產(chǎn)生非晶態(tài)合金。

在非晶絲合金的制備中，非晶態(tài)合金微絲的制備是相對(duì)比較容易的。采用熔融拉絲法制備的玻璃包覆非晶合金微絲，由于其具有微小的尺寸，可控的一維形狀以及各向異性的電磁性能，近年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。由于玻璃包覆層厚度和金屬芯半徑對(duì)非晶合金微絲的性能有一定的影響，所以在非晶合金微絲的制備時(shí)要有效地控制微絲的幾何尺寸?，F(xiàn)在關(guān)于非晶絲制備的設(shè)備多為手動(dòng)或半自動(dòng)的設(shè)備，對(duì)制備出的合金微絲的性能穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的不利影響。此項(xiàng)目就是為制備玻璃包覆非晶合金微絲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套全自動(dòng)化生產(chǎn)制備設(shè)備。

1 玻璃包覆非晶合金微絲制備的原理及方法

玻璃包覆非晶合金微絲制備是基于Taylor-Ulitovsky原理，通過(guò)玻璃包覆合金的高頻感應(yīng)熔融拉絲法制備，合金化學(xué)成份為Fe73.5Cu1.0Nb1.0V2.0Si13.5B9.0（Fe基，以下稱(chēng)Fe基合金）。將棒狀合金放入下端封閉的硼硅酸鹽玻璃管中，玻璃管上端連接有抽真空和充氬氣的裝置，利用高頻感應(yīng)加熱線(xiàn)圈將原料合金加熱熔化，同時(shí)玻璃管下端與熔融合金接觸的玻璃被軟化，用工具（一般使用玻璃棒）把玻璃牽引下來(lái)，軟化的玻璃包覆住熔融的合金，纏繞在轉(zhuǎn)盤(pán)上，可以連續(xù)制備玻璃包覆的合金微絲，在高溫線(xiàn)圈下約1 cm處噴冷卻水使玻璃包覆合金微絲快速冷卻，制備出非晶態(tài)的玻璃包覆合金微絲[1]。

制備玻璃包覆非晶合金微絲的主要工藝參數(shù)為：非晶合金微絲收集轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為30～80 r/min（轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為50 mm）；充入氬氣壓強(qiáng)為0.1 MPa；玻璃管外徑為15 mm，壁厚為1.5 mm；原料合金棒的直徑為4 mm；合金的熔融溫度為1 000±50 ℃；制備的玻璃包覆非晶合金微絲的直徑在20～60 μm之間。

2 玻璃包覆非晶合金微絲制備設(shè)備的方案及詳細(xì)結(jié)構(gòu)

2.1 玻璃包覆非晶合金微絲制備設(shè)備的方案

目前玻璃包覆非晶合金微絲制備設(shè)備多數(shù)采用半自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，部分關(guān)鍵工序還是采用手動(dòng)完成，像玻璃絲的牽引、冷卻水的調(diào)節(jié)等，這樣在玻璃包覆非晶合金微絲的制備過(guò)程中就增大了制備出的非晶合金微絲不穩(wěn)定性，例如非晶合金微絲的直徑會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，非晶合金微絲的非晶狀態(tài)不一致等問(wèn)題。

要想解決這樣的問(wèn)題，增加制備出非晶合金微絲的穩(wěn)定性，就要盡可能地減少人為因素的影響和其他外界環(huán)境的影響。

首先，是外界環(huán)境的影響。外界環(huán)境對(duì)制備非晶合金微絲影響主要有：溫度、濕度、氣流、震動(dòng)等，所以要制備出性能良好的非晶合金微絲，就需要有一個(gè)相對(duì)恒溫的空間，濕度保持恒定，無(wú)較大氣體流動(dòng)，無(wú)較大震動(dòng)。

其次就是人為因素的影響。人為因素的影響主要是在半自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中因人手動(dòng)作的不穩(wěn)定性和動(dòng)作的不可復(fù)制性帶來(lái)的產(chǎn)品的不一致性。要消除這些影響，就要使生產(chǎn)脫離人工操作，完全使用自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)。

在自動(dòng)化設(shè)備上，因要減小氣體的流動(dòng)和設(shè)備的震動(dòng)，所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不能用氣動(dòng)元件。同時(shí)因?yàn)橐獙?duì)非晶合金微絲運(yùn)行檢測(cè)，盡量減少電磁干擾[2]。

2.2 玻璃包覆非晶合金微絲制備設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)玻璃包覆非晶合金微絲制備的原理，制備設(shè)備有幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：合金的加熱結(jié)構(gòu)，冷卻結(jié)構(gòu)，供料機(jī)構(gòu)，抽真空及充氬氣結(jié)構(gòu)，非晶合金微絲牽引結(jié)構(gòu)，非晶合金微絲收集結(jié)構(gòu)，非晶合金微絲的檢測(cè)結(jié)構(gòu)。

2.2.1 原料合金的加熱結(jié)構(gòu)

原料合金的加熱結(jié)構(gòu)是制備玻璃包覆非晶合金微絲的最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，它是要將原料合金熔融。

高頻感應(yīng)加熱是將工頻（50 Hz）交流電轉(zhuǎn)換成頻率一般為1 kHz至上百kHz，甚至頻率更高的交流電，利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電感線(xiàn)圈轉(zhuǎn)換成相同頻率的磁場(chǎng)后，作用于處在該磁場(chǎng)中的金屬體上。利用渦流效應(yīng)，在金屬物體中生成與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的感生旋轉(zhuǎn)電流（即渦流）。由旋轉(zhuǎn)電流借助金屬物體內(nèi)的電阻，將其轉(zhuǎn)換成熱能。同時(shí)還有磁滯效應(yīng)、趨膚效應(yīng)、邊緣效應(yīng)等，也能生成少量熱量，它們共同使金屬物體的溫度急速升高，實(shí)現(xiàn)快速加熱的目的。

因此，在此設(shè)備中為達(dá)到快速加熱的效果，我們選用的高頻感應(yīng)加熱機(jī)為功率2 kW，頻率為10～100 kHz（可調(diào)）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出以下數(shù)據(jù)：給原料合金加熱的加熱環(huán)是用直徑5 mm壁厚1 mm的銅管繞制成的，加熱環(huán)的最小內(nèi)徑為25 mm，纏繞匝數(shù)為4匝，每匝間中心距為8 mm，內(nèi)圈傾角為80°。

2.2.2 冷卻結(jié)構(gòu)

冷卻結(jié)構(gòu)是制備玻璃包覆非晶合金微絲的另一個(gè)最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它是將高溫熔融的合金微絲快速的（1%秒）從1 000 ℃降到30 ℃以下，而形成非晶態(tài)的合金微絲。

高溫熔融的合金微絲冷卻時(shí)要注意的兩個(gè)方面：一是冷卻水的恒溫；二是冷卻水流的平穩(wěn)。

冷卻水是從恒溫水箱中用水泵供給，考慮到冷卻水從恒溫箱中出來(lái)后周?chē)h(huán)境對(duì)其的影響，恒溫水箱中水溫設(shè)定為15 ℃，以保證合高溫熔融的金微絲能快速的降低到30 ℃以下。

冷卻水從出水口噴出，為了減小水流對(duì)合金微絲抽拉的沖擊，冷卻水流速設(shè)定為60～100 mL，冷卻水出水口設(shè)計(jì)為斜向上45°。

2.2.3 供料機(jī)構(gòu)

玻璃包覆非晶合金微絲制備需要兩種原材料，硼硅酸鹽玻璃管和Fe基合金棒。為了抽出的合金微絲外包覆的玻璃層均勻，F(xiàn)e基合金棒在進(jìn)料時(shí)要放置在玻璃管的中心，與玻璃管同軸。

原則上，在計(jì)算好玻璃管原料和Fe基合金棒原料的比例后，選用合適比例的材料，玻璃管和Fe基合金可以以同一機(jī)構(gòu)供料。但由于實(shí)際生產(chǎn)中材料的選擇和考慮不同型號(hào)非晶合金微絲制備的適用性，玻璃管和Fe基合金的供料選擇分開(kāi)機(jī)構(gòu)供料，即分為玻璃管供料機(jī)構(gòu)和Fe基合金供料機(jī)構(gòu)。

為了保證各原料的供料量的精度及可控性，玻璃管供料機(jī)構(gòu)和Fe基合金供料機(jī)構(gòu)都是采用伺服電機(jī)和絲杠模組結(jié)構(gòu)。

通過(guò)控制調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的速度，來(lái)調(diào)節(jié)原料的供給速度，以及調(diào)節(jié)各原料的配給比例，制備出不同型號(hào)（即不同直徑、不同玻璃包覆厚度）的玻璃包覆非晶合金微絲。

2.2.4 抽真空及充氬氣結(jié)構(gòu)

在玻璃包覆非晶合金微絲制備中，F(xiàn)e基合金的成份對(duì)于制備出的非晶合金微絲的性能有很大影響。Fe基合金棒在高頻感應(yīng)加熱熔融時(shí)，如果直接暴露在空氣中，會(huì)使Fe基合金棒表面氧化，從而改變了Fe基合金的成份，制備出的非晶合金微絲就不符合要求。所以在Fe基合金高頻感應(yīng)加熱熔融前將硼硅酸鹽玻璃管內(nèi)的空氣抽成真空，然后再充入保護(hù)氣—?dú)鍤?，這樣就能防止Fe基合金在高頻感應(yīng)加熱熔融時(shí)氧化[3]。

為了能夠在玻璃管內(nèi)抽真空和充氬氣，就需要在玻璃管的上端加一個(gè)密封蓋，密封蓋的材質(zhì)是硅膠，保證其密封性。抽真空和充氬氣的接口在這個(gè)上端的密封蓋上伸入。這個(gè)密封蓋的中心有一個(gè)孔，是為了Fe基合金棒的伸入。

2.2.5 玻璃包覆非晶合金微絲牽引結(jié)構(gòu)

處于高頻感應(yīng)加熱環(huán)中間的Fe基合金棒在加熱熔融后會(huì)將其周?chē)佑|到的玻璃軟化，軟化后的玻璃有一定的黏性，不會(huì)像金屬或其他材料一樣熔融直接滴落，用工具黏住軟化的玻璃管下端，快速抽拉，會(huì)抽出極細(xì)的玻璃絲，由于玻璃的粘性及虹吸作用，玻璃管會(huì)包覆著熔融的合金抽出極細(xì)的合金絲。

如果用手拿著工具進(jìn)行牽引玻璃包覆合金微絲，由于手運(yùn)動(dòng)速度的不穩(wěn)定及不一致，很容易會(huì)導(dǎo)致玻璃包覆合金微絲斷開(kāi)或有結(jié)節(jié)。為了保證牽引玻璃包覆合金微絲速度的穩(wěn)定和一致，我們利用伺服電機(jī)和絲杠模組的組合機(jī)構(gòu)來(lái)完成玻璃包覆合金微絲牽引。

將石英玻璃棒固定在豎起放置的牽引機(jī)構(gòu)上，等待伺服電機(jī)收到玻璃包覆合金熔融可以進(jìn)行牽引的信號(hào)后，石英玻璃棒會(huì)在接觸到的玻璃管底端慢速旋轉(zhuǎn)一周，讓石英玻璃棒與軟化的玻璃管粘連，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，以一定的速度（15 m/min）快速牽引下降，抽出玻璃包覆合金微絲。

2.2.6 玻璃包覆非晶合金微絲收料結(jié)構(gòu)

當(dāng)玻璃包覆非晶合金微絲抽出后，牽引結(jié)構(gòu)會(huì)將玻璃包覆非晶合金微絲纏繞在收料轉(zhuǎn)盤(pán)上，收料轉(zhuǎn)盤(pán)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)收集制備出的玻璃包覆非晶合金微絲。為了保證玻璃包覆非晶合金微絲制備的穩(wěn)定性，收料轉(zhuǎn)盤(pán)的線(xiàn)速度要保持與牽引速度一致，即V=15 m/min，收料轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑為D=80 mm，由公式V=Vr×D×π/1 000（r為收料轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速）

即收料轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速為60 r/min。

原料Fe基合金棒的為4 mm，要求制備的玻璃包覆非晶合金微絲中合金微絲的直徑為20 μm，直徑比例為200∶1，故它們橫截面的面積比為40 000∶1，我們使用的是0.5 m長(zhǎng)的Fe基合金棒，理論上可以制備出20 km的非晶合金微絲。這些非晶合金微絲無(wú)法都纏繞在一個(gè)收料轉(zhuǎn)盤(pán)上，并且實(shí)際生產(chǎn)可能要制備不同規(guī)格的非晶合金微絲，所以就要使用多個(gè)收料轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)收集制備出的玻璃包覆非晶合金微絲。

為了方便自動(dòng)更換收料轉(zhuǎn)盤(pán)，采用了一個(gè)大轉(zhuǎn)盤(pán)，上面安裝5個(gè)小的收料轉(zhuǎn)盤(pán)，每個(gè)收料轉(zhuǎn)盤(pán)都有單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，等一個(gè)收料盤(pán)完成收料任務(wù)后，大轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)72°，利用下一個(gè)收料轉(zhuǎn)盤(pán)收集制備出的玻璃包覆非晶合金微絲。

2.2.7 玻璃包覆非晶合金微絲的檢測(cè)結(jié)構(gòu)

玻璃包覆非晶合金微絲的檢測(cè)結(jié)構(gòu)是為實(shí)時(shí)檢測(cè)制備出的玻璃包覆非晶合金微絲的直徑是否符合要求，根據(jù)檢測(cè)出的直徑數(shù)值，分析后將信號(hào)傳遞給供料機(jī)構(gòu)和收料機(jī)構(gòu)，調(diào)整它們的速度，以制備出符合要求的玻璃包覆非晶合金微絲。

檢測(cè)元件是使用的高精度電荷耦合元件（Chargecoupled Device，CCD），檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括非晶合金微絲直徑和外面玻璃包覆層的厚度。檢測(cè)元件放置于抽出的合金微絲冷卻機(jī)構(gòu)下方30 mm處，以便及時(shí)檢測(cè)并反饋調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著變化。以Fe基合金制備的非晶態(tài)合金為例，其具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗的特點(diǎn)。由于這樣的特性，非晶態(tài)合金材料在電子、航空、航天、機(jī)械、微電子等眾多領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用空間。

玻璃包覆非晶絲合金微絲在制備的工藝上相對(duì)成熟，在性能上的穩(wěn)定性，使其在電子、航空、航天及微電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用更加得廣泛。

玻璃包覆非晶絲合金微絲制備在未來(lái)非晶材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中有著相當(dāng)重要的地位。

[1]邸永江，江建軍，何華輝.不同直徑玻璃包覆非晶微絲的制備及其磁性能[J].無(wú)機(jī)材料科學(xué)報(bào)，2007（6）：1187-1191.

[2]PANINAA LV, MAKHNOVSKIYA DP, MOHRI K. Magnetoimpedance in amorphous wires and multifunctional applications: from sensors to tunable artificial microwave materials[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2004（2）: 1452-1459.

[3]盧斌，易丹青，劉巖，等.Fe基非晶/納米晶粉末的放電等離子燒結(jié)及磁性能[J].無(wú)機(jī)材料科學(xué)報(bào)，2005（4）：851-858.

Preparation of glass coated amorphous alloy microfilament

Zhou Zhijie
（Beijing Depuluoer Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100029, China）

When the metal is molten, the internal atoms are in active state. Once the metal begins to cool, the atoms are arranged in an orderly fashion and formed crystals according to certain crystalline states as the temperature drops. However, if the cooling process is very fast, the atoms can not be rearranged before they are solidified, thus producing amorphous alloy. Compared with crystalline alloys,amorphous alloys show remarkable changes in physical, chemical and mechanical properties. Taking amorphous alloy prepared by Fe based alloy as an example, it has the characteristics of high saturation magnetic flux density and low loss. The amorphous alloy microwires by glass coated that was made by melt drawing, because of its small size, controllable shape and one-dimensional anisotropic electromagnetic properties, in recent years it has become a hotspot of research and application in foreign countries. In this paper, the preparation technology of glass coated amorphous alloy microfilament is studied.

amorphous alloy microfilament; glass coating; high saturation magnetic induction; anisotropic electromagnetic properties;fully automated preparation

周智杰（1979— ），男，河北衡水人，工程師，學(xué)士；研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。