专利名称:对在放热性还原火焰气氛中铸造的改进的制作方法
1.发明的领域发明涉及直接从熔化金属铸造金属带材，而更详细的是涉及在火焰气氛中金属的快速凝固，直接从熔体形成实质上连续的金属带材。
2.现有技术的指述批准给M.Narasimhan的美国专利4，142，571号揭示了将熔融金属的熔流快速淬火，使形成连续的金属带材的常规装置和方法。金属能够在惰性气体或部份真空中铸造。批准给J.BedeⅡ的美国专利3，862，658号和批准给C.CarIson的美国专利4，202，404号揭示了为延长铸造金属丝同淬火面接触所使用的柔性(挠性)带。
铸造很光滑的带材用常规的设备是有困难的，因为在淬火期间淬火面和熔融金属之间夹带许多气窝，这就形成气窝缺陷。这些缺陷，与其它因素一起使淬火面及其反面，即铸造带的自由面产生相当大的粗糙度。有时，这种表面缺陷贯穿(穿过)带材，因而形成孔眼。批准给R.Ray等人的美国专利4，154，283号揭示了对金属带材采用真空铸造以减少气窝缺陷的形成。Ray等人阐述的真空铸造系统需要专门的真空室和真空泵，使产生一低压的铸造气氛。另外，它需要辅助装置连续输送在真空室外铸造带材。进一步说，在这样的一种真空铸造系统中，带材趋于过分地与淬火表面结合，而不是如环境气氛中铸造时常发生的分离情况。
批准给H.Suzuki等人的美国专利4，301，855号揭示了一种用作铸造金属带的装置，其中熔融金属从一个被加热的喷嘴倾注到回转轧辊的外部圆周表面上。一个罩子围住(密闭)喷嘴的轧辊上游表面，使提供一个室，该室的气体用真空泵抽空。罩中的加热器通过喷嘴加热轧辊上游表面，以从轧辊表面除去湿液滴和气体。真空室降低轧辊表面附近的气体运动层密度，因此降低铸造带的气孔凹坑的形成。加热器帮助从轧辊表面驱除湿气和粘附的气体使进一步减少气孔凹坑的形成。
Suzuki等人揭示的装置，在直到那个表面已退出真空室，才把熔融金属倾注到铸造表面。采用这种工艺过程，可以避免从真空室移去快速推进的窄带材所有关的复杂问题。由于这窄带材实际上是在周围大气中铸造的，因此这也抵消了对窄带材质量的任何潜在的改进。
批准给Mobley等人的美国专利3，861，450号揭示了制造金属丝的方法和装置。一个圆盘状的排热部件使其边缘表面注入熔池中旋转，而把非氧化气体引入在运动表面转入熔体的临界过程区。这种非氧化气体可以是一种还原气体，还原气体的燃烧在临界过程区产生还原产物或者非氧化燃烧产物。在实际的具体装置中，由碳或石墨组成的罩围住圆盘部份，並且使这罩与邻接的氧气作用产生非氧化的一氧化碳气体，然后该气体会围绕在圆盘周围和进入熔体区。
非氧化气体的引入，正如Mobley等人阐述的，是用非氧化气体破坏和代替氧化气体的附着层。对非氧化气体的控制引入，提供了一个阻挡层，以防止熔体表面上固体物质细粒在临界过程区集中，因为在那里旋转圆盘可能把夹杂物拖入熔体，到达初始细丝的凝固的点。最后，通过减少附着和促进自然释放，从临界区排除氧化气体和浮游杂质增加旋转圆盘的细丝释放点的稳定性。
但是Mobley等人仅论述在圆盘表面和熔体中的氧化问题。Mobley等人阐述的非氧化气体的流动气流仍是通过旋转圆盘的粘滞阻力拖进到熔池，会使熔体从圆盘边缘上分离，以达到时刻干扰细丝的形成。Mobley等人提出方法的优点是非氧化气体将减少熔池内细丝形成的实际点处的氧化。这样，Mobley等人没有能使气体夹带物减至最小限度，並使夹带物与熔体分离和隔开。
批准给H.Liebermann的美国专利4，282，921号和美国专利4，262，734号揭示了应用同轴气体射流的装置和方法，为减少快速淬火的非晶带材的边缘缺陷。批准给H.Liebermann的美国专利4，177，856号和美国专利4，144，926号指示了控制雷诺数参量，减少快速淬火的非晶带材的边缘缺陷。气体密度象雷诺数通过利用真空和通过应用较低分子重量的气体得到调节。但是，常规的方法已经不能充分地减少由于气窝夹带所引起的铸造金属带材的表面缺陷。真空铸造的方法虽已取得某些成功，但是使用真空铸造时，铸造带材与淬火表面过分地结合和难于从真空室中把铸造带材移去已造成较低的产量和生产成本增加。结果，常规的方法已不能提供一种商业上可接受的加工过程，这种加工过程它能有效地生产具有一致的质量和均匀横截(断)面的平滑带材。
发明的简介本发明提供一种有效地铸造平滑金属带材和从根本上防止气孔缺陷的形成的装置和方法。一般地说，发明的装置包括一个可运动的激冷体，其上有一淬火表面。一个喷嘴机构把熔融金属的液流沉积到淬火表面的淬火区，使形成带材，以及一个气体供给机构提供初始气体混合物，其实际上是由一氧化碳和氧气组成。点火机构把初始气体混合物点燃，使产生放热反应，应反应在位置基本接近于烧耗区和淬火区的上游提供低密度的还原火焰气氛。控制机构控制初始气体混合物，使在烧耗区产生一种调整过的还原火焰气氛，在那里还原火焰具有实质上含有非游离氧的被燃的气体成份。
与发明相一致的，还提供铸造连续金属带材的方法。一个激冷体有一个淬火表面，在所选择的速率下运动，而且把熔融金属的激流沉积到淬火表面的淬火区域，使形成带材。供给和点燃由一氧化碳和氧气组成的初始气体混合物，使产生放热反应，其在位置基本上接近于的烧耗区和淬火区的上游提供低密度的还原火焰气氛。控制初始气体混合物，使产生一种调节的还原火焰气氛，该气氛实质上在烧耗区无自由氧。
在带材的淬火期间，本发明的方法和装置有利地使被淬火表面的气窝的形成和夹带减至最小。其结果，发明将避免用复杂的真空铸造装置的必要，可在周围大气中实施。烧耗区的还原气体的放热反应意外地提供更好和更均匀熔融金属的冷却和淬火。
由放热作用的气体引起的热效应提供了低密度还原气氛，该气氛将抑制由于熔融金属和淬火表面之间接触减少而造成的气窝的形成。换句话说，更均匀淬火提高铸带的物理性能。特别，在带材的被淬火表面一面上的表面缺陷的减少，增加了材料的堆积因素和降低会引起过早机械断裂的局部应力集中。也可以通过本发明的方法和装置提高铸带自由表面一面的平滑度(即不与激冷体的淬火表面接触的一面)。这种平滑度的提高，更进一步增加材料的堆积因数。在非晶体金属带材生产中，通过低密度还原气氛得到更均匀淬火，提供更一致和更均匀形成的非晶状态。在制造由磁性材料组成的带材方面，使带材表面不连续性的数量和尺寸减少，从而将改善带材的磁性性能。
由于在表面夹带气孔(气窝)的缺陷减少，穿过带材的气孔就很少。实质上，很薄的带材(厚度小于15微米左右)已经生产。这些很薄的带材在各种应用场合有着高度的好评。例如在诸如电感器、电抗器和高频电磁装置的磁性装置中，薄的磁性材料从根本上减少功率损耗。在硬钎焊中，较薄的钎焊丝(箔)的利用从根本上改善了硬焊结合的强度。
此外，诱入气孔的减少显著地增加熔融金属和淬火表面之间的热传导接触。金属快速凝固也可生产较厚的带材。这样的带材是很需要的，因为更容易用它代替现在商业应用中常用的材料。使人意外，这些厚的带材可以通过单一淬火工序的快速凝固进行生产，其成本低、时间短。
因此，本发明有效地使接触淬火表面的带材表面上的气窝缺陷减至最小限度，並使生产的带材具有平滑光洁的表面和均匀的物理性能。同真空铸造所联系的复杂的装置和工艺程序是淘汰的。本发明有效地直接从熔体，以较高的产量和较低的成本铸造超薄金属带材，以及特别厚的金属带材。这样的超薄和特厚的金属带材特别适用于象磁性装置那样的设备应用，並能取代具有较大有效性和经济性的常规材料。
附图的简要说明本发明将通过以下对发明最佳实施例的详细阐述並结合附图加以说明，则本发明及其优点就会是十分明显的。
图1表示一个快速铸造金属带材用的先有技术装置;
图2表示本发明的一个实施方案的示意图，其使用了一个环形铸造带;
图3表示本发明的一个实施方案，其使用一个与铸造喷嘴同轴的气体释放机构;
图4表示本发明的一种实施方案，其使用一个旋转的铸轮;
图5表示本发明的一种实施方案，其使用一个挠性靠紧带，以延长铸造带材与淬火表面的接触;
图6表示熔融金属沉积在淬火表面上时气体速度分布图;
图7表示在铜坡合金基底上，在空气中铸造带材铸件的淬火表面一面的相图;
图8表示在铜坡合金基底上，在一氧化碳还原火焰中铸造的带材铸件的淬火表面一面的相图;
图9是表示燃烧气体组分和最大火焰温度(计算和测定)的图解，是由一氧化碳和氧气组成的初始气体混合物里一氧化碳体积百分数的函数曲线图;
图10是表示燃烧气体组分和最大火焰温度(计算和测定)的图解，是由一氧化碳和周围空气组成的初始气体混合物里一氧化碳体积百分数的函数曲线图;
图11是表示在含有过量自由氧的一氧化碳火焰中，带材铸件淬火表面一面的金相显微图;
图12是表示在实质上无自由氧的一氧化碳火焰中，带材铸件淬火表面一面的金相显微图;
最佳实施方案的说明对于本发明的目的，正如说明书和权项中所阐述的，带材是一种细长体，它的横截面尺寸比它的长度小得多。这样，带材包括金属丝，窄带、板和规则状和不规则状诸类材料。
发明适宜于晶状和非晶状金属组成的铸造金属带材，而且特别适于从熔融金属的熔体以至少约104℃/秒的速率快速凝固和淬火制造的金属带材。这样快速凝固的带材可以提高物理性能，例如提高抗拉强度、韧性和磁性性能。
图1表示一个快速铸造连续金属带用的先有技术装置。坩埚〔2〕中容盛熔融合金，用加热之件〔3〕加热。借助惰性气体，坩埚增压，迫使熔融的流通过一个在坩埚底上的喷嘴〔4〕，从而使熔融金属沉积到诸如旋转的铸造轮〔1〕的可转动激冷体上，凝固成运动带材〔6〕，随后从淬火轮的带材脱离点输选到合适的缠卷机构上。
淬火表面〔5〕(基底)，最好是一种高热传导材料。适合的材料包括碳钢、不锈钢和铜基合金，例如铜坡合金。为获得至少每秒大约104℃的淬火速率，轮〔1〕是内部冷却並旋转的，使提供以每分钟100米至4000米范围左右的速率的推进的淬火表面。最好，淬火表面速率范围在每分钟200米至3000米左右。一般铸造带材的厚度范围从25微米至100微米。
图2表示本发明的一个示意装置。一个可移动的激冷体，例如环状铸造带〔7〕具有一个激冷的铸造淬火表面〔5〕。喷嘴机构，例如喷嘴〔4〕，使熔融金属流沉积到淬火表面〔5〕的淬火区〔4〕，形成带材〔6〕。喷嘴〔4〕有一个位于引出部份〔26〕的喷口〔22〕。一个放气机构，包括气体喷排机构〔8〕以及气体供给源〔12〕，从气体供给源到位置靠近的烧耗区〔13〕和淬火区〔14〕的上游供给还原气体〔24〕。还原气体在烧耗区〔13〕内起放热作用，从而提供低密度还原气氛。喷嘴〔8〕适宜地位于使还原气体〔24〕直接对准和围绕烧耗区〔13〕，以使还原气体基本上涌到烧耗区〔13〕。阀门〔16〕调节通过喷嘴〔8〕的气体量和速率。如图2所示，气体喷嘴〔8〕位于淬火区〔14〕的上游，而方向基本上垂直于淬火表面的运动方向。可任意选择地，气体喷嘴〔8〕可置于同铸造喷嘴〔4〕同轴的方向，如图3所示。
低密度还原气体这个词，正如在说明书和权项中利用的，意味着还原气氛具有的气体密度每公斤小于1克，而最好持有每公斤低于0.5克左右的气体密度。
为得到所需的低密度还原气体，气体〔24〕放热反应至少达到800K(开氏绝对温标)左右，更好情况，作放热反应达到至少1300K左右。一般较热的还原气体较受欢迎，因为他们会具有较低的密度，以更好地使淬火表面〔5〕与所沉积的熔融金属之间气窝的形成和夹带减至最小程度。
夹带气窝是不希望的，因为他们使窄带产生表面缺陷，从而使表面光滑性降低。在极其个别情况下，气窝将会穿过带材〔6〕引起穿孔。当绕制形成磁芯的金属磁性带材时，光滑表面的光洁度实际上是很重要的，因为表面缺陷就会降低材料的堆积因数。堆积因数是绕制铁芯的实际磁性材料的容积系数(磁性材料的容积除以总的铁芯容积)，而常以百分率表示。一个无缺陷的光滑表面，可使带材〔6〕的磁性性能达到最佳化，並使各种致使降低带材机械强度的局部应力集中减至最小限度。
气窝也会使沉积的熔融金属和淬火表面〔5〕隔离，而降低局部表面的淬火速率。结果，不均匀淬火在带材〔6〕内产生不均匀的物理性能，例如不均匀的强度、韧性和磁性。
例如，当铸造非晶的金属带材时，气窝在带材的局部范围会给予不希望的结晶创造条件。气窝和局部晶体产生的不连续性，它抑制磁性畴壁的活动性，从而降低材料的磁性性能。
因而，通过减少气窝的夹带，本发明装置生产具有改善的表面光洁度以及改进的物理性能的高质量金属带材。例如已经生产金属带材具有至少80%左右堆积因数，而最好的堆积因数达95%左右。
减少气窝的机理参考附图6更容易说明。在靠近淬火表面〔5〕和溶潭〔18〕的上游，气体临界层速度分布如〔20〕所示。最大气体临界层速度发生在直接靠近淬火表面〔5〕(基底层)，並等于运动的淬火表面速度。因而，运动的淬火表面〔5〕经常从周围的大气中吸引冷空气进入烧耗区层〔13〕，以及淬火区〔14〕，即为熔融金属沉积其上的淬火区域。热的铸造喷嘴和熔融金属的存在，不能使局部气氛充分地加热，以致较大地降低其气体密度。
溶潭〔8〕沾着基底表面到怎样程度由各种因素决定的，包括金属的成份、基底的成份以及表面膜状况。然而，在溶体与基底层的分解面，由于气体边界层施加的压力作用，使熔体局部脱离基底，形成气窝夹带，而其会在窄带下侧上出现如“脱离”区域〔44〕那样气窝。气体边界层的滞止压力Ps′(如该层遇到了坚固壁的压力)，可以用公式Ps＝ 1/2 PV2来确定，式中P＝气体密度，V＝基底层速度。因而，边界气体层密度的减小或基底层速度减小，对熔融金属潭下夹带的气窝的大小和数量的减少是重要的。例如，用真空铸造边界气体层的移动，可以全部消除金属带材下侧的脱离区域。换句话说，在边界层可以采用低密度气体。选用低份子重量的气体(例如氦)是减少气体密度的一种方法。但是，能够安全地和经济地应用于这方法的低分子量的气体是相当有限的。本发明提供了一种降低基底层气体密度用的经济和安全的方法。按照发明，通过还原气体放热反应，使边界层气体密度减小。因为，当还原气体放热反应进行时，反应所提供的热，使得气体的密度递减，为绝对温度的倒数。由于溶潭〔18〕的上游烧耗区中的还原气体的放热作用，在熔潭下面夹带的气窝数量和大小大体上可以被减少。
因而，重要的是调整有关因素，例如热的组成，低密度气体的组成以及淬火表面的各种参数，以便充分地防止可能沉积到淬火表面〔5〕上的固态或液态物质的形成。倘如，这样的沉积物夹带在熔潭和淬火表面之间，会产生表面缺陷，並降低带材的质量。
意想不到，在于经过最接近淬火表面区〔14〕位置的低密度还原气氛产生的热不会降低熔融金属的淬火。相反地，由还原反应生成的热，通过使得隔离的存在，夹带的气窝情况减至最少，实际上提高了淬火产品率的均匀性，从而改善铸造带材的质量。适当的还原气体包括一氧化碳和与此有关的气体混合物。
在淬火表面区，还原气体的存在具有明显的好处。实际上，还原气体使带材〔6〕氧化减至最小。另外，还原气氛造成缺氧的淬火表面，从而使氧化减至最小。减少氧化使淬火表面的沾润度改善，並且使得熔融金属可以更均匀地被沉积在淬火表面〔5〕上。在淬火表面〔5〕为铜基合金材料情况下，氧化减少，使淬火表面产生更大抗热感应疲劳裂缝的形成和成长。还原气氛也使喷嘴〔4〕的区域氧贫化，从而减少喷口〔22〕堵塞，尤其由于粒子活塞。可选择地采用辅助气体喷嘴〔32〕，使在沿带材〔6〕的选用区提供附加的还原气氛，这如图2所示。
图4表示本发明的一个实施方案，在那里还原气体易于被点燃和燃烧形成还原火焰气氛。喷嘴〔4〕把铸造的金属沉积到旋转的铸造轮〔1〕的淬火表面〔5〕上，使形成带〔6〕。该实施方案的放气机构由供气源〔12〕，排气口〔8〕和点火机构〔30〕组成。阀门〔16〕调节经过喷嘴〔8〕输送的气体的速度和容量，以及一个清洁刷〔42〕清理淬火表面〔5〕，以帮助减少其上的氧化物。在气体〔24〕同足够的氧混合以后，点火机构〔30〕点燃该气体，使产生热的低密度还原气氛，围绕烧耗区〔13〕和围绕沉积铸造金属的淬火表面区〔14〕。适当的点火机构包括电火花点火、加热灯丝、加热板以及与此类似的材料。例如，在图4中表示的实施装置中，热的铸造喷嘴作为适宜的点火机构，其自动地点燃在上与此接触的还原气体。
合成的火焰气氛形成火焰卷流〔28〕，其开始于淬火区〔14〕的上游，並烧毁其中的氧气。另外，在卷流中未被烧烧还原气体减少了对淬火表面〔5〕，喷嘴〔4〕和带材〔6〕的氧化作用。火焰〔28〕的能见度考虑到易于实现最佳化和气流的控制，以及通过轮的旋转，能有效地把卷流〔28〕吸引在围绕轮〔1〕的外廊线上，以使提供一种延长的还原火焰气氛。其结果是使热的还原气氛处于围绕淬火表面〔14〕，並在其后有一个离散的距离。延伸的火焰卷流冷却时，在带材〔6〕的周围优越地提供不氧化的保护气氛。可供选择的是附加气体喷嘴〔32〕和点火机构〔34〕能够应用于在沿带所选用的区域，提供附加的还原火焰卷流〔36〕，以使带免于氧化。由热产生另一好处是还原火焰卷流大大地提高了带材的自由表面的光滑性(同淬火表面不接触的那面)。实验已证明，当带材在发明的还原火焰卷流中生产时，快速凝固的金属带材的平均粗糙度，当用标准技术进行测量，例如测得的堆积因数大大地降低。
还原气氛的正确选择是重要的。燃烧气体的燃烧产物不应该产生能凝结在淬火表面〔5〕和在喷嘴〔4〕上液体或固体相。例如，在通常情况下，氢气已经不再令人满意，因为，它的燃烧产物是水，水会冷凝在表面〔5〕上。结果，氢气火焰卷流就不能充分地减少带材〔6〕的淬火表面一面上的气窝的形成。
所以，还原气体〔24〕最好在强烈的放热反应中不仅是会燃烧的和烧毁的气体，而且也会产生能保持铸造所需要的燃烧产物。一氧化碳气体(CO)是一种满足上面标准的更可取的气体，而且也提供合乎需要的、无水的还原气氛。
供应还原火焰气氛的有效方法，是用加热位于最接近于熔潭〔18〕的气氛到很高的温度，约为1300～1500K。那样的温度会在熔潭周围产生很低气体密度。高的温度也增加还原反应的活泼性，使进一步把淬火表面〔5〕、喷嘴〔4〕和带材〔6〕的氧化减至最小。在喷嘴〔4〕处，热的还原火焰的存在也降低了其能使喷嘴破裂的温度梯度。
因此发明具体装置利用还原火焰气氛更有效地产生一种加热的低密度还原气氛，围绕在淬火表面〔5〕，能提高铸造带材二面的平滑度，並且能更有效地防止淬火表面〔5〕、带材〔6〕和铸造喷嘴〔4〕的氧化作用。
在本发明的特殊性方面，气体供应机构〔12〕产生一种居先点火的原始气体混合物，该混合物基本上由一氧化碳和氧气组成。点火机构〔30〕点燃气体，使产生放热反应，如图4所示。这个反应在烧耗区产生高温，並形成热感应，低密度的还原火焰气氛，该气体实际上位于距离其铸造轮〔1〕提供的活动激冷体的表面上的淬火区〔14〕邻接和上游。控制机构，例如温度传感器〔50〕和与阀门〔16〕连接的调节器〔52〕的组合控制初始气体混合物，使在烧耗区〔13〕和淬火区〔14〕上产生调整的还原火焰气氛。这种调节的还原火焰气氛具有被燃的气体成分，其实质上含有非自由氧;火焰〔28〕的被燃气体实质上是不起反应的自由和游离的氧。
在烧耗区〔13〕和铸造区〔14〕，由一氧化碳和氧组成的初始气体混合物能产生2600℃以上的火焰温度，但是，其气体密度很低。这些高温火焰引起氧分子电离成高度活泼的氧离子。结果初始气体混合物中的一氧化碳体积百分数应为其混合物氧的体积百分数的4倍，这样便提供所需要的有效性程度。
本发明的进一步特性，气体供应机构〔12〕产生基本上由一氧化碳、氧气和非反应性的稀释气体组成。例如，气体供应机构能提供从输送机构〔8〕挑选出来的一氧化碳气体流率，其同周围空气混合，使提供基本上由一氧化碳、氧气和氮气组成的初始气体混合物。稀释气体的存在有助于减低火焰温度和减少氧分子电离为高度活泼的氧离子。结果，一氧化碳体积百分数相对氧的会被减低到接近化学计量2与1之比，在铸造带材周围的还原火焰气氛却仍产生所希望的化学性质。最好，在初始气体混合物中一氧化碳的体积百分数至少为在初始混合物含有的氧的体积百分数的2.5倍左右。
如前所述，产生所希望的初始气体混合物用的很简便的方法是把一氧化碳与周围的空气混合，使产生基本上由CO.O2和N2组成的混合组分。使用本发明的这种实施方案，初始气体混合物的一氧化碳的数量在大约38-70体积百分数范围。范围的下限保证合成的火焰气氛具有最佳的还原特性，並且基本上含有非自由氧。范围的上限保证火焰气氛不熄灭。
鉴于火焰气氛的气体化学性质对铸造带材的质量最佳化是重要的，其在于准确地控制火焰的化学性质。但是火焰组成直接检测会是困难的。
本发明优越地提供一种有效地控制火焰化学性能的有效控制机构，其包括一个温度传感器，如图4所示的热电偶〔50〕。这种控制机构还包括一个调节机构〔52〕，例如调节阀门〔16〕，使按需要从供应源〔12〕增加或减少一氧化碳的流量。一个所希望的铸造状态是通过监控火焰温度的变化，使其成为提供初始气体混合物的一氧化碳的数量的函数。实际上，热电偶〔50〕传感和监控这个火焰温度，是来确定一氧化碳的流率。由于那样的情况存在，人们能可靠地推算出建立需要的铸造状态;在这种铸造状态时，热的火焰气氛基本上是未反应的自由氧。
例如象上面那样条件下，快速淬火可以产生亚稳态的、单一的、可塑性的材料。这种亚稳态材料可以是玻璃状的，这种状态下是非长程序结构。玻璃状的合金X射线衍射照片仅仅显示漫射的光环，有点类似于非晶氧化物玻璃观察到的情况。这种的玻璃状合金至少需要50%玻璃状晶体，能有效地延展到足够允许加工程度，例如，由合金窄带板冲压成复杂形状的型材。最好玻璃状合金，至少50%必需是玻璃状的，实质上最好几乎大部份玻璃状的(或全部)，以获得较好的延展性。
亚稳相也可是组成之素的固溶体。在发明的合金情况方面，这样的亚稳的固溶相，在采用制备晶体合金技术中常规的工艺过程一般是不产生的。固溶合金的X射线衍射图象显示晶状合金的锐的衍射峰值特征曲线，具有所希望的细晶粒尺寸的晶体峰值有些加宽。当在上述所说的情况下生产时，这样的玻璃状材料也是可延伸的。
发明的材料有利金属薄片生产(或窄带)，並可以作为铸件产品应用，故无论材料是玻璃状的或固溶体。另一方面，玻璃状的合金薄片可以加热处理，以获得结晶形态，最好是细晶粒的，当冲制复杂形状时，促使延长寿命。
如图5所示，本发明可以任意地包括挠性紧靠带〔38〕，其带材〔6〕靠着淬火表面〔5〕传送，于是可延长冷接触。延长冷接触，可通过提供更均匀冷却和带材的被延长冷却周期，提高带材〔6〕的淬火质量。导轮〔40〕位于使铸造带〔38〕沿淬火表面所需紧靠的位置，一个驱动机构使铸造带〔38〕运转，並使淬火表面相对于紧靠的铸造带区域，其速度大体上等于淬火表面运动的速度。最好，带〔38〕使带材〔6〕的边界区交叠，使直接接触和摩擦连接淬火表面。摩擦连接提供铸造带运动所必需的驱动手段。
大量的实践工作已经用到发展快速凝固金属形成厚带材用的装置和工艺方法，因为，这样的带材可以更容易地用来作直接代用品，代替目前在商业中应用的材料。
因而，本发明大大地提高熔融金属的液流和激冷淬火表面之间的接触，使得远离熔融金属的地方热传输得到改善。热传输的改善，换句话说，提供了一种更均匀和更快速凝固的铸造金属，使生产较高质量的厚带，也就是带材具有厚度范围从15mm左右到70mm左右及70mm以上那样厚的。
类似地，相当大量的研究已经用到形成较薄的快速凝固带材。很薄的金属带小于15微米，而更好厚度大约8微米，在各种商业应用中是很需要的。在焊接方面应用，例如，用于硬钎焊结合的焊料丝金属，与基体金属相比较其常常具有低玻璃状的性质。为了确定焊接部件的玻璃状结构的最佳条件，焊接结点焊得很薄，因此，在焊接操作之前，薄的焊接丝直接放置在焊接区，则连接强度可以通过使用很薄的硬焊细丝达到最佳。
在高频电子的磁性应用方面，磁性装置的功率损耗是与磁性材料的厚度t成正比例。在另一种磁的应用中，例如饱和电抗器，当使材料快速饱和时，功率损耗是与磁性材料的厚度平方(t2)成正比。因而，在电抗器中，薄带能减少功率损耗。另外，薄带饱和所需要的时间较少，从电抗器中可获得较短和较锐的输出脉冲。並且薄带减少每一叠层片感应电压，因此，叠层片之间很少需要绝缘。
在线性感应加速装置的感应线圈中损耗也是与t2相关的，而且较薄的带会减少功率损耗。同样地，薄条更容易和更快饱和，通常可用来做短脉冲加速器。另外较薄的窄带会要求减少叠层片间的绝缘。
薄带的另外的优点，当卷缠成给定直径时是很少受到弯曲应力。过度的弯曲应力会通过磁致伸缩现象降低磁性。
本发明的装置和方法基本上对形成很薄的金属带是有用的。並且，发明大大地减小气窝缺陷的深度和大小，很少可能这样的缺陷会大得足以穿过铸造带材。按上所述，因为有很少可能性使缺陷大得足以穿过带材，所以很薄的带材是能够铸造的。因而，本发明能利用于铸造很薄的金属带，象铸造小于15微米厚度的金属带。更好，铸带具有12微米厚度或以下。更进一步，铸带厚度范围从7到12微米。另外，薄金属带其宽度至少达1.5毫米，而最好数值至少10毫米左右。
列举下列实例提供发明的更完整的了解。这些实例所列的专门技术、条件、材料、配比和图解说明发明原理的简述资料都是典型的，而不应该解释为是对发明范围的限止。合金的化学性质用原子百分注脚表示公称成分。
例1强制对流的铸造轮具有一个碳素钢基底，用来制备镍基和铁基玻璃状金属带。铸造轮设有类似于美国专利4，307，771描述过的那种内部冷却结构，直径38Cm和宽度5Cm。使铸造轮从每分钟890转的速度旋转，相当于每秒18米的圆周表面速度。在因铸造方向大约倾斜10°的慢速刷轮的转动作用(期间)情况下，基底连续地被修整。喷嘴有一个宽0.4mm和长25mm的切槽孔(口)，其由第一唇边和第二唇边所确定，每边都有1.5mm的宽度(这些唇边已用激冷轧辊的旋转方向标号)，把喷嘴安装在与铸造轮圆周表面运动的方向垂直的位置，以致于第二唇边和铸造轮表面之间，以及第一唇边和铸造轮表面之间的间隙是0.20mm。将熔点约1000℃，组分为，Ni58Cr7Fe3B14Si8(下注脚用原子百分比)的镍基合金从加压坩埚供给喷嘴，坩埚内的金属保持温度1300℃，压力大约3.5磅/吋2(24千帕)。压力是由氩氧复盖层的装置供给。铸造的金属以每分钟6.6公斤速率通过切槽孔口排喷。它在激冷轧辊的表面凝固成具有宽度2.54Cm厚度0.033mm的带(箔)。在使用X射线衍射仪检测时，发现这种带材结构上的非晶性。窄带显示了在下面一侧夹带气窝的有效的数量。在窄带铸造期间，在基底表面上形成黑色氧化痕迹，减少窄带基底的粘性。
例2重复例1的工艺程序，除了一氧化碳火焰向着窄带铸造熔潭的轨迹上面方向外，使用在例1采用的装置、加工条件、金属和合金，使减少氧化和促进窄带基底的粘性，通过火焰的燃烧作用，以及刷子修正减少基底氧化，从而增加粘性和生产具有合适的几何形状均匀性的窄带。当一氧化碳气体和溶潭的后部之间的距离小于2厘米左右(＜1英寸)时，获得最佳的结果。
从带材纵向和横向切断的拉伸试样，都呈现相等的抗拉强度和抗拉长度。这种带材大体上具有各向同性的抗拉性能。
例3重复例1的工艺程序，采用概括在表1所列的装置，工艺加工条件、金属和合金，以获得所描述的产品。
表1合金(以%) Fe81B13.5C2Ci3.5铸造轮直径 (厘米) 38铸造轮宽度 (″″) 5铸造轮旋转速率 (转数/分) 895喷嘴口宽度 (毫米) 2.5喷嘴口长度 (″″) 0.4
第一唇边宽度 (毫米) 1.5第二唇边宽度 (″) 1.5气隙-第二唇边对铸造轮 (″) 0.20气隙-第一唇边对铸造轮 (″) 0.20金属溶点 (℃) 1150应用坩埚压力 (千帕) 24坩埚中金属温度 (℃) 1350带材的厚度 (毫米) 0.02带材的宽度 (″) 25带材的结构 (″) 非晶体在铁基窄带长度的轴向施加80安培/米的场，在温度360℃下，保温2小时使其退火。
金相照相表示铁基非晶窄带的下侧状况如图7所示。请注意所显示含有的气窝是相当大和长的。
例4重复例3的工艺程序，除了一氧化碳火焰朝着窄带铸造熔潭的轨迹上面分向外，使用同样的装置、加工条件和合金，使减少氧化和促进窄带基底粘性。金相照片表示使用一氧化碳火焰生产的铁基合金非晶带材的下侧如图8所示。请注意利用一氧化碳的火焰铸造的铁基合金带下面一边上含有气孔当同表示在图7那些比较显著地减少。不但铁磁带材的磁性性能，而且堆积因数也得到改善。同时可看到镍基非晶质带材也有类似的提高。实验已表明上述以通常方法铸造的带材表面光洁度、光泽和韧性显著地提高。可是，通过铁熔化，铜基底层的内部沾润不可能象铁基底层的沾润一样大，一氧化碳的利用，使铜基底层沾润增加到铜基底层能生成(生存)材料的点，以生产高质量、无缺陷带材。这样的无缺陷铸造件允许很薄的带的生产(在序列7微米左右)。另外，通过一氧化碳火焰-辅助的铸造提供的改善的熔化基底层接触，提高总的淬火速率和能够生产厚度比常用的较大的给定成分带材。
例5绝热的(最大)火焰温度是计算得出，並同确定的测定值比较。由于这些形成的气体化学上活泼性，氧分子和离子浓度也要计算得出。
通过商业纯气体流过焰炬设备的混合头，产生预先确定的CO-O2和CO-空气组成。各个预先混合的气体被输入内径12毫米透明熔凝石英燃烧管，其输入时压力35千帕(5磅/吋2)和流率最高达500厘米3/秒下。一个移动式铂/铂-13铑(R-型)热电偶，由直径0.5毫米线材制的，用于与一个检测火焰温度的锚爪2161A型带模拟输出的数字式温度计连接。每一个混合气体组分的最大火焰温度，通过用热电偶精细地检测燃烧管内气体反应区域被测定和记录。热源损耗，例如通过热电偶热辐射和传导导致等不加考虑。在另一类测定中，使热电偶以4厘米/秒左右速度横穿过空气中无约束的一氧化碳火焰的横截面。除了提供火焰温度外，合成热分布图常也用来计算火焰化学性质。
图9是一个计算作出的图表，CO-O2火焰的被燃烧气体热化学性为初始气体混合物组成中的一氧化碳的相对数量的函数。“M”标指由实验所测到的最大火焰温度数据点。正如图9所表示的，当初始气体混合物至少含有一氧化碳容量80%左右时，火焰中的被燃烧气体成分包含近似零数量的自由的未作用的氧(O2，O)。但是，为了持续燃烧火焰，初始气体中CO的数量应该低于大约95%容积，而最好低于大约92%容积。图9表示被燃烧气体中实质上无自由氧的情况，近似地符合于初始气体混合物的CO体积百分递增产生火焰温度递减的状况。
图10曲线图形是计算得出的图表，CO-空气火焰的被燃烧气体热化学性为初始气体混合物中一氧化碳相对数量的函数。“M”还标指实验测定最高火焰温度的数据点。当初始气体大约含有38～70%容积一氧化碳时，用CO-空气火焰，火焰的被燃烧气体组分实质上无自由氧。在初始气体混合物中的一氧化碳在大约70%容积以上，这火焰熄灭。此外，被燃烧气体中的游离氧数量实质上零的情况，近似地符合于初始气体混合物的CO体积百分递增产生火焰温度递减的状态。
例6Fe38B13Si9合金铸造成非晶带材形成在直径38厘米旋转的铜坡激冷轮上，需要提供淬火表面运动速率大约20米/秒。熔体温度大约1623K左右，而熔体的铸造压力是大约19千帕左右。铸造喷嘴有一个切槽孔口，其测定宽度大约0.38毫米左右，长度约5厘米左右。喷嘴偏离激冷轮上死点靠近向下液流方向的1.6毫米处，以及处在提供喷嘴孔口和淬火表面之间大约0.15毫米的铸造间隙位置。
曾利用二种不同的一氧化碳火焰化学性质做实验性运送。一种一氧化碳火焰(CO流率为22厘米3/秒)含有过量自由氧(栏1)，而另一种氧化碳火焰(CO流率38厘米3/秒)实质上无自由氧(栏2)。
二种产品铸造带材典型的功率损耗数据和励磁功率损耗表示在表2。
从资料比较，容易表明在燃烧气体化学性质上，最佳的CO-火焰含有非自由氧会大大地减少功率损耗和励磁功率。
表2功率损耗(瓦/公斤) 1.3吨 1 20.170 0.1191.4吨 0.211 0.138励磁功率(伏安/公斤) 1.3吨 0.232 0.1961.4吨 0.402 0.252例7.
Fe-B-Si-C合金是快速凝固形成在直径38厘米铜坡激冷轮上，其激冷轮作旋转运动，使提供大约18米/秒左右的外部淬火表面速率。熔化温度近似为1623K和铸造压力是大约24千帕左右。铸造喷嘴的切缝孔口宽约0.38毫米左右和长约5厘米左右。喷嘴偏离铸造轮上死点下游方向3.2毫米，而铸造间隙处约1.3毫米左右。
在实验性运转中，带材铸造采用三种不同情况的装置。在第一种情况装置下，合金在低温、无火焰的周围大气中铸造(栏1)。在第二种情况装置中，合金在燃烧的一氧化碳火焰中铸造，该一氧化碳火焰，在被燃烧气体中实质上无自由氧(栏2)。在第三种情况装置下，合金在很热的一氧化碳火焰中铸造，其火焰含过量的氧(栏3)。总合铸造带材的一些特征概括在表3。
表3(空气)1 (一氧化碳)2(一氧化碳+过量氧气)3堆积因数 70% 83% 72%μ最大X103129 176 83Br(泰斯拉) 1.24 1.46 0.94B1(″″″) 1.47 1.56 1.32Br/B10.84 0.94 0.71功率损耗(瓦/公斤) 0.25 0.24 0.29励磁功率(伏安/公斤) 0.70 0.28 0.47平均厚度(微米) 16 16 20由于已十分详尽地描述了发明，因而就可认为这样的细节不一定严格遵守，以及能够使技术上熟练的人想起各种变化和修正，但所有落入发明范围内都作为附加权项解释。
权利要求
1.一种铸造金属带材的装置，包括a、一个可转动的激冷体，在其上有一个淬火表面；b、熔融金属的液流沉积在所说的淬火表面上，形成所说的金属带材而用的喷嘴机构；c、提供初始气体混合所用的气体供应机构，其气体混合物基本上由一氧化碳和氧气组成；d、点燃所说的初始气体混合物用的点火装置，使产生放热反应在大体上靠近烧耗区和所说淬火区的上游提供低密度还原火焰气氛；e、控制所说的初始气体混合物，使在沉积区产生一种调整的还原火焰气氛用的控制机构，所说的调整的还原火焰气氛具有实质上包括非自由氧的被燃烧的气体成分。
2.如权项1所述的装置，其所说的控制的初始气体混合物含有一氧化碳的体积百分数至少为其中含氧的体积百分数的四倍左右。
3.如权项1所述的装置，其所说的初始气体混合物基本上由一氧化碳、氧气和惰性稀释气体组成。
4.如权项3所述的装置，其所说的惰性稀释气体是由氦组成。
5.如权项3所述的装置，其所说的得到控制的初始气体混合物含有一氧化碳的体积百分数，至少是其中氧的体积百分数的2.5倍左右。
6.如权项3所述的装置，其所说的控制机构提供初始气体混合物，在同周围的空气混合时基本上由30-70体积百分数一氧化碳。
7.如权项1所述的装置，其所说的控制装置还包括a、传感火焰温度用的温度传感机构;b、调节所说的控制机构用的调节机构，为提供一种铸造状态，即在供给的初始气体混合物中一氧化碳体积百分数相对增加时，其火焰温度相应並相对地下降。
8.一种铸造金属带材的方法，包括步骤为a、运动的激冷体，其上有一个淬火表面;b、使熔融金属的液流沉积在所说的淬火表面的淬火区上，以形成所说的带材;c、供给的初始气体混合物基本上由一氧化碳和氧气组成;d、点燃所说的初始气体混合物，使产生放热反应，在大体上靠近烧耗区和所说的淬火区的上游提供低密度的还原火焰气氛;e、控制所说的初始气体混合物，使导致还原火焰气氛调整，这种气氛实质上无游离氧置于所说的烧耗区。
9.如权项8所述的方法，其所说的控制程序(e)提供一种基本上由一氧化碳、氧气和惰性稀释气体组成的初始气体混合物。
10.如权项8所述的方法，其所说的控制程序(c)包括的程序为a、传感所说的火焰温度;b、调节所说的初始气体的混合物的一氧化碳量，为达到在初始气体混合物中的一氧化碳体积百分数相对增加的工作状态，产生所说的火焰温度相应、相对的减少。
专利摘要
铸造金属带材用的装置和方法包括一个运动的激冷体，在其上有一个淬火表面。一个喷嘴机构把熔融金属的液流沉积到淬火表面的淬火区上，使形成带材，以及一个供应气体的机构提供初始气体混合物，其基本上是由一氧化碳和氧气组成。点火机构把初始气体混合物点燃，以产生一放热反应，其在大体上靠近烧耗区和淬火区的上游提供一种低密度的还原气氛。一个控制机构控制初始气体混合物，在烧耗区上产生调整的还原火焰气氛，烧耗区上调整的还原火焰气氛具有实质上包括非游离氧燃烧过的气体成分。
文档编号B22DGK85104024SQ85104024
公开日1986年7月16日 申请日期1985年5月21日
发明者霍华德·霍斯德·莱伯曼 申请人:联合公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan