CN103170605B - 一种基于真空吸铸的非晶合金微细零件的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶合金微细零件的制备方法，包括：将非晶合金所需的各种纯金属按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空电弧吸铸炉的真空熔腔内；准备用于制备非晶合金微细零件的硅模具，将该硅模具置于内部型腔为通孔的铜模具中，并将所述铜模具置于真空电弧吸铸炉的下型腔中；将真空熔腔抽真空并充入保护气，对非晶合金原材料进行熔炼，并通过降低铜模具内的气压使熔炼后的非晶合金熔液通过所述通孔由真空熔腔吸入硅模具内；脱模即可得到非晶合金微细零件。本发明还公开一种非晶合金微细零件的制备装置。本发明采用真空吸铸，克服了非晶合金熔体流动性差、充型困难的问题，制备的非晶合金微细零件质量高，无气孔等缺陷。

Description

一种基于真空吸铸的非晶合金微细零件的制备方法及装置

技术领域

本发明属于非晶合金材料制备技术领域，具体涉及一种非晶合金微细零件的制备方法及装置。

背景技术

非晶合金是20世纪材料领域的重大发现，材料内部原子排列呈长程无序短程有序结构，没有位错和晶界等缺陷。这种独特的结构使非晶合金材料具有许多优异的性能，如高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、优异的软磁性等，被广泛地应用于军事、微/纳制造、体育器材、光通讯、光集成、激光、新型太阳能电池、高效磁性和输电材料等领域。非晶合金是极具前途的新结构材料与功能材料，不仅有着很好的科学研究价值、而且还有巨大的市场前景。

非晶合金具有高强度、高硬度、低的杨氏模量和自锐性等一系列优异的力学性能，广泛应用于制备微细零件。微细零件指尺寸小的零件，通常是微米级或以下尺寸的零件，其结构需要显微镜来观察。目前，非晶合金制作微细零件的制备通常采用热压成形，即利用其超塑性对其采用热压工艺进行成形。热压成形制作零件首先需要将原始材料制成非晶合金，再对非晶合金进行热压成形，此方法需要两个步骤，缺一不可，需要耗费大量的时间与精力成本高，而且在热压成形的步骤上可能造成其二次氧化的问题，其工程价值被限制得不到充分的利用。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种基于真空吸铸的非晶合金微细零件的制备方法，该方法无需先制成非晶合金再热压的两个步骤，从而大大缩短加工工艺所需的时间和精力，而且避免了二次氧化的问题，适合于大批量生产。

实现本发明的该目的所采用的具体技术方案如下：

一种非晶合金微细零件的制备方法，其利用真空吸铸实现非晶合金微细零件的制备，该方法具体包括：

将非晶合金所需的各种纯金属按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空电弧吸铸炉的真空熔腔内；

准备用于制备非晶合金微细零件的硅模具，将该硅模具置于内部型腔为通孔的铜模具中，并将所述铜模具置于真空电弧吸铸炉的下型腔中；

将真空熔腔抽真空并充入保护气，对非晶合金原材料进行熔炼，并通过降低铜模具内的气压使熔炼后的非晶合金熔液通过所述通孔由真空熔腔吸入硅模具内；

脱模即可得到非晶合金微细零件。

作为本发明的进一步优选，所述硅模具沿轴向置于距铜模具通孔上端的1/3-1/2处。

作为本发明的进一步优选，所述铜模具由两半铜模具块组成，各半铜模具块上开有截面为半圆形的凹槽，两半铜模具块的凹槽组合形成铜模具的通孔。

作为本发明的进一步优选，所述充入的保护气为Ar。

作为本发明的进一步优选，对所述非晶合金原材料可进行多次熔炼，以得到均匀的合金成分。

作为本发明的进一步优选，所述脱模过程中，铜模具开模，将包括非晶合金微细零件的棒料取出，并将硅模具两端棒料切除并研磨至露出硅模具两端面，再将露出的硅模具及其内部微细零件进行超声清洗，腐蚀硅模具后即得到非晶合金微细零件。

本发明的另一目的还在于提供一种非晶合金微细零件的制备装置，其包括：

真空吸铸炉，其包括用于熔炼非晶合金原料的真空熔腔和与该真空熔腔相通的下型腔；

置于所述下型腔中铜模具，其内部型腔为通孔，该铜模具通过所述通孔与真空熔腔相通；

硅模具，其置于所述铜模具的通孔中，用于非晶合金微细零件的成型；

在真空熔腔熔炼成非晶合金原料溶液通过该通孔吸入铜模具内的硅模具中成型，经脱模后即可得到所述非晶合金微细零件。

作为本发明的进一步优选，所述作为本发明的进一步优选，所述硅模具沿轴向置于距铜模具通孔上端的1/3-1/2处。

作为本发明的进一步优选，所述铜模具由两半铜模具块组成，各半铜模具块上开有截面为半圆形的凹槽，两半铜模具块的凹槽组合形成铜模具的通孔。

作为本发明的进一步优选，该装置还包括用于将真空熔腔抽真空的机械泵和分子泵，用于进行熔炼的电焊机和电弧发生器。

本发明中，可由硅片制作成若干中心有微零件形状的硅模具，再用切割机将整个硅模具切割成若干小模具，将硅模具研磨成通孔。制备装夹硅模具的铜模具：

本发明中，铜模具由两个半圆柱组成，每个半圆柱上有对应的螺纹，使用时将两个半圆柱配合好再用紧固螺母将其紧固，铜模具外形与真空电弧吸铸炉的模腔配合。铜模具内部型腔中设有装夹硅模具的结构，硅模具在铜模具通孔内的位置可以为距铜模具上端1/2-1/3处的通孔内。

使用时将两个半圆柱分开，将硅模具放在装夹位置，再将两个半圆柱紧固好即可。吸铸时熔融态的非晶合金被吸入铜模具型腔并充满硅模具冷却后形成零件，装夹硅模具的铜模具能将非晶合金的原始材料直接制备成非晶合金微细零件，将传统的热压成形工艺的两个步骤简化为一个步骤，适合于各种非晶合金而且可以大批量生产，大大缩短了零件制备所需的时间和精力成本低。

本发明中，在非晶合金微细零件的脱模清理中，先取出铜模具，将内部的包括非晶合金微细零件的棒料取出，将硅模具两端棒料切除并研磨至露出硅模具两端面。将露出硅模具及其内部微细零件放入装有KOH溶液的试管中，将试管放入超声清洗仪中加快腐蚀硅模具的速度，最后将得到的非晶合金微细零件用酒精清洗干净即可。

本发明的制备方法将传统的热压成形工艺的两个步骤简化为一个步骤，避免了二次氧化，能够将非晶合金的原始材料直接制备成非晶合金微细零件，适合于各种非晶合金而且可以大批量生产，大大缩短了零件制备所需的时间和精力成本低。该方法适用于多种非晶合金，制作出的零件外观平整，尺寸精确，能提升非晶材料在工程上的应用价值。

附图说明

图1为真空吸铸设备示意图。

图2为铜模具的结构图，（a）为内径为6mm的铜模内腔具示意图，（b）为内径为3mm的铜模具内腔示意图。

图3为对应于图2的硅模具和铜模具的组装示意图，Ⅰ为铜模具，Ⅱ为硅模具。

图4为按照本制备方法得到的产品实物图，（a）为吸铸零件完整图，（b）为局部放大图。

图中，1隔断泵，2分子泵，3机械泵，4真空熔腔，5下型腔，6铜模具，7电弧发生器，8直流电焊机，9高压Ar气瓶，10非晶合金原始材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中选用一种典型的非晶合金微齿轮零件的制备对本发明进行描述，但该方法并不限定于此种非晶合金，也不限于此种零件或尺寸，其他任意种类的非晶合金及零件均适用于本发明的方法。

本实施例中选用高纯度的4种纯金属，即Zr、Cu、Ni、Al作为非晶合金的原料。将原子百分比：Zr为55，Cu为30，Al为10，Ni为5的比例调配的Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅的总原料（例如如果总原料为30g，则其中Zr20.103g、Cu7.638g、Ni1.083g、Al1.176g），放入真空电弧炉溶腔4内。

再制作非晶合金微齿轮零件的硅模具（例如该齿轮参数可以为M=0.1mm，Z=20）。可由硅片制作成若干中心有微零件形状的硅模具，再用切割机将整个硅模具切割成若干小模具，将硅模具研磨成通孔。本实施例中最终硅模具优选外径为6mm，也可以为3mm或其他尺寸，厚度0.5～1mm的圆柱形的硅片，该圆形硅片的中间是零件形状的模具。通过该过程可以实现能大批量的生产各种所需的硅模具。

本实施例中铜模具优选为长度200mm，外径60mm的圆柱形。铜模具由两个半圆柱组成，每个半圆柱上有对应的螺纹，使用时将两个半圆柱配合好再用紧固螺母将其紧固，铜模具外形与真空电弧吸铸炉的模腔配合，内部型腔内径相应为可以为3mm或6mm，内部型腔中设有装夹硅模具的结构。硅模具在铜模具通孔内的位置可以为距铜模具上端1/2-1/3处的通孔内，例如在铜模具上端的1/3处，铜模具的内型腔为图2所示。

将铜模具分开为两个半圆柱体（内径优选为6mm，也可以为其他尺寸），把该硅模具装入，再将铜模具紧固为一个整体，把装好硅模具的铜模具装入下型腔5中。

通过采用在铜模具中装夹硅模具，并置于相应位置，可以使得将传统的热压成形工艺的两个步骤简化为一个步骤即可制备得到非晶合金微细零件，适合于各种非晶合金而且可以大批量生产，大大缩短了零件制备所需的时间和精力成本低。

制备时，首先把硅模具装入铜模具内，将两个半圆柱配合紧固好，再将装好硅模具的铜模具装入下型腔5，将配制好的原材料放入真空电弧炉溶腔4内。密封好真空腔，利用机械泵3和分子泵2将真空腔4内的空气抽至内部的气压低于5x10^-3pa，然后在充入纯度为99.999%的Ar气使内部气压达到1个大气压，然后在抽去Ar气，再充入Ar气，反复洗腔2次，第三次充入Ar气至1个大气压即可，此步骤的目的是不断的稀释真空腔内可能存在的空气，防止后续融化过程中非晶合金被氧化。打开直流焊机8，先将Ti球熔炼2min，以吸收熔炼室内可能存在的氧化性气体，为了得到均匀的合金成分，将非晶合金原料反复熔炼4～5次，以确保合金的成分趋于均匀。打开阀门Ⅲ使铜模具6内的气压迅速降低，将非晶合金熔液吸入铜模6内得到内部的硅模具上的成型零件。

取出铜模具，将内部的包括非晶合金微细零件的棒料取出，将硅模具两端棒料切除并研磨至露出硅模具两端面。将露出硅模具及其内部微形零件放入装有KOH溶液的试管中，将试管放入超声清洗仪中加快腐蚀硅模具的速度，最后将得到的非晶合金微细零件用酒精清洗干净即可。

本实施例中的真空吸铸设备包括真空熔腔4和下型腔5，其中非晶合金原始配料10置于真空熔腔4内，机械泵3配合隔断泵1和分子泵2用于将真空熔腔4的空气抽至气压低于5x10^-3pa真空。高温电弧由直流电焊机8配合电弧发生器7产生，以用于熔化原始配料10。吸铸时，机械泵3将模具中的空气抽至负压，将熔融状态的原始配料10吸入铜模具6内的硅模具中，然后将铜模具6在下型腔5中由水冷却。气瓶9内装有纯度为99.999%的保护气体Ar气，用于作为反应的保护气体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非晶合金微细零件的制备方法，其利用真空吸铸实现非晶合金微细零件的制备，该方法具体包括：

将非晶合金所需的各种纯金属按比例配制成非晶合金原材料，并置于真空电弧吸铸炉的真空熔腔内；

准备用于制备非晶合金微细零件的硅模具，具体地，由硅片制作成若干中心有微零件形状的硅模具，再用切割机将整个硅模具切割成若干小硅模具，将硅模具研磨成通孔，再将该硅模具置于内部型腔为通孔的铜模具中，并将所述铜模具置于真空电弧吸铸炉的下型腔中；

将真空熔腔抽真空并充入保护气，对非晶合金原材料进行熔炼，再通过降低铜模具内的气压使熔炼后的非晶合金熔液通过所述铜模具的通孔由真空熔腔吸入下型腔中的硅模具内；

脱模后即可得到非晶合金微细零件。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硅模具置于铜模具的通孔内且距通孔上端口的距离为通孔轴向长度的1/3-1/2。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述铜模具由两半铜模具块组成，各半铜模具块上开有截面为半圆形的凹槽，两半铜模具块的凹槽组合形成铜模具的内部型腔通孔。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，所述充入的保护气为Ar。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，对所述非晶合金原材料可进行多次熔炼，以得到均匀的合金成分。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，所述脱模过程中，首先铜模具开模，将包括非晶合金微细零件的棒料取出，再将硅模具两端棒料切除并研磨至露出硅模具两端面，再将露出的硅模具及其内部微细零件进行超声清洗，腐蚀硅模具后即可得到非晶合金微细零件。

7.一种非晶合金微细零件的制备装置，其包括：

真空吸铸炉，其包括用于熔炼非晶合金原料的真空熔腔(4)和与该真空熔腔相通的下型腔(5)；

置于所述下型腔(5)中的铜模具(6)，其内部型腔为通孔，该铜模具(6)通过所述通孔与所述真空熔腔(4)相通；

硅模具，其中心有微零件形状，该硅模具置于所述铜模具(6)的通孔中，用于非晶合金微细零件的成型；

经所述真空熔腔(4)熔炼后的非晶合金原料溶液通过该通孔吸入铜模具(6)内的硅模具中成型，经脱模后即可得到所述非晶合金微细零件。

8.根据权利要求7所述的制备装置，其中，所述硅模具置于铜模具的通孔内且距通孔上端口的距离为通孔轴向长度的1/3-1/2。

9.根据权利要求7所述的制备装置，其中，所述铜模具(6)由两半铜模具块组成，各半铜模具块上开有截面为半圆形的凹槽，两半铜模具块的凹槽组合形成铜模具的内部型腔通孔。

10.根据权利要求7-9中任一项或所述的制备装置，其中，该装置还包括用于将真空熔腔(4)抽真空的机械泵(3)和分子泵(2)，以及用于进行熔炼的电焊机(8)和电弧发生器(7)。