D0I:10.13374/i.issnle00113.2009.11.032 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2009 工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学 性能的影响 王成铎王凤美张志豪 谢建新 北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 摘要以玻璃包覆F69Co1oSi8B13合金微丝为研究对象，研究了拉丝速率及冷却条件对微丝尺寸、结构及力学性能的影响： 分析了不同冷却条件下微丝的拉伸断裂机制.结果表明：当拉丝速率由5mmin增加到400mmin-时，微丝及芯丝直径分 别由95.2m和26.9m减小到14.5m和7.2m:拉丝速率由50mmin-增加到400mmin-时，芯丝抗拉强度由1305MPa 增大到5842MPa:冷却距离小于20mm时，微丝尺寸和抗拉强度均随冷却距离的增大而显著减小：冷却距离大于20mm时，冷 却距离对微丝尺寸和抗拉强度的影响很小：采用水冷方式且拉丝速率大于5mmin~1时所获得的微丝均为非晶态结构，而采 用空冷方式制备的非晶态微丝的拉丝速率应大于或等于20mm1;芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑性流变的脆性断裂，且 脆性断裂倾向随冷却距离的增加而增大： 关键词玻璃包覆微丝：尺寸：力学性能 分类号TG139+.8 Influence of process parameters on the sizes,structure and mechanical properties of glass-coated Fe-based alloy microwires WA NG Cheng-duo,WA NG Feng-mei,ZHA NG Zhi-hao,XIE Jian-xin Advanced Materials and Technologies Institute,University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT Taking glass-coated Fe6CooSisB13 alloy microwires as an example.the dependences of sizes.microstructure and me- chanical properties of microwires on drawing speed and cooling condition were analyzed,and the tensile fracture mechanism of the mi- crowires under different cooin conditiowasdiscussed.The results show that,with the drawing speed increasing from5mmin to 400mmin,the diameters of microwires and core-wires decrease from 95.2m and 22.7Pm to 14.5!m and 7.2m respective- ly,and the tensile strength of core-wire increases from 1305 MPa to 5842 MPa.As the cooling distance is less than 20mm,the sizes and mechanical properties of microwires decrease drastically with the cooling distance increasing,but the influences of cooling distance on them are not obvious as the distance exceeding20mmAs water cin is applied and the drawing speed eee5nall the core-wires are amorphous.Applying air cooling.the drawing speed should exceed 20mmin to obtain amorphous core-wires. The core-wires exhibit brittle fracture mode accompanied by uneven plastic flow and the brittle tendency increases with the cooling distance increasing. KEY WORDS glass"coated microwires:size:mechanical properties 玻璃包覆熔融纺丝法采用一道工序即可制备金 特性 属芯丝直径为2~30m的玻璃包覆金属微丝，是一 玻璃包覆合金微丝在结构型吸波材料、纤维增 种短流程、高效制备方法，所制微丝具有可控的一维 强复合材料等领域的使用过程中，往往要求具有优 形状以及优良的力学、电学和磁学性能，玻璃包覆层 良的力学性能，在玻璃包覆熔融纺丝过程中，工艺 的存在还使其具有良好的耐腐蚀、耐高温、高绝缘等 参数直接影响微丝的尺寸、结构和性能，因此，研究 收稿日期：2009-05-06 基金项目：国防基础科研项目 作者简介：王成锋(1979一)，男，博士研究生；谢建新(1958一)，男，教授，博士生导师，E-mail:jxxie@mater-ustb-edu~cm
工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学 性能的影响 王成铎 王凤美 张志豪 谢建新 北京科技大学新材料技术研究院北京100083 摘 要 以玻璃包覆 Fe69Co10Si8B13合金微丝为研究对象研究了拉丝速率及冷却条件对微丝尺寸、结构及力学性能的影响； 分析了不同冷却条件下微丝的拉伸断裂机制．结果表明：当拉丝速率由5m·min －1增加到400m·min －1时微丝及芯丝直径分 别由95∙2μm 和26∙9μm 减小到14∙5μm 和7∙2μm；拉丝速率由50m·min －1增加到400m·min －1时芯丝抗拉强度由1305MPa 增大到5842MPa；冷却距离小于20mm 时微丝尺寸和抗拉强度均随冷却距离的增大而显著减小；冷却距离大于20mm 时冷 却距离对微丝尺寸和抗拉强度的影响很小；采用水冷方式且拉丝速率大于5m·min －1时所获得的微丝均为非晶态结构而采 用空冷方式制备的非晶态微丝的拉丝速率应大于或等于20m·min －1；芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑性流变的脆性断裂且 脆性断裂倾向随冷却距离的增加而增大． 关键词 玻璃包覆微丝；尺寸；力学性能 分类号 TG139＋∙8 Influence of process parameters on the sizesstructure and mechanical properties of glass-coated Fe-based alloy microwires W A NG Cheng-duoW A NG Feng-meiZHA NG Zh-i haoXIE Jian-xin Advanced Materials and Technologies InstituteUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Taking glass-coated Fe69Co10Si8B13alloy microwires as an examplethe dependences of sizesmicrostructure and mechanical properties of microwires on drawing speed and cooling condition were analyzedand the tensile fracture mechanism of the microwires under different cooling conditions was discussed．T he results show thatwith the drawing speed increasing from 5m·min －1 to400m·min －1the diameters of microwires and core-wires decrease from95∙2μm and22∙7μm to14∙5μm and7∙2μm respectivelyand the tensile strength of core-wire increases from1305MPa to5842MPa．As the cooling distance is less than20mmthe sizes and mechanical properties of microwires decrease drastically with the cooling distance increasingbut the influences of cooling distance on them are not obvious as the distance exceeding20mm．As water cooling is applied and the drawing speed exceeds5m·min －1all the core-wires are amorphous．Applying air coolingthe drawing speed should exceed20m·min －1 to obtain amorphous core-wires． T he core-wires exhibit brittle fracture mode accompanied by uneven plastic flow and the brittle tendency increases with the cooling distance increasing． KEY WORDS glass-coated microwires；size；mechanical properties 收稿日期：2009－05－06 基金项目：国防基础科研项目 作者简介：王成铎（1979－）男博士研究生；谢建新（1958－）男教授博士生导师E-mail：jxxie＠mater．ustb．edu．cn 玻璃包覆熔融纺丝法采用一道工序即可制备金 属芯丝直径为2～30μm 的玻璃包覆金属微丝是一 种短流程、高效制备方法所制微丝具有可控的一维 形状以及优良的力学、电学和磁学性能玻璃包覆层 的存在还使其具有良好的耐腐蚀、耐高温、高绝缘等 特性［1－3］． 玻璃包覆合金微丝在结构型吸波材料、纤维增 强复合材料等领域的使用过程中往往要求具有优 良的力学性能．在玻璃包覆熔融纺丝过程中工艺 参数直接影响微丝的尺寸、结构和性能．因此研究 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．032
第11期 王成铎等：工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 ,1437. 玻璃包覆金属微丝的制备工艺一尺寸结构一力学性 降至7.2m 能之间的关系，有利于微丝尺寸和性能的精确控制， 150 而目前相关的研究工作在国内外未见文献报道，玻 120 璃包覆金属微丝制备的影响因素较多，包括高频电 源、感应加热器结构、玻璃管的进给速率、拉丝速率 0 以及冷却条件等].在原料和实验设备一定的情 西 况下，拉丝速率和冷却条件是最主要的影响因素， 微丝芯丝 在前期对FeCoSiB非晶合金微丝的静磁性能研 100 200300 400 究工作中，发现在Si和B含量一定时，随着Co含量 拉丝速度(mmin) 的增加，微丝的饱和磁化强度先增大后减小，C0原 子分数为10%时，其饱和磁化强度最高1.因此， 图1拉丝速率对微丝和芯丝直径的影响 Fig.I Influence of drawing speed on the diameters of microwires 本文选择玻璃包覆Fe69Co1oSi8B13非晶合金微丝为 and core-wires 对象，研究拉丝速率和冷却条件对微丝尺寸、结构和 力学性能的影响，以期在制备过程中实现对玻璃包 利用动能定理，即外力所做的功与金属填充毛 覆铁基合金微丝尺寸和性能的控制， 细玻璃管的动能相等，计算出拉丝速率与芯丝半径 存在如下关系： 1实验 V2= 6F πdm(R2+r2+Rr) (1) 1.1微丝的制备 Pyrex玻璃管的外径和壁厚分别为10.0mm和 式中，V为拉丝速率，dm为金属密度，Fa为金属与 1.0mm,玻璃管进给速率为1 mm-min;采用直径 玻璃界面的结合力，R为玻璃管内径的一半，r为微 为4mm的Fe69Co1 oSisB13合金棒进行连续进料，使 丝中芯丝半径.由式(1)可以看出，在金属与玻璃的 纺丝过程中的微熔池质量保持稳定，熔池温度约 黏附力、金属密度以及玻璃管内径保持不变的条件 1260℃；冷却水温度和流量分别为20℃和0.5L· 下，当拉丝速率逐渐增大时，金属芯丝直径将逐渐减 min-1 小，另外，当玻璃管进给速率一定时，根据体积不变 1.2尺寸测量和性能分析 原理，即玻璃管的进给量与成形玻璃包覆层的体积 利用JX13C万能工具显微镜测量微丝和芯丝 量相等，玻璃包覆层的截面积随拉丝速率的增大而 直径，在微丝上每隔1m测量一次，连续测量五个 减小，由于上述两方面原因，微丝和芯丝的直径均 点，将五个测量结果的平均值作为该工艺条件下的 随拉丝速率的增大而减小， 微丝尺寸， 研究冷却距离与微丝尺寸之间的关系时，拉丝 采用12kW旋转阳极X射线衍射仪(XRD)分 速率保持为200mmin.当冷却距离从5mm逐 析微丝的微观结构.测试条件为：工作电压40kV, 渐增加到l50mm时，微丝和芯丝的直径随冷却距 工作电流150mA,扫描速率6°min-1, 离变化的规律如图2所示，从图中可以看出：当冷 用YGO01D型强力仪测量微丝的力学性能.试 却距离小于20mm时，冷却水位置对微丝和芯丝直 样标距取100mm,拉伸速率为5 mm'min1,取相同 径的影响显著，例如，当冷却距离由5mm增加到 实验条件下五个测量结果的平均值作为该工艺条件 20mm时，微丝平均直径由17.0m降至15.0m, 下的力学性能指标.采用Cambridge S360扫描电镜 芯丝直径也由9.2m降至5.9m;而当冷却距离大 观察微丝断口形貌 于20mm时，冷却水位置对微丝和芯丝直径的影响 很小. 2结果与讨论 在纺丝过程中，软化的玻璃管末端被绕丝装置 2.1拉丝速率、冷却距离与微丝尺寸之间的关系 以一定速率拉伸并硬化成一定直径的毛细玻璃管， 研究拉丝速率与微丝尺寸之间的关系时，冷却 形成一个直径渐渐变细的玻璃拉伸变形区，也即玻 距离保持为5mm,实验所得微丝和芯丝的直径随拉 璃由变形开始到终了所经过的区域，如图3所示， 丝速率的变化如图1所示.从图中可以看出，当拉 在该区完成毛细玻璃管的形成和金属液填充，并决 丝速率从5mmin增加到400mmin时，微丝直 定微丝的最终尺寸 径从95.2m降至14.5m,而芯丝直径由22.7m 当冷却水位置在玻璃拉伸变形区内时，由于玻
玻璃包覆金属微丝的制备工艺－尺寸－结构－力学性 能之间的关系有利于微丝尺寸和性能的精确控制 而目前相关的研究工作在国内外未见文献报道．玻 璃包覆金属微丝制备的影响因素较多包括高频电 源、感应加热器结构、玻璃管的进给速率、拉丝速率 以及冷却条件等［4－5］．在原料和实验设备一定的情 况下拉丝速率和冷却条件是最主要的影响因素． 在前期对 FeCoSiB 非晶合金微丝的静磁性能研 究工作中发现在 Si 和 B 含量一定时随着 Co 含量 的增加微丝的饱和磁化强度先增大后减小Co 原 子分数为10％时其饱和磁化强度最高［6］．因此 本文选择玻璃包覆 Fe69Co10Si8B13非晶合金微丝为 对象研究拉丝速率和冷却条件对微丝尺寸、结构和 力学性能的影响以期在制备过程中实现对玻璃包 覆铁基合金微丝尺寸和性能的控制． 1 实验 1∙1 微丝的制备 Pyrex 玻璃管的外径和壁厚分别为10∙0mm 和 1∙0mm玻璃管进给速率为1mm·min －1 ；采用直径 为4mm 的 Fe69Co10Si8B13合金棒进行连续进料使 纺丝过程中的微熔池质量保持稳定熔池温度约 1260℃；冷却水温度和流量分别为20℃和0∙5L· min －1． 1∙2 尺寸测量和性能分析 利用 JX13C 万能工具显微镜测量微丝和芯丝 直径在微丝上每隔1m 测量一次连续测量五个 点将五个测量结果的平均值作为该工艺条件下的 微丝尺寸． 采用12kW 旋转阳极 X 射线衍射仪（XRD）分 析微丝的微观结构．测试条件为：工作电压40kV 工作电流150mA扫描速率6°·min －1． 用 YG001D 型强力仪测量微丝的力学性能．试 样标距取100mm拉伸速率为5mm·min －1取相同 实验条件下五个测量结果的平均值作为该工艺条件 下的力学性能指标．采用 Cambridge S360扫描电镜 观察微丝断口形貌． 2 结果与讨论 2∙1 拉丝速率、冷却距离与微丝尺寸之间的关系 研究拉丝速率与微丝尺寸之间的关系时冷却 距离保持为5mm实验所得微丝和芯丝的直径随拉 丝速率的变化如图1所示．从图中可以看出当拉 丝速率从5m·min －1增加到400m·min －1时微丝直 径从95∙2μm 降至14∙5μm而芯丝直径由22∙7μm 降至7∙2μm． 图1 拉丝速率对微丝和芯丝直径的影响 Fig．1 Influence of drawing speed on the diameters of microwires and core-wires 利用动能定理即外力所做的功与金属填充毛 细玻璃管的动能相等计算出拉丝速率与芯丝半径 存在如下关系［4］： V 2＝ 6Fa πdm（ R 2＋ r 2＋ Rr） （1） 式中V 为拉丝速率dm 为金属密度Fa 为金属与 玻璃界面的结合力R 为玻璃管内径的一半r 为微 丝中芯丝半径．由式（1）可以看出在金属与玻璃的 黏附力、金属密度以及玻璃管内径保持不变的条件 下当拉丝速率逐渐增大时金属芯丝直径将逐渐减 小．另外当玻璃管进给速率一定时根据体积不变 原理即玻璃管的进给量与成形玻璃包覆层的体积 量相等玻璃包覆层的截面积随拉丝速率的增大而 减小．由于上述两方面原因微丝和芯丝的直径均 随拉丝速率的增大而减小． 研究冷却距离与微丝尺寸之间的关系时拉丝 速率保持为200m·min －1．当冷却距离从5mm 逐 渐增加到150mm 时微丝和芯丝的直径随冷却距 离变化的规律如图2所示．从图中可以看出：当冷 却距离小于20mm时冷却水位置对微丝和芯丝直 径的影响显著例如当冷却距离由5mm 增加到 20mm时微丝平均直径由17∙0μm 降至15∙0μm 芯丝直径也由9∙2μm 降至5∙9μm；而当冷却距离大 于20mm 时冷却水位置对微丝和芯丝直径的影响 很小． 在纺丝过程中软化的玻璃管末端被绕丝装置 以一定速率拉伸并硬化成一定直径的毛细玻璃管 形成一个直径渐渐变细的玻璃拉伸变形区也即玻 璃由变形开始到终了所经过的区域如图3所示． 在该区完成毛细玻璃管的形成和金属液填充并决 定微丝的最终尺寸． 当冷却水位置在玻璃拉伸变形区内时由于玻 第11期 王成铎等： 工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 ·1437·
,1438 北京科技大学学报 第31卷 30 丝直径分别为22.5、22.1和21.6m,从图中可以 看出：拉丝速率为20mmin~时，微丝的XRD图谱 微丝 在20=46附近仍显示出非晶典型的漫散峰；但当 拉丝速率为5mmin-1和l0mmin-1时，微丝XRD 芯丝 图谱在20=-46附近均开始出现aFe(Si)衍射峰，表 明合金为晶态结构，其原因是：随着拉丝速率的逐 渐降低，微丝与空气的对流换热系数减小，冷却速率 40 80 120 160 下降；同时，拉丝速率降低，玻璃包覆层厚度和芯丝 冷却距离mm 直径均逐渐增大（图1），这也使微丝的冷却速率降 图2冷却距离对微丝和芯丝直径的影响 低 Fig.2 Influence of cooling distance on the diameters of microwires 采用水冷方式、拉丝速率为5mmin一和50m· and corewires min时，微丝XRD分析结果如图4(b)所示.此时 微丝直径分别为95.2m和34.4m,所对应的芯丝 熔融金属 直径为22.7m和21.0m.从图中可以看出，在 20=46附近有一非晶典型的漫衍射峰；表明在水冷 玻璃 条件下，拉丝速率为5mmin和50mmin时，微 丝均为非晶态结构 实验结果表明：在本文实验条件下，采用水冷方 冷却水 式且拉丝速率大于5mmin时所获得的微丝为非 晶态结构（受卷取设备最低速率的限制，本文未讨论 拉丝速率小于5mmin1的情况)；而采用空冷方式 图3玻璃拉伸变形区示意图 Fig.3 Sketch map of the glass tensile deformation zone 时，欲获得非晶态微丝，拉丝速率应大于或等于 20m'min1. 璃拉伸区内玻璃逐渐变细，微丝及芯丝直径将随冷 2.3拉丝速率和冷却距离对微丝力学性能的影响 却距离的增大而逐渐减小；当冷却水位置在玻璃拉 由于水冷条件、拉丝速率为5mmin时所制 伸变形区之下时，冷却能力与空冷效果基本相同，此 备的微丝的尺寸极不均匀（图1），因此研究拉丝速 时微丝及芯丝直径基本保持不变.因此，随着冷却 率对微丝力学性能的影响时，设定拉丝速率由 距离的增大，微丝及芯丝直径先是逐渐降低而后基 50mmin增加到400mmin-1.水冷时，芯丝的抗 本保持不变 拉强度和延伸率与拉丝速率之间的关系如图5所 2.2拉丝速率和冷却方式对微丝结构的影响 示，图5表明，拉丝速率对金属芯丝的抗拉强度影 采用空冷方式、不同拉丝速率下微丝的XRD分 响较大，而对延伸率的影响较小，当拉丝速率从 析结果如图4(a)所示(20=22°附近的漫散峰为玻 50mmin增加到400mmin-l时，芯丝的抗拉强 璃包覆层的衍射结果)，拉丝速率为5、10和20m· 度从1305MPa增大到5842MPa,延伸率也略有 min时微丝直径分别为92.2、61.5和42.1m,芯 增加. a-Fe(Si) (b) 5 m.min 5 m.min 10 m.min 50m.min 20 m.min 50 70 50 70 28() 20() 图4不同拉丝速率条件下微丝的XRD图谱.(a)空冷；(b)水冷 Fig.4 XRD patterns of the microwires at different drawing speeds:(a)air cooling:(b)water-cooling
图2 冷却距离对微丝和芯丝直径的影响 Fig．2 Influence of cooling distance on the diameters of microwires and core-wires 图3 玻璃拉伸变形区示意图 Fig．3 Sketch map of the glass tensile deformation zone 璃拉伸区内玻璃逐渐变细微丝及芯丝直径将随冷 却距离的增大而逐渐减小；当冷却水位置在玻璃拉 伸变形区之下时冷却能力与空冷效果基本相同此 时微丝及芯丝直径基本保持不变．因此随着冷却 距离的增大微丝及芯丝直径先是逐渐降低而后基 本保持不变． 2∙2 拉丝速率和冷却方式对微丝结构的影响 图4 不同拉丝速率条件下微丝的 XRD 图谱．（a） 空冷；（b） 水冷 Fig．4 XRD patterns of the microwires at different drawing speeds：（a） air-cooling；（b） water-cooling 采用空冷方式、不同拉丝速率下微丝的 XRD 分 析结果如图4（a）所示（2θ＝22°附近的漫散峰为玻 璃包覆层的衍射结果）拉丝速率为5、10和20m· min －1时微丝直径分别为92∙2、61∙5和42∙1μm芯 丝直径分别为22∙5、22∙1和21∙6μm．从图中可以 看出：拉丝速率为20m·min －1时微丝的 XRD 图谱 在2θ＝46°附近仍显示出非晶典型的漫散峰；但当 拉丝速率为5m·min －1和10m·min －1时微丝 XRD 图谱在2θ＝46°附近均开始出现α-Fe（Si）衍射峰表 明合金为晶态结构．其原因是：随着拉丝速率的逐 渐降低微丝与空气的对流换热系数减小冷却速率 下降；同时拉丝速率降低玻璃包覆层厚度和芯丝 直径均逐渐增大（图1）这也使微丝的冷却速率降 低． 采用水冷方式、拉丝速率为5m·min －1和50m· min －1时微丝 XRD 分析结果如图4（b）所示．此时 微丝直径分别为95∙2μm 和34∙4μm所对应的芯丝 直径为22∙7μm 和21∙0μm．从图中可以看出在 2θ＝46°附近有一非晶典型的漫衍射峰；表明在水冷 条件下拉丝速率为5m·min －1和50m·min －1时微 丝均为非晶态结构． 实验结果表明：在本文实验条件下采用水冷方 式且拉丝速率大于5m·min －1时所获得的微丝为非 晶态结构（受卷取设备最低速率的限制本文未讨论 拉丝速率小于5m·min －1的情况）；而采用空冷方式 时欲获得非晶态微丝拉丝速率应大于或等于 20m·min －1． 2∙3 拉丝速率和冷却距离对微丝力学性能的影响 由于水冷条件、拉丝速率为5m·min －1时所制 备的微丝的尺寸极不均匀（图1）因此研究拉丝速 率对微丝力学性能的影响时设定拉丝速率由 50m·min －1增加到400m·min －1．水冷时芯丝的抗 拉强度和延伸率与拉丝速率之间的关系如图5所 示．图5表明拉丝速率对金属芯丝的抗拉强度影 响较大而对延伸率的影响较小当拉丝速率从 50m·min －1增加到400m·min －1时芯丝的抗拉强 度从1305MPa 增大到5842MPa延伸率也略有 增加． ·1438· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 王成铎等：工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 ,1439 抗拉强度从3988MPa降至2800MPa左右，同时延 7000 32 一·一抗拉强度 伸率也由1.3%降至0.5%左右；而当冷却距离大于 5600 一。一延伸率 20mm时，冷却水位置对芯丝力学性能的影响较小. 4200 芯丝的力学性能随冷却水位置的变化规律同样也与 2800 芯丝的非晶化程度有关，随着冷却距离的逐渐增 0.8 1400 大，微丝的冷却速率逐渐降低，当冷却距离大于或等 于20mm时，冷却能力与空冷的效果基本相同，即 100200300400 0 拉丝速度(mmin) 随着冷却距离的逐渐增大，芯丝的非晶化程度逐渐 降低而后保持不变，从而使微丝的抗拉强度和延伸 图5芯丝的抗拉强度和延伸率与拉丝速率之间的关系 率表现出如图7所示的变化规律 Fig.5 Influence of drawing speed on the tensile strength and elon- gation of core"wires 5000 3.2 ·一抗拉强度 在水冷条件下，玻璃包覆FeCoSiB合金微丝虽 4000H 。一延伸率 24 然均为非晶结构，但随着拉丝速率的逐渐增大，芯丝 直径逐渐减小；在相同的冷却条件下，冷却速率相对 2000H 增大，芯丝的非晶化程度随冷却速率的增大而逐渐 增强[]，从而导致芯丝抗拉强度增大，同时延伸率 0.8 1000 也随之略有增大， 尽管拉丝速率为50mmin时，空冷条件下也 40 80 120 160 冷却距离mm 能获得非晶态微丝，但微丝的整体抗拉强度仅为 50MPa左右，在相同工艺参数、水冷条件下制备的 图7芯丝的抗拉强度和延伸率与冷却距离的关系 芯丝抗拉强度为1305MPa,对空冷条件下制得微 Fig.7 Influence of cooling distance on the tensile strength and clon gation of core-wires 丝的显微形貌观察表明，金属芯丝出现了不同程度 的不连续现象（图6），而水冷条件下无此缺陷；文 2.4冷却条件对微丝拉伸断裂行为的影响 献[8]在制备玻璃包覆纯铜微丝时也发现了类似的 图8为经不同拉伸变形后微丝的形貌（微丝样 现象.在空冷条件下（尤其是在拉丝速率较低时）， 品在水冷、拉丝速率为50mmin1及冷却距离为 由于冷却速率较低，在玻璃拉伸区内出现金属液已 5mm的条件下制备)，拉伸变形为0.4%时，微丝玻 经凝固或部分凝固而玻璃包覆层未完全硬化的现 璃包覆层出现裂纹且部分脱落，如图8(a)所示；拉 象，这时玻璃包覆层继续拉伸变形会使芯丝断裂，从 伸变形增大至0.8%时，大片的玻璃包覆层剥落，但 而形成芯丝不连续的现象，芯丝的不连续导致了微 芯丝仍未断裂，如图8(b)所示；当拉伸变形达到 丝整体抗拉强度的降低， 1.2%时，金属芯丝才被拉断，断口形貌如图9所示 其他工艺条件下的微丝样品均表现出上述拉伸 断裂规律，在金属芯丝断裂之前，玻璃包覆层已经 脆断，这表明芯丝还未达到最大应力值时，玻璃包覆 层已经不起作用，即包覆层对芯丝的最大抗拉强度 和延伸率几乎没有影响，所以在本文实验条件下 50 um (玻璃包覆层厚度与金属芯丝直径之比小于0.77 时)，可以将微丝断裂时的最大拉伸力与芯丝的横截 图6金属芯丝的不连续现象 面面积之比近似为芯丝的抗拉强度， Fig.6 Discontinuity of a metal core-wire 图l0为玻璃包覆FeCoSiB合金微丝的拉伸载 在水冷条件下，芯丝的抗拉强度和延伸率与冷 荷位移曲线，此时微丝直径为34.4m,芯丝直径 却水位置之间的关系如图7所示，图7表明：在拉 为21.0m;测量出其最大断裂载荷为0.4349N,位 丝速率200m·min-1的条件下，当冷却距离小于 移为1.10mm.可以看出，微丝在室温下经历的是 20mm时，冷却水位置对芯丝的力学性能影响显著， 单一的弹性变形，而无塑性变形，即屈服和断裂同时 例如，当冷却距离由5mm增加到20mm时，芯丝的 发生，所以可推断微丝的断裂方式为脆性断裂
图5 芯丝的抗拉强度和延伸率与拉丝速率之间的关系 Fig．5 Influence of drawing speed on the tensile strength and elongation of core-wires 在水冷条件下玻璃包覆 FeCoSiB 合金微丝虽 然均为非晶结构但随着拉丝速率的逐渐增大芯丝 直径逐渐减小；在相同的冷却条件下冷却速率相对 增大．芯丝的非晶化程度随冷却速率的增大而逐渐 增强［7］从而导致芯丝抗拉强度增大同时延伸率 也随之略有增大． 尽管拉丝速率为50m·min －1时空冷条件下也 能获得非晶态微丝但微丝的整体抗拉强度仅为 50MPa左右在相同工艺参数、水冷条件下制备的 芯丝抗拉强度为1305MPa．对空冷条件下制得微 丝的显微形貌观察表明金属芯丝出现了不同程度 的不连续现象（图6）而水冷条件下无此缺陷；文 献［8］在制备玻璃包覆纯铜微丝时也发现了类似的 现象．在空冷条件下（尤其是在拉丝速率较低时） 由于冷却速率较低在玻璃拉伸区内出现金属液已 经凝固或部分凝固而玻璃包覆层未完全硬化的现 象这时玻璃包覆层继续拉伸变形会使芯丝断裂从 而形成芯丝不连续的现象芯丝的不连续导致了微 丝整体抗拉强度的降低． 图6 金属芯丝的不连续现象 Fig．6 Discontinuity of a metal core-wire 在水冷条件下芯丝的抗拉强度和延伸率与冷 却水位置之间的关系如图7所示．图7表明：在拉 丝速率200m·min －1的条件下当冷却距离小于 20mm时冷却水位置对芯丝的力学性能影响显著 例如当冷却距离由5mm 增加到20mm 时芯丝的 抗拉强度从3988MPa 降至2800MPa 左右同时延 伸率也由1∙3％降至0∙5％左右；而当冷却距离大于 20mm 时冷却水位置对芯丝力学性能的影响较小． 芯丝的力学性能随冷却水位置的变化规律同样也与 芯丝的非晶化程度有关．随着冷却距离的逐渐增 大微丝的冷却速率逐渐降低当冷却距离大于或等 于20mm 时冷却能力与空冷的效果基本相同即 随着冷却距离的逐渐增大芯丝的非晶化程度逐渐 降低而后保持不变从而使微丝的抗拉强度和延伸 率表现出如图7所示的变化规律． 图7 芯丝的抗拉强度和延伸率与冷却距离的关系 Fig．7 Influence of cooling distance on the tensile strength and elongation of core-wires 2∙4 冷却条件对微丝拉伸断裂行为的影响 图8为经不同拉伸变形后微丝的形貌（微丝样 品在水冷、拉丝速率为50m·min －1及冷却距离为 5mm的条件下制备）．拉伸变形为0∙4％时微丝玻 璃包覆层出现裂纹且部分脱落如图8（a）所示；拉 伸变形增大至0∙8％时大片的玻璃包覆层剥落但 芯丝仍未断裂如图8（b）所示；当拉伸变形达到 1∙2％时金属芯丝才被拉断断口形貌如图9所示． 其他工艺条件下的微丝样品均表现出上述拉伸 断裂规律．在金属芯丝断裂之前玻璃包覆层已经 脆断这表明芯丝还未达到最大应力值时玻璃包覆 层已经不起作用即包覆层对芯丝的最大抗拉强度 和延伸率几乎没有影响．所以在本文实验条件下 （玻璃包覆层厚度与金属芯丝直径之比小于0∙77 时）可以将微丝断裂时的最大拉伸力与芯丝的横截 面面积之比近似为芯丝的抗拉强度． 图10为玻璃包覆 FeCoSiB 合金微丝的拉伸载 荷－位移曲线此时微丝直径为34∙4μm芯丝直径 为21∙0μm；测量出其最大断裂载荷为0∙4349N位 移为1∙10mm．可以看出微丝在室温下经历的是 单一的弹性变形而无塑性变形即屈服和断裂同时 发生所以可推断微丝的断裂方式为脆性断裂． 第11期 王成铎等： 工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 ·1439·
,1440 北京科技大学学报 第31卷 50m 50μm 图8不同拉伸变形后微丝形貌.(a)拉伸变形0.4%：(b)拉伸变形0.8% Fig-8 Optical micrographs of the microwires after different tensile strains:(a)tensile strain of 0.4%:(b)tensile strain of 0.8% 剪切断面与应力轴之间形成一定的夹角，其余部分 只是弹性变形910] 图11为冷却距离为5mm、拉丝速率分别为 100 m 'min及400mmin-1时微丝的断口形貌. 图9和图11中，断裂面与应力轴之间形成一定角 度，表现出以剪切应力为主导的断裂特征，说明其拉 伸变形是由于局部区域的剪切带的剪切滑移造成 10m 的，是不均匀的塑性流变；图中呈现的锯齿形流变也 表现出非晶微丝不均匀塑性流变的动态性质山]， 图9微丝断口形貌 Fig.9 Fracture morphology of a microwire 也就是说，当冷却距离为5mm,拉丝速率由50m· min增加到400mmin一时，微丝的断裂方式为伴 0.5- 随不均匀塑性流变的脆性断裂. 图12为拉丝速率200mmin1、冷却距离分别 0.4 为5mm和20mm时微丝的断口形貌，图12(b)中， 203 拉伸断口较为平直，与轴线方向几乎垂直，且表现出 02 解理断裂（脆性断裂之一）的脉纹花样特征，芯丝左 0.1 侧为光滑无特征区，这是非晶材料断口的典型形貌， 这表明，非晶微丝在拉力作用下，局部温度瞬间升 00 0.20.40.60.81.012 高，达到一定温度后，主剪切带内发生局部熔断，使 位移mm 非晶丝内部产生流动现象，从而形成脉纹状花样，这 图10玻璃包覆微丝的载荷一位移曲线 Fig.10 Load-displacement curve of glass coated microwire 是由瞬间断裂产生的弹性变形造成的].与 图12(a)比较可得，当拉丝速率为200mmin-1、冷 典型的非晶微丝的拉伸断裂面存在光滑无特征 却距离由5mm增加到20mm时，微丝的断口形貌 区和脉纹花样区，并且塑性变形仅局限于剪切带内， 逐渐变得光滑，表明微丝的脆性断裂倾向更大，因此 (a E时150kU LD-29 0=33m 2 lm Photo 【m Phota No.-41 图11不同拉丝速率时微丝断口形貌.(a)100mmin-l;(b)400mmim1 Fig11 Fracture morphologies of microwires at different drawing speeds:(a)100mmin(b)400mmin
图8 不同拉伸变形后微丝形貌．（a） 拉伸变形0∙4％；（b） 拉伸变形0∙8％ Fig．8 Optical micrographs of the microwires after different tensile strains：（a） tensile strain of 0∙4％；（b） tensile strain of 0∙8％ 图9 微丝断口形貌 Fig．9 Fracture morphology of a microwire 图10 玻璃包覆微丝的载荷－位移曲线 Fig．10 Load-displacement curve of glass-coated microwire 图11 不同拉丝速率时微丝断口形貌．（a）100m·min －1；（b）400m·min －1 Fig．11 Fracture morphologies of microwires at different drawing speeds：（a）100m·min －1；（b）400m·min －1 典型的非晶微丝的拉伸断裂面存在光滑无特征 区和脉纹花样区并且塑性变形仅局限于剪切带内 剪切断面与应力轴之间形成一定的夹角其余部分 只是弹性变形［9－10］． 图11为冷却距离为5mm、拉丝速率分别为 100m·min －1及400m·min －1时微丝的断口形貌． 图9和图11中断裂面与应力轴之间形成一定角 度表现出以剪切应力为主导的断裂特征说明其拉 伸变形是由于局部区域的剪切带的剪切滑移造成 的是不均匀的塑性流变；图中呈现的锯齿形流变也 表现出非晶微丝不均匀塑性流变的动态性质［11］． 也就是说当冷却距离为5mm拉丝速率由50m· min －1增加到400m·min －1时微丝的断裂方式为伴 随不均匀塑性流变的脆性断裂． 图12为拉丝速率200m·min －1、冷却距离分别 为5mm 和20mm 时微丝的断口形貌．图12（b）中 拉伸断口较为平直与轴线方向几乎垂直且表现出 解理断裂（脆性断裂之一）的脉纹花样特征芯丝左 侧为光滑无特征区这是非晶材料断口的典型形貌． 这表明非晶微丝在拉力作用下局部温度瞬间升 高达到一定温度后主剪切带内发生局部熔断使 非晶丝内部产生流动现象从而形成脉纹状花样这 是由 瞬 间 断 裂 产 生 的 弹 性 变 形 造 成 的［12］．与 图12（a）比较可得当拉丝速率为200m·min －1、冷 却距离由5mm 增加到20mm 时微丝的断口形貌 逐渐变得光滑表明微丝的脆性断裂倾向更大因此 ·1440· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 王成铎等：工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 .1441. 微丝的延伸率也逐渐降低（图T),综上所述，在本文变的脆性断裂，且脆性断裂倾向随冷却距离的增加 实验条件下，芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑形流而增大. a b) Hg29附KX 2 um Photo No.-38 Dotector5E1 I um Photo No.3 图12不同冷却水位置的微丝断口形貌.(a)5mm(b)20mm Fig.12 Fracture morphologies of microwires with different cooling distances:(a)5mm:(b)20mm 及电学性能.中国有色金属学报，2007,17(11)：1739) 3结论 [4]Larin V S,Torcunov A V.Zhukov A,et al.Preparation and properties of glass"coated microwires.J MagnMagn Mater, (1)在本文实验条件下，拉丝速率由5mmin1 2002,249(1/2):39 增加到400mmin时，微丝和芯丝直径分别由 [5]Hu Z Y.Liu X F.Wang Z D.et al.Rapid solidification prepara- 95.2m和26.9m减小到14.5m和7.2m;拉 tion and application of glass-coated metal microwires.Mater Rev 2004,18(9):8 丝速率由50mmin增加到400mmin时，芯丝 (胡志勇，刘雪峰，王自东，等。玻璃包覆金属微丝的快速凝 抗拉强度由1305MPa增大到5842MPa 固制备及应用.材料导报，2004,18(9)：8) (2)冷却距离小于20mm时，微丝尺寸和抗拉 [6]Wang C D.Zhang Z H.Xie J X.Magnetic properties of glass 强度均随冷却距离的增大而显著减小；冷却距离大 coated amorphous Fe79-xCoxSisBis microwires.J Funct Mater Devices,2009,15(5):452 于20mm时，冷却距离对微丝尺寸和抗拉强度影响 (王成样，张志豪，谢建新.玻璃包覆Fe9-xCoxSisB1s非晶合 很小， 金微丝的磁性能.功能材料与器件学报，2009,15(5)：452) (③)采用水冷方式且拉丝速率大于5mmin1 [7]Goto T,Nagano M.Wehara N.Mechanical properties of amor- phous FesoP16C3BI filament produced by glass coated melt spin- 时所获得的微丝均为非晶态结构，而采用空冷方式 ning.Trans Jpn Inst Met,1977.18:759 制备非晶态微丝的拉丝速率应大于或等于20m· [8]HuZ Y.Fundamental Research on Fabrication of Glass coated min. Pure Copper Microwires [Dissertation]Beijing:University of Science and Technology Beijing.2007 (4)本文所制备的玻璃包覆Fe69Co1oSi8B13非晶 (胡志勇.玻璃包覆纯铜微丝制备的基础研究[学位论文】，北 合金微丝，其芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑性流 京：北京科技大学，2007) 变的脆性断裂，且脆性断裂倾向随冷却距离的增加 [9]He Z Q.Wang X L.Quan B Y.et al.Mechanisms of localized shear deformation and fracture in amorphous alloys.Mater Sci 而增大， Eng,2007,25(1):132 (贺自强，王新林，全白云，等.非晶态合金的局域剪切变形与 参考文献 断裂机制.材料科学与工程学报，2007,25(1)：132) [1]Di YZ.Jiang JJ.WuT H.et al.Synthesis and microwave elee- [10]Verduco JA.Fatigue fracture morphologies of some Fe-based tromagnetic properties of glass coated magnetic microwires. amorphous alloy wires.Mater Lett:2003,57(5/6):1029 Funct Mater,2007,38(1):173 [11]Luborsky F E.Amorphous Metallic Alloys.Beijing:Metallur- (邸永江，江建军，吴挺华，等。玻璃包覆磁性微丝的制备及 gical Industry Press,1989 微波电磁性能.功能材料，2007,38(1)：173) (卢博斯基FE非晶态金属合金，北京：冶金工业出版社， [2]Chiriac H.Preparation and characterization of glass covered mag 1989) netic wires.Mater Sci Eng A.2001,304/306(1/2):166 [12]Peng D L.Ma L H,Sun J F,et al.Rapid viscous flow of the [3]Hu Z Y.Zhang Z H.Huang X.et al.Anti-corrosion and electri- supercooled liquid of Zrbased bulk amorphous alloy.Rare Met cal properties of glass"coated pure copper microwires.Chin Mater Eng,2006,35(4):606 onferrous Met,2007,17(11):1739 (彭德林，马丽华，孙剑飞，等.Z:基块体非晶合金过冷液相 (胡志勇，张志豪，黄霞，等.玻璃包覆纯铜微丝耐腐蚀性能 的快速黏滞流动.稀有金属材料与工程，2006,35(4)：606)
微丝的延伸率也逐渐降低（图7）．综上所述在本文 实验条件下芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑形流 变的脆性断裂且脆性断裂倾向随冷却距离的增加 而增大． 图12 不同冷却水位置的微丝断口形貌．（a）5mm；（b）20mm Fig．12 Fracture morphologies of microwires with different cooling distances：（a）5mm；（b）20mm 3 结论 （1） 在本文实验条件下拉丝速率由5m·min －1 增加到400m·min －1时微丝和芯丝直径分别由 95∙2μm 和26∙9μm 减小到14∙5μm 和7∙2μm；拉 丝速率由50m·min －1增加到400m·min －1时芯丝 抗拉强度由1305MPa 增大到5842MPa． （2） 冷却距离小于20mm 时微丝尺寸和抗拉 强度均随冷却距离的增大而显著减小；冷却距离大 于20mm 时冷却距离对微丝尺寸和抗拉强度影响 很小． （3） 采用水冷方式且拉丝速率大于5m·min －1 时所获得的微丝均为非晶态结构而采用空冷方式 制备非晶态微丝的拉丝速率应大于或等于20m· min －1． （4） 本文所制备的玻璃包覆Fe69Co10Si8B13非晶 合金微丝其芯丝的断裂方式为伴随不均匀塑性流 变的脆性断裂且脆性断裂倾向随冷却距离的增加 而增大． 参 考 文 献 ［1］ Di Y ZJiang J JWu T Het al．Synthesis and microwave electromagnetic properties of glass-coated magnetic microwires． J Funct Mater200738（1）：173 （邸永江江建军吴挺华等．玻璃包覆磁性微丝的制备及 微波电磁性能．功能材料200738（1）：173） ［2］ Chiriac H．Preparation and characterization of glass covered magnetic wires．Mater Sci Eng A2001304／306（1／2）：166 ［3］ Hu Z YZhang Z HHuang Xet al．Ant-i corrosion and electrical properties of glass-coated pure copper microwires． Chin J Nonferrous Met200717（11）：1739 （胡志勇张志豪黄霞等．玻璃包覆纯铜微丝耐腐蚀性能 及电学性能．中国有色金属学报200717（11）：1739） ［4］ Larin V STorcunov A VZhukov Aet al．Preparation and properties of glass-coated microwires． J Magn Magn Mater 2002249（1／2）：39 ［5］ Hu Z YLiu X FWang Z Det al．Rapid solidification preparation and application of glass-coated metal microwires．Mater Rev 200418（9）：8 （胡志勇刘雪峰王自东等．玻璃包覆金属微丝的快速凝 固制备及应用．材料导报200418（9）：8） ［6］ Wang C DZhang Z HXie J X．Magnetic properties of glasscoated amorphous Fe79－X Co XSi8B13 microwires．J Funct Mater Devices200915（5）：452 （王成铎张志豪谢建新．玻璃包覆 Fe79－XCo XSi8B13非晶合 金微丝的磁性能．功能材料与器件学报200915（5）：452） ［7］ Goto TNagano MWehara N．Mechanical properties of amorphous Fe80P16C3B1 filament produced by glass-coated melt spinning．T rans Jpn Inst Met197718：759 ［8］ Hu Z Y．Fundamental Research on Fabrication of Glass-coated Pure Copper Microwires ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2007 （胡志勇．玻璃包覆纯铜微丝制备的基础研究［学位论文］．北 京：北京科技大学2007） ［9］ He Z QWang X LQuan B Yet al．Mechanisms of localized shear deformation and fracture in amorphous alloys．J Mater Sci Eng200725（1）：132 （贺自强王新林全白云等．非晶态合金的局域剪切变形与 断裂机制．材料科学与工程学报200725（1）：132） ［10］ Verduzco J A．Fatigue fracture morphologies of some Fe-based amorphous alloy wires．Mater Lett200357（5／6）：1029 ［11］ Luborsky F E．A morphous Metallic Alloys．Beijing：Metallurgical Industry Press1989 （卢博斯基 F E．非晶态金属合金．北京：冶金工业出版社 1989） ［12］ Peng D LMa L HSun J Fet al．Rapid viscous flow of the supercooled liquid of Zr-based bulk amorphous alloy．Rare Met Mater Eng200635（4）：606 （彭德林马丽华孙剑飞等．Zr 基块体非晶合金过冷液相 的快速黏滞流动．稀有金属材料与工程200635（4）：606） 第11期 王成铎等： 工艺参数对玻璃包覆铁基合金微丝尺寸、结构和力学性能的影响 ·1441·