專(zhuān)利名稱(chēng)：制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法與裝置，屬于冶金、材料成形與制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與常見(jiàn)的多晶體金屬材料相比，非晶態(tài)合金(又稱(chēng)為金屬玻璃)具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性極限、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異性能。進(jìn)入二十世紀(jì)90年代，人們相繼發(fā)現(xiàn)一些鈀、鋯、鑭合金在102K/秒量級(jí)的速率下冷卻即可形成金屬玻璃。采用普通的鑄造技術(shù)便可獲得金屬玻璃塊體材料，金屬玻璃的應(yīng)用展示了令人鼓舞的前景。在過(guò)去的十年里，塊體金屬玻璃的研究引起了世界上眾多科學(xué)家的興趣，新的研究成果不斷斷涌現(xiàn)。發(fā)展低成本、易于鑄造成為大尺寸塊體材料的新型合金始終是最受關(guān)注的目標(biāo)，同時(shí)也是擁有材料最終實(shí)用化知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵。
1991年，日本東北大學(xué)井上明久研究組采用銅模澆鑄成形直徑4毫米“鎂-銅-釔”三元合金玻璃圓棒。1995年6月，韓國(guó)科學(xué)家制備了直徑達(dá)到14毫米的鎂合金玻璃(見(jiàn)J.Mater.Res.vol.20，2005，p.1465)。鎂基金屬玻璃的斷裂強(qiáng)度可達(dá)到800-900兆帕.是普通商業(yè)鎂合金的2～3倍。中國(guó)科學(xué)院金屬研究沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室研制出鎂合金Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11銅模澆注獲得直徑25mm的非晶態(tài)合金圓棒，鎂合金Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11銅模澆鑄的金屬玻璃圓棒直徑可達(dá)到25毫米，斷裂強(qiáng)度約1000兆帕(《應(yīng)用物理快報(bào)》，美國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦，1995年10月31日出版)。Zr55Al10Ni5Cu30合金獲得的臨界非晶合金尺寸可達(dá)直徑30mm(Mater.Trans.JIM，1996(37)，P181)。目前，一些玻璃形成能力很強(qiáng)的價(jià)格相對(duì)低廉的非晶態(tài)合金相繼見(jiàn)諸報(bào)道。例如鋯基、鎂基合金臨界非晶尺寸可以達(dá)到10mm以上，臨界冷卻速率降低到了10～100K/s。
實(shí)驗(yàn)室塊體非晶態(tài)合金制備的主要方法有金屬模鑄造、楔形模鑄造、負(fù)壓鑄造(真空吸鑄)、壓鑄成形、水淬、定向凝固、射流成形等等。
日前在專(zhuān)利技術(shù)中公開(kāi)的大塊非晶合金的制備有授權(quán)專(zhuān)利CN99250780.4介紹了真空氣壓鑄造大塊非晶合金裝置，利用氣體壓力將熔化的合金高速鑄入銅膜中，形成大塊非晶合金；授權(quán)專(zhuān)利CN02111709.8介紹了利用旋流器把熔化的鋯基合金分散為細(xì)小液滴，液滴下落過(guò)程首先被惰性氣體預(yù)冷卻，再進(jìn)入被強(qiáng)制冷卻的冷凝器(鑄型)中完成凝固的制備方法；專(zhuān)利CN03121418.5介紹了利用氣體壓力噴射與真空負(fù)壓吸鑄措施，將熔化的合金高速注入水冷銅模獲得非晶體的方法與裝置；專(zhuān)利CN03128762.X介紹的方法是，將合金液澆入到一水冷軋輥的縫隙中形成非晶體。
這些技術(shù)的共同點(diǎn)是，合金液在鑄型(銅模、軋輥等)內(nèi)冷卻凝固，合金液與鑄型壁面密切接觸。根據(jù)經(jīng)典液態(tài)合金結(jié)晶理論，液態(tài)合金凝固為晶體是一個(gè)晶核形成、長(zhǎng)大的過(guò)程，而冷卻鑄型的壁面能很好地促進(jìn)晶核的形成與長(zhǎng)大，不利于合金向非晶轉(zhuǎn)化。其次，已經(jīng)見(jiàn)諸報(bào)道的方法中，除了專(zhuān)利CN03121418.5介紹的方法之外，非晶合金的大小受到鑄型三維尺寸的局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效率的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法與裝置，其技術(shù)方案為一種制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其特征在于采用熱型連鑄技術(shù)連續(xù)制備大塊非晶合金。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其制備步驟依次為a、坩鍋、導(dǎo)流與靜置容器及鑄型安裝在真空容器內(nèi)，將非晶引錠桿密封穿過(guò)真空容器置入鑄型；b、對(duì)真空容器抽真空，然后啟動(dòng)電加熱系統(tǒng)，待合金在坩堝中熔化為液態(tài)，合金液在壓塊擠壓下先進(jìn)入導(dǎo)流與靜置容器進(jìn)行保溫和靜置處理，即而充滿鑄型，啟動(dòng)冷卻裝置，液態(tài)合金凝固為非晶組織；c、啟動(dòng)非晶桿牽引裝置，液態(tài)合金連續(xù)不斷的變?yōu)榉蔷U。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，在步驟b中，如果合金含有高蒸汽壓的組分，在合金熔化之前對(duì)真空容器充入高純惰性保護(hù)氣體，其壓力略大于外界空氣的大氣壓力，以擬制合金組分的揮發(fā)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，如果真空容器內(nèi)一直保持真空狀態(tài)且冷卻裝置設(shè)置在真空容器內(nèi)，則采用油類(lèi)或其它蒸氣壓較低的冷卻介質(zhì)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的裝置，包括牽引裝置、非晶引錠桿、冷卻裝置、鑄型、坩堝、壓塊、伺服電機(jī)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和若干加熱器，其特征在于增設(shè)真空容器和導(dǎo)流與靜置容器，其中鑄型、坩堝和導(dǎo)流與靜置容器均設(shè)置在真空容器內(nèi)，且各自有獨(dú)立的加熱器，導(dǎo)流與靜置容器的兩端分別密封連接坩堝和鑄型，非晶引錠桿密封穿過(guò)真空容器置入鑄型，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)密封穿過(guò)真空容器，其底部與壓塊連接。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，導(dǎo)流與靜置容器的橫截面是鑄型橫截面的2～100倍。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，坩堝、導(dǎo)流與靜置容器和鑄型均采用高純石墨制作。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，真空容器內(nèi)設(shè)置有多個(gè)鑄型，分別與導(dǎo)流與靜置容器密封連接；或者真空容器內(nèi)設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)流與靜置容器，分別與坩堝密封連接。
與現(xiàn)有非晶合金制備技術(shù)相比，本發(fā)明特點(diǎn)是液態(tài)合金不在鑄型內(nèi)凝固，有利于合金向非晶體轉(zhuǎn)變，依靠冷卻介質(zhì)的噴射激冷作用轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)非晶體，獲得長(zhǎng)度方向尺寸很大(理論上可以無(wú)限大)的棒狀非晶體。與傳統(tǒng)熱型連鑄技術(shù)相比，導(dǎo)流與靜置容器的設(shè)置，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置的引入，提高了引錠操作的成功率和連續(xù)生產(chǎn)的能力。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
1、閥門(mén) 2、牽引裝置 3、非晶引錠桿 4、真空容器 5、冷卻裝置 6、鑄型 7、加熱器 8、導(dǎo)流與靜置容器 9、合金液 10、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置 11、坩堝 12、壓塊 13、進(jìn)給機(jī)構(gòu) 14、伺服電機(jī)在圖1所示的實(shí)施例中合金采用鎂基合金Mg65Cu20Zn5Y10，鑄型6、坩堝11和導(dǎo)流與靜置容器8均采用高純石墨制作，和冷卻裝置5一同設(shè)置在真空容器4內(nèi)，且分別有受計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置10控制的獨(dú)立的加熱器7，導(dǎo)流與靜置容器8的兩端分別密封連接坩堝11和鑄型6，其中導(dǎo)流與靜置容器8的橫截面是鑄型6橫截面的10倍，非晶引錠桿3密封穿過(guò)真空容器4置入鑄型6，由伺服電機(jī)14驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)13密封穿過(guò)真空容器4，其底部與壓塊12連接，真空容器4的側(cè)璧上設(shè)有接抽真空裝置或充氣裝置的閥門(mén)1。
采用熱型連鑄技術(shù)連續(xù)制備大塊非晶合金，其制備步驟依次為(1)將非晶引錠桿3密封穿過(guò)真空容器4置入鑄型6；(2)閥門(mén)1接通抽真空裝置，由抽真空裝置對(duì)真空容器4抽真空，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置10啟動(dòng)各自的電加熱器7分別對(duì)坩堝11、導(dǎo)流與靜置容器8和鑄型6進(jìn)行加熱，在合金熔化之前閥門(mén)1接通充氣裝置，經(jīng)閥門(mén)1對(duì)真空容器4充入高純惰性保護(hù)氣體，其壓力略大于外界空氣的大氣壓力，以擬制合金組分的揮發(fā)；待合金在坩堝11中熔化為液態(tài)，經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置10啟動(dòng)伺服電機(jī)14，控制壓塊12壓入坩堝11的合金液9中，合金液9在壓塊12擠壓下先進(jìn)入導(dǎo)流與靜置容器8進(jìn)行保溫和靜置處理，即而充滿鑄型6，經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置10啟動(dòng)冷卻裝置5，液態(tài)合金激冷條件下凝固為非晶組織；(3)啟動(dòng)非晶桿牽引裝置2，液態(tài)合金連續(xù)不斷地變?yōu)榉蔷U。
采用本發(fā)明，可以制備直徑5mm、長(zhǎng)度10000mm的完全非晶圓棒。
在本制備方法中，如果真空容器4內(nèi)一直保持真空狀態(tài)且冷卻裝置5設(shè)置在真空容器4內(nèi)，則采用油類(lèi)或其它蒸汽壓較低的冷卻介質(zhì)。如果真空容器內(nèi)一直保持真空狀態(tài)且冷卻裝置設(shè)置在真空容器內(nèi)，則采用油類(lèi)或其它蒸氣壓較低的冷卻介質(zhì)。
為提高生產(chǎn)效率，真空容器4內(nèi)設(shè)置有多個(gè)鑄型6，分別與導(dǎo)流與靜置容器8密封連接；或者真空容器4內(nèi)設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)流與靜置容器8，分別與坩堝11密封連接；計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制裝置10可以控制協(xié)調(diào)牽引裝置3、伺服電機(jī)14、冷卻裝置5和多個(gè)加熱器7，用以提高引錠操作的成功率，保證連續(xù)生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其特征在于采用熱型連鑄技術(shù)連續(xù)制備大塊非晶合金。
2.如權(quán)利要求1所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其特征在于制備步驟依次為a、坩鍋(11)、導(dǎo)流與靜置容器(8及鑄型(6)安裝在真空容器(4)內(nèi)，將非晶引錠桿(3)密封穿過(guò)真空容器(4)置入鑄型(6)；b、對(duì)真空容器(4)抽真空，然后啟動(dòng)電加熱系統(tǒng)，待合金在坩堝(11)中熔化為液態(tài)，合金液在壓塊(12)擠壓下進(jìn)入導(dǎo)流與靜置容器(8)進(jìn)行保溫和靜置處理，即而充滿鑄型(6)，啟動(dòng)冷卻裝置(5)，液態(tài)合金凝固為非晶組織；c、啟動(dòng)非晶桿牽引裝置(2)，液態(tài)合金連續(xù)不斷的變?yōu)榉蔷U。
3.如權(quán)利要求2所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其特征在于在步驟b中，如果合金含有高蒸汽壓的組分，在合金熔化之前對(duì)真空容器(4)充入高純惰性保護(hù)氣體，其壓力略大于外界空氣的大氣壓力。
4.如權(quán)利要求2所述的制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法，其特征在于如果真空容器(4)內(nèi)一直保持真空狀態(tài)且冷卻裝置(5)設(shè)置在真空容器(4)內(nèi)，則采用油類(lèi)或其它蒸氣壓較低的冷卻介質(zhì)。
5.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法的裝置，包括牽引裝置(2)、非晶引錠桿(3)、冷卻裝置(5)、鑄型(6)、坩堝(11)、壓塊(12)、伺服電機(jī)(14)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)(13)和若干加熱器(7)，其特征在于增設(shè)真空容器(4)和導(dǎo)流與靜置容器(8)，其中鑄型(6)、坩堝(11)和導(dǎo)流與靜置容器(8)均設(shè)置在真空容器(4)內(nèi)，且各自有獨(dú)立的加熱器(7)，導(dǎo)流與靜置容器(8)的兩端分別密封連接坩堝(11)和鑄型(6)，非晶引錠桿(3)密封穿過(guò)真空容器(4)置入鑄型(6)，由伺服電機(jī)(14)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)(13)密封穿過(guò)真空容器(4)，其底部與壓塊(12)連接。
6.如權(quán)利要求4所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，其特征在于導(dǎo)流與靜置容器(8)的橫截面是鑄型(6)橫截面的2～100倍。
7.如權(quán)利要求4所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，其特征在于坩堝(11)、導(dǎo)流與靜置容器(8)和鑄型(6)均采用高純石墨制作。
8.如權(quán)利要求4所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，其特征在于真空容器(4)內(nèi)設(shè)置有多個(gè)鑄型(6)，分別與導(dǎo)流與靜置容器(8)密封連接。
9.如權(quán)利要求4所述的大塊非晶合金的連續(xù)制備裝置，其特征在于真空容器(4)內(nèi)設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)流與靜置容器(8)，分別與坩堝(11)密封連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法與裝置，其特征在于采用熱型連鑄技術(shù)連續(xù)制備大塊非晶合金，該裝置包括牽引裝置、非晶引錠桿、冷卻裝置、鑄型、坩堝、壓塊、伺服電機(jī)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和若干加熱器，增設(shè)真空容器和導(dǎo)流與靜置容器，其中鑄型、坩堝和導(dǎo)流與靜置容器均設(shè)置在真空容器內(nèi)，且有獨(dú)立的加熱器，導(dǎo)流與靜置容器的兩端分別密封連接坩堝和鑄型，非晶引錠桿密封穿過(guò)真空容器置入鑄型，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)密封穿過(guò)真空容器，其底部與壓塊連接。本方法和裝置可以實(shí)現(xiàn)大塊非晶的高效率連續(xù)制備。
文檔編號(hào)B22D11/14GK101024243SQ200610042590
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者劉俊成 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)