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·