玻璃包覆非晶合金微丝制备技术研究

周智杰

（北京德普罗尔科技有限公司，北京 100029）

玻璃包覆非晶合金微丝制备技术研究

周智杰

（北京德普罗尔科技有限公司，北京 100029）

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。但如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，就会产生非晶态合金。非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著变化。以Fe基合金制备的非晶态合金为例，其具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。采用熔融拉丝法制备的玻璃包覆非晶合金微丝，由于其具有微小的尺寸，可控的一维形状以及各向异性的电磁性能，近年来已经成为国外研究和应用的热点。文章对玻璃包覆非晶合金微丝制备技术进行了深入研究。

非晶合金微丝；玻璃包覆；高饱和磁感应强度；各向异性的电磁性能；全自动化制备

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。但如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，就会产生非晶态合金。

在非晶丝合金的制备中，非晶态合金微丝的制备是相对比较容易的。采用熔融拉丝法制备的玻璃包覆非晶合金微丝，由于其具有微小的尺寸，可控的一维形状以及各向异性的电磁性能，近年来已经成为国外研究和应用的热点。由于玻璃包覆层厚度和金属芯半径对非晶合金微丝的性能有一定的影响，所以在非晶合金微丝的制备时要有效地控制微丝的几何尺寸。现在关于非晶丝制备的设备多为手动或半自动的设备，对制备出的合金微丝的性能稳定性产生很大的不利影响。此项目就是为制备玻璃包覆非晶合金微丝设计开发一套全自动化生产制备设备。

1 玻璃包覆非晶合金微丝制备的原理及方法

玻璃包覆非晶合金微丝制备是基于Taylor-Ulitovsky原理，通过玻璃包覆合金的高频感应熔融拉丝法制备，合金化学成份为Fe73.5Cu1.0Nb1.0V2.0Si13.5B9.0（Fe基，以下称Fe基合金）。将棒状合金放入下端封闭的硼硅酸盐玻璃管中，玻璃管上端连接有抽真空和充氩气的装置，利用高频感应加热线圈将原料合金加热熔化，同时玻璃管下端与熔融合金接触的玻璃被软化，用工具（一般使用玻璃棒）把玻璃牵引下来，软化的玻璃包覆住熔融的合金，缠绕在转盘上，可以连续制备玻璃包覆的合金微丝，在高温线圈下约1 cm处喷冷却水使玻璃包覆合金微丝快速冷却，制备出非晶态的玻璃包覆合金微丝[1]。

制备玻璃包覆非晶合金微丝的主要工艺参数为：非晶合金微丝收集转盘转速为30～80 r/min（转盘直径为50 mm）；充入氩气压强为0.1 MPa；玻璃管外径为15 mm，壁厚为1.5 mm；原料合金棒的直径为4 mm；合金的熔融温度为1 000±50 ℃；制备的玻璃包覆非晶合金微丝的直径在20～60 μm之间。

2 玻璃包覆非晶合金微丝制备设备的方案及详细结构

2.1 玻璃包覆非晶合金微丝制备设备的方案

目前玻璃包覆非晶合金微丝制备设备多数采用半自动化生产设备，部分关键工序还是采用手动完成，像玻璃丝的牵引、冷却水的调节等，这样在玻璃包覆非晶合金微丝的制备过程中就增大了制备出的非晶合金微丝不稳定性，例如非晶合金微丝的直径会出现波动，非晶合金微丝的非晶状态不一致等问题。

要想解决这样的问题，增加制备出非晶合金微丝的稳定性，就要尽可能地减少人为因素的影响和其他外界环境的影响。

首先，是外界环境的影响。外界环境对制备非晶合金微丝影响主要有：温度、湿度、气流、震动等，所以要制备出性能良好的非晶合金微丝，就需要有一个相对恒温的空间，湿度保持恒定，无较大气体流动，无较大震动。

其次就是人为因素的影响。人为因素的影响主要是在半自动化生产过程中因人手动作的不稳定性和动作的不可复制性带来的产品的不一致性。要消除这些影响，就要使生产脱离人工操作，完全使用自动化设备生产。

在自动化设备上，因要减小气体的流动和设备的震动，所有运动机构都采用能平稳运转的伺服电机驱动，不能用气动元件。同时因为要对非晶合金微丝运行检测，尽量减少电磁干扰[2]。

2.2 玻璃包覆非晶合金微丝制备设备的详细结构

根据玻璃包覆非晶合金微丝制备的原理，制备设备有几个关键结构：合金的加热结构，冷却结构，供料机构，抽真空及充氩气结构，非晶合金微丝牵引结构，非晶合金微丝收集结构，非晶合金微丝的检测结构。

2.2.1 原料合金的加热结构

原料合金的加热结构是制备玻璃包覆非晶合金微丝的最关键结构之一，它是要将原料合金熔融。

高频感应加热是将工频（50 Hz）交流电转换成频率一般为1 kHz至上百kHz，甚至频率更高的交流电，利用电磁感应原理，通过电感线圈转换成相同频率的磁场后，作用于处在该磁场中的金属体上。利用涡流效应，在金属物体中生成与磁场强度成正比的感生旋转电流（即涡流）。由旋转电流借助金属物体内的电阻，将其转换成热能。同时还有磁滞效应、趋肤效应、边缘效应等，也能生成少量热量，它们共同使金属物体的温度急速升高，实现快速加热的目的。

因此，在此设备中为达到快速加热的效果，我们选用的高频感应加热机为功率2 kW，频率为10～100 kHz（可调）。

通过实验，得出以下数据：给原料合金加热的加热环是用直径5 mm壁厚1 mm的铜管绕制成的，加热环的最小内径为25 mm，缠绕匝数为4匝，每匝间中心距为8 mm，内圈倾角为80°。

2.2.2 冷却结构

冷却结构是制备玻璃包覆非晶合金微丝的另一个最关键结构，它是将高温熔融的合金微丝快速的（1%秒）从1 000 ℃降到30 ℃以下，而形成非晶态的合金微丝。

高温熔融的合金微丝冷却时要注意的两个方面：一是冷却水的恒温；二是冷却水流的平稳。

冷却水是从恒温水箱中用水泵供给，考虑到冷却水从恒温箱中出来后周围环境对其的影响，恒温水箱中水温设定为15 ℃，以保证合高温熔融的金微丝能快速的降低到30 ℃以下。

冷却水从出水口喷出，为了减小水流对合金微丝抽拉的冲击，冷却水流速设定为60～100 mL，冷却水出水口设计为斜向上45°。

2.2.3 供料机构

玻璃包覆非晶合金微丝制备需要两种原材料，硼硅酸盐玻璃管和Fe基合金棒。为了抽出的合金微丝外包覆的玻璃层均匀，Fe基合金棒在进料时要放置在玻璃管的中心，与玻璃管同轴。

原则上，在计算好玻璃管原料和Fe基合金棒原料的比例后，选用合适比例的材料，玻璃管和Fe基合金可以以同一机构供料。但由于实际生产中材料的选择和考虑不同型号非晶合金微丝制备的适用性，玻璃管和Fe基合金的供料选择分开机构供料，即分为玻璃管供料机构和Fe基合金供料机构。

为了保证各原料的供料量的精度及可控性，玻璃管供料机构和Fe基合金供料机构都是采用伺服电机和丝杠模组结构。

通过控制调节伺服电机的速度，来调节原料的供给速度，以及调节各原料的配给比例，制备出不同型号（即不同直径、不同玻璃包覆厚度）的玻璃包覆非晶合金微丝。

2.2.4 抽真空及充氩气结构

在玻璃包覆非晶合金微丝制备中，Fe基合金的成份对于制备出的非晶合金微丝的性能有很大影响。Fe基合金棒在高频感应加热熔融时，如果直接暴露在空气中，会使Fe基合金棒表面氧化，从而改变了Fe基合金的成份，制备出的非晶合金微丝就不符合要求。所以在Fe基合金高频感应加热熔融前将硼硅酸盐玻璃管内的空气抽成真空，然后再充入保护气—氩气，这样就能防止Fe基合金在高频感应加热熔融时氧化[3]。

为了能够在玻璃管内抽真空和充氩气，就需要在玻璃管的上端加一个密封盖，密封盖的材质是硅胶，保证其密封性。抽真空和充氩气的接口在这个上端的密封盖上伸入。这个密封盖的中心有一个孔，是为了Fe基合金棒的伸入。

2.2.5 玻璃包覆非晶合金微丝牵引结构

处于高频感应加热环中间的Fe基合金棒在加热熔融后会将其周围接触到的玻璃软化，软化后的玻璃有一定的黏性，不会像金属或其他材料一样熔融直接滴落，用工具黏住软化的玻璃管下端，快速抽拉，会抽出极细的玻璃丝，由于玻璃的粘性及虹吸作用，玻璃管会包覆着熔融的合金抽出极细的合金丝。

如果用手拿着工具进行牵引玻璃包覆合金微丝，由于手运动速度的不稳定及不一致，很容易会导致玻璃包覆合金微丝断开或有结节。为了保证牵引玻璃包覆合金微丝速度的稳定和一致，我们利用伺服电机和丝杠模组的组合机构来完成玻璃包覆合金微丝牵引。

将石英玻璃棒固定在竖起放置的牵引机构上，等待伺服电机收到玻璃包覆合金熔融可以进行牵引的信号后，石英玻璃棒会在接触到的玻璃管底端慢速旋转一周，让石英玻璃棒与软化的玻璃管粘连，在伺服电机的驱动下，以一定的速度（15 m/min）快速牵引下降，抽出玻璃包覆合金微丝。

2.2.6 玻璃包覆非晶合金微丝收料结构

当玻璃包覆非晶合金微丝抽出后，牵引结构会将玻璃包覆非晶合金微丝缠绕在收料转盘上，收料转盘在伺服电机的驱动下转动，来收集制备出的玻璃包覆非晶合金微丝。为了保证玻璃包覆非晶合金微丝制备的稳定性，收料转盘的线速度要保持与牵引速度一致，即V=15 m/min，收料转盘的直径为D=80 mm，由公式V=Vr×D×π/1 000（r为收料转盘的转速）

即收料转盘的转速为60 r/min。

原料Fe基合金棒的为4 mm，要求制备的玻璃包覆非晶合金微丝中合金微丝的直径为20 μm，直径比例为200∶1，故它们横截面的面积比为40 000∶1，我们使用的是0.5 m长的Fe基合金棒，理论上可以制备出20 km的非晶合金微丝。这些非晶合金微丝无法都缠绕在一个收料转盘上，并且实际生产可能要制备不同规格的非晶合金微丝，所以就要使用多个收料转盘来收集制备出的玻璃包覆非晶合金微丝。

为了方便自动更换收料转盘，采用了一个大转盘，上面安装5个小的收料转盘，每个收料转盘都有单独的伺服电机驱动，等一个收料盘完成收料任务后，大转盘旋转72°，利用下一个收料转盘收集制备出的玻璃包覆非晶合金微丝。

2.2.7 玻璃包覆非晶合金微丝的检测结构

玻璃包覆非晶合金微丝的检测结构是为实时检测制备出的玻璃包覆非晶合金微丝的直径是否符合要求，根据检测出的直径数值，分析后将信号传递给供料机构和收料机构，调整它们的速度，以制备出符合要求的玻璃包覆非晶合金微丝。

检测元件是使用的高精度电荷耦合元件（Chargecoupled Device，CCD），检测的数据包括非晶合金微丝直径和外面玻璃包覆层的厚度。检测元件放置于抽出的合金微丝冷却机构下方30 mm处，以便及时检测并反馈调整。

3 结语

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著变化。以Fe基合金制备的非晶态合金为例，其具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性，非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。

玻璃包覆非晶丝合金微丝在制备的工艺上相对成熟，在性能上的稳定性，使其在电子、航空、航天及微电子等领域中的应用更加得广泛。

玻璃包覆非晶丝合金微丝制备在未来非晶材料的开发应用中有着相当重要的地位。

[1]邸永江，江建军，何华辉.不同直径玻璃包覆非晶微丝的制备及其磁性能[J].无机材料科学报，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]卢斌，易丹青，刘岩，等.Fe基非晶/纳米晶粉末的放电等离子烧结及磁性能[J].无机材料科学报，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，工程师，学士；研究方向：工业自动化。