CN1442254A

CN1442254A - 一种制备大块非晶合金的喷铸－吸铸方法及设备

Info

Publication number: CN1442254A
Application number: CN 03121418
Authority: CN
Inventors: 惠希东; 寇宏超; 陈俊; 崔新发; 陈国良
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2003-09-17

Abstract

本发明提供了一种新型采用控温技术加双室喷铸－吸铸设备以及利用该设备制备大块非晶合金的方法。其设备的特征在于：该设备由上炉室(7)和下炉室(13)两个炉室组成，上炉室与下炉室由一层水冷板隔开，发热体(6)由1层钼片和6层反射屏组成；模具(17)放在发热体内，采用石英玻璃或石墨制造，模具穿过水冷隔板，在水冷隔板处采用U形圈密封，模具的下部设计有圆孔，熔炼合金时该孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞机构(18)将塞拔出；水冷铜模(14)采用紫铜制造。本发明的优点在于：将熔体喷铸与吸铸技术相结合，实现了熔体的高速充填和致密成形，特别适合大尺寸大块非晶的制备。

Description

一种制备大块非晶合金的喷铸-吸铸方法及设备

技术领域：

本发明属于大块非晶合金的喷铸-吸铸技术领域，特别是提供了一种大块非晶合金的真空喷铸-吸铸制备方法及其相应设备。

背景技术：

大块非晶合金材料是二十世纪九十年代迅速发展起来的一类先进材料。与传统晶态合金材料相比，大块非晶合金具有更为优异的力学性能、抗多种介质腐蚀的能力、良好的软磁、硬磁性能以及独特的膨胀特性等物理性能，这使得大块非晶合金具有十分诱人的应用前景。九十年代初，A.Inoue，T Zhang and T.Masumoto.Mater.Trans.，JIM，30(1989)，965和美国A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342通过合金成分设计，突破了传统非晶合金制备中所要求的高速冷却(＞10⁶K/s)的限制，使得在常规铸造技术所能够达到的冷却速度条件下(10¹-10^-2K/s)能制备出大块非晶合金材料，从而结束了非晶态合金主要只能以粉、丝、薄带等低维形式存在的时代，使得非晶态合金的研究与应用跨入了一个崭新的时代。

大块非晶合金近十余年致力于开发新的大块非晶合金体系和制备方法。迄今为止，已经开发出Zr基、Ln基、Ti基、Cu基、Fe基、Mg基和Pd基等大块非晶合金系，最具有代表性的合金有：C.Fan，A.Takeuchi and A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，40(1999)，42制备的Zr₆₀Al₁₀Cu₂₀Pd₁₀大块非晶合金；A.Leonhard，L.Q.Xing，M.Heilmaier and SchultzNanostructure Materials，10(1998)，805制备的Zr₅₇Al₁₀Ni₈Cu₂₀Ti₅大块非晶合金；A.Pekerand W.L.Johnson Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342制备的Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅大块非晶合金。

探索新的大块非晶的制备方法也是其发展方向之一。当前制备大块非晶的方法主要有压力模型铸造法、雾化非晶粉末挤压法、定向凝固法、水淬法和真空吸铸法等几种。例如A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，36(1995)，866利用压力模型铸造法制备出块体的Mg-Ln-TM非晶、Ln-Al-TM非晶和Zr基块体非晶合金等。这种方法的基本原理为：母合金在氩气的保护下通过高频感应加热熔化，活塞在液压作用下一定的速率和压力向前移动，把金属液挤压入铜模中，依靠强水冷而形成大体积非晶。A.Inoue，Zhang Tao，US5740854提出了电弧熔炼加吸铸的方法制备块体非晶，其基本工作原理是：首先利用电弧熔炼的方法熔化母合金，铜模分上下两腔，铜模下腔处于封闭的真空状态。母合金熔化后，打开上下铜模间的挡板，液态合金在真空吸力作用下被吸入下面的水冷铜模中，依靠水冷铜模的强冷作用制备块体非晶，这种设备的缺点是铜模制造复杂，既考虑样品的形状，又要考虑铜模的真空密封问题。

发明内容：

本发明的目的提出一种新的喷铸-吸铸相结合的大块非晶合金的制备方法，设计出一套新的适合制备大尺寸非晶合金材料的能控制熔体温度的双室喷铸-吸铸设备，并利用该设备制备出大尺寸非晶合金样件。

本发明将熔体喷铸与吸铸技术相结合，提供了采用熔体控温技术加双室真空喷铸-吸铸技术制备大尺寸非晶合金的方法和设备，真空喷铸-吸铸设备原理图如附图1。设备主要由下列部分构成：机械泵1，罗茨泵2，分子泵3，阀门4，炉盖5，炉盖锁紧机构6，上炉室7，钼片发热体8，热电偶9，导电铜排10，电源变压器11，下室炉门12，下炉室13，水冷铜模14，石墨套15，辐射屏16，石墨坩埚17，拔塞杆18。

本设备的发明点是：该设备由上炉室7和下炉室13两个炉室组成，上炉室与下炉室由一层水冷板隔开，上炉室在加热过程中保持5×10^-3～5×10^-4Pa负压状态，喷铸时则变为1atm的正压状态。下炉室始终处于5×10^-3～5×10^-4Pa的负压状态。发热体6由1层钼片和6层反射屏组成，加热温度可达1600℃，并可在该温度下保温120小时。模具17放在发热体内，采用石英玻璃或石墨制造，模具的外径尺寸为10～50mm，高度为200～500mm，模具穿过水冷隔板，在水冷隔板处采用U形圈密封，模具的下部设计有直径2～10mm的圆孔，熔炼合金时该孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞机构18将塞拔出。水冷铜模14采用紫铜制造，结构为组合式，园形内孔直径为2～30mm，板状内腔尺寸为1mm×5mm×10mm～10mm×50mm×100mm，冷却介质为5～30℃的水。

本发明的工艺方法是：首先在电弧炉内将大块非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7种元素按下列比例配料(原子百分比)Zr：40～80％、Ti：5～10％、Cu：5～50％、Al：3～20％、Be：5～25％、Nb：2～15％、Ta：1～10％、W：1～10％、Co：1～10％、Ni：5～50％、C：1～10％、P：5～20％、B：1～10％、Pd：5～60％，熔配过程中采用高纯氩气保护。将母合金装入石墨坩埚17内并安放于上炉室7内，锁紧6和12。顺序开机械泵1和罗茨泵2，至1×10^-2Pa真空度后再打开分子泵3，同时关闭阀门4-1，打开阀门4-3，抽上、下炉室真空至高真空度5×10^-3～5×10^-4Pa；

开电源，按照设定程序加热母合金，同时利用热电偶进行测温和控温，至800～1000℃温度后迅速加热使母合金熔化并过热100～200℃至900～1200℃，关阀门4-4，使下真空室13持续抽高真空至5×10^-3～5×10^-4Pa，打开阀门4-5给上真空室7充入1大气压的纯度为99.8％的氩气，同时利用拔塞机构提起拔塞杆18，熔体由于受到上下真空室压差的作用，快速充型进入水冷铜模14，同时关闭电源，打开阀门4-4继续对上下真空室抽真空；当炉温降至80～100℃以下时，停止抽真空，打开放气阀使空气进入真空室，打开下真空室炉门12取出试样。

本发明的优点在于；

1、本发明将熔体喷铸与吸铸技术相结合，实现了熔体的高速充填和致密成形；

2、采用熔体控温技术，能够控制母合金的熔化、过热温度、过热时间，有利于控

制影响非晶形成能力的诸多因素；

3、本发明使得整个工艺过程都在高真空环境下进行，采用石墨坩埚，减少了熔体

的氧化和坩埚材料的污染，因而用普通纯度的材料就可以制出大块非晶合金材

料，大大降低了制造成本；

4、由于真空室的增大，所以特别适合大尺寸块体非晶合金材料的制备。

附图说明：

图1是本发明的双室真空喷铸-吸铸设备示意图，其中机械泵1，罗茨泵2，分子泵3，阀门4，炉盖5，炉盖锁紧机构6，上炉室7，钼片发热体8，热电偶9，导电铜排10，电源变压器11，下室炉门12，下炉室13，水冷铜模14，石墨套15，辐射屏16，石墨坩埚17，拔塞杆18。

图2为本发明制备的各种尺寸的Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅大块非晶合金棒材。

图3为Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅大块非晶合金棒材的X射线衍射图。

图4为Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅大块非晶合金棒材的TEM图象。

具体实施方式：

选用高纯度的5种纯金属，即Zr(99.99wt％)，Ti(99.995wt％)，Cu(99.95wt％)，Ni(99.95wt％)，Be(99.999wt％)。将原子百分比为：Zr为40，Cu为10，Ni为11，Ti为5，Be为25的比例调配，在纯度为99.8％的氩气保护下，应用液态母合金的纯化技术，利用电弧熔炼法而制得母合金。为了确保母合金中各组元的均匀性，母合金被重熔三次。母合金锭子的表面被机械打磨抛光去掉表面的氧化皮，然后被压碎成小块并用酒精清洗表面。这些母合金小块破放入石墨坩埚中，利用如附图1所示的装置，按照如上所述的工作原理，制备出如附图2所示的Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅棒材。利用X射线衍射仪检验，该棒材衍射谱如附图3所示，曲线上只有一个宽大的衍射峰，而没有明显的与结晶相相对应的衍射峰存在，因此可以确认该棒材为非晶态合金。

利用透射电镜(TEM)观察样品的微观结构。TEM样品用离子减薄制备，制备温度为250K。该棒材的TEM图象如附图4所示，可以看到，图象中显示的组织几乎完全是由单一的非晶相组成，这与X射线衍射谱结果上完全一致的。

Claims

1、一种制备大块非晶合金的真空喷铸-吸铸方法，其特征在于：首先在电弧炉内将大块非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7种元素按下列原子百分比配料Zr：40～80％、Ti：5～10％、Cu：5～50％、Al：3～20％、Be：5～25％、Nb：2～15％、Ta：1～10％、W：1～10％、Co：1～10％、Ni：5～50％、C：1～10％、P：5～20％、B：1～10％、Pd：5～60％，熔配过程中采用高纯氩气保护，将母合金装入石墨坩埚(17)内并安放于上炉室(7)内，锁紧炉盖锁紧机构(6)和下室炉门(12)；顺序开机械泵(1)和罗茨泵(2)，至1×10^-2Pa真空度后再打开分子泵(3)，同时关闭阀门(4-1)，打开阀门(4-3)，抽上、下炉室真空至高真空度5×10^-3～5×10^-4Pa；开电源，按照设定程序加热母合金，同时利用热电偶(9)进行测温和控温，至800～1000℃温度后加热使母合金熔化并过热100～200℃至900～1200℃，关阀门(4-4)，使下真空室(13)持续抽高真空至5×10^-3～5×10^-4Pa，打开阀门(4-5)给上真空室(7)充入1大气压的纯度为99.8％的氩气，同时利用拔塞机构提起拔塞杆(18)，熔体由于受到上下真空室压差的作用，快速充型进入水冷铜模(14)，同时关闭电源，打开阀门(4-4)继续对上下真空室抽真空；当炉温降至80-100℃时，停止抽真空，打开放气阀使空气进入真空室，打开下真空室炉门(12)取出试样。

2、一种按照权利要求1所述的制备大块非晶合金真空喷铸-吸铸的设备，由(1)机械泵，(2)罗茨泵，(3)分子泵，(4)阀门，(5)炉盖，(6)炉盖锁紧机构，(7)上炉室，(8)钼片发热体，(9)热电偶，(10)导电铜排，(11)电源变压器，(12)下室炉门，(13)下炉室，(14)水冷铜模，(15)石墨套，(16)辐射屏，(17)石墨坩埚，(18)拔塞杆组成；其特征在于：该设备由上炉室(7)和下炉室(13)两个炉室组成，上炉室与下炉室由一层水冷板隔开，上炉室在加热过程中保持5×10^-3～5×10^-4Pa负压状态，喷铸时则变为1atm的正压状态，下炉室始终处于5×10^-3～5×10^-4Pa的负压状态，发热体(6)由1层钼片和6层反射屏组成；模具(17)放在发热体内，采用石英玻璃或石墨制造，模具的外径尺寸为10～50mm，高度为200～500mm，模具穿过水冷隔板，在水冷隔板处采用U形圈密封，模具的下部设计有直径2～10mm的圆孔，熔炼合金时该孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞机构(18)将塞拔出；水冷铜模(14)采用紫铜制造，结构为组合式，园形内孔直径为2～30mm，板状内腔尺寸为1mm×5mm×10mm～10mm×50mm×100mm。