一种用于混凝土的非晶合金纤维及其制备方法

一种用于混凝土的非晶合金纤维及其制备方法
【专利摘要】本发明属于非晶合金制备领域，涉及一种用于混凝土的非晶合金纤维及其制备方法。一种用于混凝土的非晶合金纤维，采用单辊急冷法制备，该非晶合金纤维的成分按原子百分比为FeaCrbMcPdCe，M为Ni、Co、Mo、Mn、Nb、Ti、V、W、Cu、Al、Si、B中的至少一种，其中a为65～75%、b为3～15%、c为0.05～2%、d为4～15%、e为5～10%。本发明的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，可通过调节喷嘴大小和铜辊表面刻痕间距，来控制非晶合金纤维长度、宽度和厚度，能够制备多规格的非晶合金纤维。且制备的非晶合金纤维具有非常优异的耐腐蚀性，添加到混凝土当中能提高混凝土的强度、韧性以及抗酸碱盐侵蚀能力，而且材料成本低廉，适合在混凝土工程中大量应用。
【专利说明】一种用于混凝土的非晶合金纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非晶合金制备领域，涉及一种用于混凝土的非晶合金纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]采用超急冷凝固技术制备的非晶合金，具有短程有序而长程无序的独特结构，表现出比传统的晶态合金更优异的物理和化学性能。非晶合金成分和组织均匀，无晶界、位错等晶体缺陷，因而具有强度高、韧性好、耐腐蚀性强等特点，使其非常适合添加到混凝土中用作增强材料。
[0003]混凝土经浇注以后，表面水分大量蒸发，出现快速脱水而产生收缩，这种收缩受到基底、模板和钢筋不同程度的约束，是一种不均匀的收缩过程，因而在混凝土内部产生不均匀的拉应力，在拉应力的作用下产生大量收缩微裂纹。当混凝土基体受到外力时，收缩微裂纹将逐渐扩展并相互贯通形成宏观大裂纹，最终导致混凝土结构破坏。控制混凝土裂纹最有效的办法就是向混凝土基体中加入一定体积比的纤维材料，纤维材料的加入可以提高混凝土的抗裂强度、改善韧性和阻止微裂纹扩展，延长混凝土的耐久性。
[0004]目前常用的混凝土增强纤维材料主要有:玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和钢纤维等。玻璃纤维易折断、耐碱腐蚀差，在混凝土碱性环境中10年就溶蚀损坏；碳纤维性能优良，但每束碳纤维有1000根以上，在混凝土中搅拌分散困难，而且价格太高限制其应用范围；聚丙烯纤维与水泥相溶性差，水泥不易附在纤维表面；钢纤维在混凝土中易生锈，影响混凝土的使用寿命。
[0005]相比之下，用非晶合金纤维增强混凝土具有不可比拟的优势:(1)非晶合金纤维强度高，抗拉强度约为1400~2500MPa ;(2)非晶合金纤维韧性好，可以反复弯曲，在混凝土中搅拌不会折断；(3)非晶合 金纤维表面粗糙，与混凝土结合牢固；(4)非晶合金纤维耐腐蚀性极好，能提高混凝土抗酸碱盐侵蚀，延长使用寿命；(5)非晶合金纤维制作过程简便，从钢液到纤维成品一次成形。
[0006]中国实用新型专利ZL94213321.8公开了一种‘快速冷凝法制取纤维的装置’(冶金工业部钢铁研究总院于1994年6月10日申请)，根据该装置先将熔化的钢水置于容器中，在液面上方装有高速旋转的辊轮，当轮缘接触钢水时，轮缘上粘附一定厚度的冷凝钢水，在离心力的作用下被甩出，从而获得一定长度的钢纤维。但该制备方法存在如下缺点:(I)液面直接接触空气易氧化，成分不易控制；(2)该装置制备的钢纤维只能得到微晶结构，不能制备出完全的非晶结构；(3)辊轮的下降速度和钢液液面的下降速度难以精确保持一致，导致制备的钢纤维厚度不均匀，且钢纤维的宽度无法控制。

【发明内容】

[0007]本发明的目的是得到一种尺寸可控、具有完全非晶结构的、用于混凝土的非晶合金纤维。[0008]本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
[0009]一种用于混凝土的非晶合金纤维，采用单辊急冷法制备，其特征在于:该非晶合金纤维的成分按原子百分比为 FeaCrbMcPdCe, M 为 N1、Co、Mo、Mn、Nb、T1、V、W、Cu、Al、S1、B 中的至少一种，其中a为65~75%、b为3~15%、c为0.05~2%、d为4~15%、e为5~10%。
[0010]非晶合金纤维长度为5~40mm，宽度约为0.5~3mm，厚度约为20~40 μ m。
[0011]本发明的另一目的是提出一种用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法。
[0012]本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
[0013]一种用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，采用单辊急冷法，其特征在于，所述方法步骤为:
[0014]①按非晶合金纤维的成分式FeaCrbMcPdCe进行配料，其中a、b、c、d和e为原子百分比，M 为 N1、Co、Mo、Mn、Nb、T1、V、W、Cu、Al、S1、B 中的至少一种，成分范围 a 为 65 ~75%、b 为 3 ~15%、c 为 0.05 ~2%、d 为 4 ~15%、e 为 5 ~10% ；
[0015]②将配比好的原料装入感应加热炉I中进行熔炼，形成成分均匀的钢液；
[0016]③将钢液浇入喷嘴包2，钢液从喷嘴包底部的喷嘴3开口处喷出；
[0017]④钢液喷到其下方高速旋转的冷却铜辊4表面，迅速冷却形成非晶合金纤维，所述冷却铜辊4工作面有多个等距分布的刻痕，通过调节喷嘴3大小和冷却铜辊4表面刻痕间距，控制非晶合金纤维长度、宽度和厚度。
[0018]在步骤④中所述的冷却铜辊4表面沿辊轴方向按均等间隔距离刻有刻痕，刻痕的间距等于非晶合金纤维的长度，通过刻痕不断割断连续喷出的非晶合金，形成所需长度的非晶合金纤维。
[0019]非晶合金纤维长度约为5~40mm，宽度约为0.5~3mm，厚度约为20~40 μ m。
[0020]在步骤①中所述的原材料可选用纯元素或各种合金原料。
[0021]在步骤②中采用真空感应炉或非真空感应炉进行熔炼。
[0022]在步骤③中所述的喷嘴开口为一个或多个并列排列的圆孔或方孔，圆孔直径为
0.5~2.Ctam,方孔的宽度为0.2~1.Ctam、长度为0.2~3.Ctam。
[0023]所述冷却棍的转速为25~30m/s。
[0024]冷却铜辊的刻痕是采用铜辊的车削机构对铜辊表面进行刻痕。
[0025]本发明的有益效果在于:
[0026]本发明的用于混凝土的非晶合金纤维制备方法，可通过调节喷嘴大小和铜辊表面刻痕间距，来控制非晶合金纤维长度、宽度和厚度，能够制备多规格的非晶合金纤维。且制备的非晶合金纤维具有非常优异的耐腐蚀性，添加到混凝土当中能提高混凝土的强度、韧性以及抗酸碱盐侵蚀能力，而且材料成本低廉，适合在混凝土工程中大量应用。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1为本发明的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法的工艺示意图。
[0028]图2本发明的用于混凝土的非晶合金纤维贴辊面和自由面的XRD图。
[0029]图3本发明的用于混凝土的非晶合金纤维在IM H2SO4溶液中动电位极化曲线。
[0030]图4为本发明的用于混凝土的非晶合金纤维在0.1M HCl溶液中循环极化曲线。
[0031]图5为本发明的用于混凝土的非晶合金纤维在0.6M NaCl溶液中循环极化曲线。[0032]图6为本发明的用于混凝土的非晶合金纤维在0.1M FeCl3溶液中动电位极化曲线。
[0033]附图标记:
[0034]I感应加热炉，2喷嘴包，3喷嘴，4冷却铜辊。
【具体实施方式】 [0035]本发明用于混凝土的非晶合金增强纤维的制备方法，采用单辊急冷法，如图1所示，包括以下步骤:①原材料按照成分比进行配料；②将配比好的原料装入感应加热炉I中进行熔炼，形成成分均匀的钢液；③将钢液浇入喷嘴包2，钢液从喷嘴包2底部的喷嘴3开口处喷出；④钢液喷到其下方高速旋转的冷却铜辊4表面，迅速冷却形成非晶合金纤维。
[0036]在步骤①中所述的原材料可选用纯元素或各种合金原料。
[0037]混凝土用非晶合金增强纤维成分中，Cr元素是其具有强耐腐蚀性的重要元素，其含量应在3~15at%之间，Cr含量过低会导致非晶合金纤维耐腐蚀性变差，Cr含量过高会增加非晶合金纤维的材料成本。P和C元素是必不可少的元素，P和C元素是属于原子半径较小的元素，能增大合金原子的尺寸错配度，有利于提高合金的非晶形成能力。另外，P元素能增加Cr元素的活性，促进其快速在非晶合金纤维表面形成致密的含Cr钝化膜，提高耐腐蚀性。P元素含量在4~15at%之间、C元素含量在5~10at%之间合适。还可添加0.5~2at%的N1、Co、Mo、Mn、Nb、T1、V、W、Cu、Al、S1、B中的至少一种，以进一步改善非晶合金纤维的强度、耐腐蚀性以及非晶形成能力，但这些元素添加过多增加材料成本，因此总添加量最好不超过2at%。
[0038]可利用铜辊的车削机构对冷却铜辊表面进行刻痕，首先调节车刀的切入深度，启动车削机构，车刀刀尖在静止铜辊表面沿辊轴方向从左到右(或从右到左)缓慢走刀，在铜辊表面切削出一条深度约为0.2mm的直线刻痕，走刀一次之后关停车削机构，手动转动铜辊，铜辊表面转动的圆周距离应等于所需的非晶合金纤维的长度，再启动车削机构进行反向走刀，车刀刀尖在铜辊表面刻出另一条直线刻痕。如此反复进行，直到铜辊表面刻满等距分布的刻痕。在进行单辊急冷法制备非晶合金纤维时，为保证约106°C /s的冷却速度，冷却铜辊的转速应保持在25~30m/s。最后连续喷出的钢液在高速旋转的铜辊表面的刻痕处被割断，冷却形成所需长度的非晶合金纤维。
[0039]实施例1
[0040]将磷铁、铬铁、炼钢生铁、石墨片以及其它纯元素原料按照表1设计成分进行配料40kg，样品编号I~6是本发明的一组实施例。将配比好的原料装入真空感应炉进行熔炼，形成成分均匀的钢液；将钢液浇入喷嘴包，钢液从喷嘴包底部的喷嘴开口处流出，喷嘴开口分别采用不同规格的一排并列的5个方孔，流出的钢液喷到其下方高速旋转的带有刻痕的冷却铜辊表面，铜辊转速为30m/s，通过刻痕不断割断连续喷出的非晶合金，形成所需长度的非晶合金纤维。喷嘴尺寸、刻痕间距与制备的非晶合金纤维尺寸对应关系列于表1。
[0041]由表1可知，可通过调整方孔喷嘴的尺寸和铜辊刻痕间距来控制非晶合金纤维的尺寸。
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种用于混凝土的非晶合金纤维，采用单辊急冷法制备，其特征在于:该非晶合金纤维的成分按原子百分比为 FeaCrbMcPdCe, M 为 N1、Co、Mo、Mn、Nb、T1、V、W、Cu、Al、S1、B 中的至少一种，其中a为65~75%、b为3~15%、c为0.05~2%、d为4~15%、e为5~10%。
2.如权利要求1所述的用于混凝土的非晶合金纤维，其特征在于:非晶合金纤维长度为5~40mm,宽度约为0.5~3mm,厚度约为20~40 μ m。
3.—种如权利要求1所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，采用单辊急冷法，其特征在于，所述方法步骤为: ①按非晶合金纤维的成分式FeaCrbMcPdCe进行配料，其中a、b、C、d和e为原子百分比，M 为 N1、Co、Mo、Mn、Nb、T1、V、W、Cu、Al、S1、B 中的至少一种，成分范围 a 为 65 ~75%、b 为3~15%、c 为 0.05 ~2%、d 为 4 ~15%、e 为 5 ~10% ； ②将配比好的原料装入感应加热炉(I)中进行熔炼，形成成分均匀的钢液； ③将钢液浇入喷嘴包(2)，钢液从喷嘴包底部的喷嘴(3)开口处喷出； ④钢液喷到其下方高速旋转的冷却铜辊(4)表面，迅速冷却形成非晶合金纤维，所述冷却铜辊(4)工作面有多个等距分布的刻痕，通过调节喷嘴(3)大小和冷却铜辊(4)表面刻痕间距，控制非晶合金纤维长度、宽度和厚度。
4.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于: 在步骤④中所述的冷却铜辊(4)表面沿辊轴方向按均等间隔距离刻有刻痕，刻痕的间距等于非晶合金纤维的长度，通过刻痕不断割断连续喷出的非晶合金，形成所需长度的非晶合金纤维。
5.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于: 非晶合金纤维长度约为5~40mm，宽度约为0.5~3mm，厚度约为20~40 μ m。
6.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于: 在步骤①中所述的原材料可选用纯元素或各种合金原料。
7.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于: 在步骤②中采用真空感应炉或非真空感应炉进行熔炼。
8.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于: 在步骤③中所述的喷嘴开口为一个或多个并列排列的圆孔或方孔，圆孔直径为0.5~2.0mm,方孔的宽度为0.2~1.0_、长度为0.2~3.0_。
9.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于:所述冷却铜辊的转速为25~30m/s。
10.根据权利要求3所述的用于混凝土的非晶合金纤维的制备方法，其特征在于:所述冷却铜辊的刻痕是采用铜辊的车削机构对铜辊表面进行刻痕。
【文档编号】B22D11/06GK103484799SQ201310435060
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】卢志超, 吴忠旺, 倪晓俊, 冯硕, 李德仁 申请人:安泰科技股份有限公司