專利名稱：一種非真空條件下制備塊體非晶的設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及塊體非晶合金的制備，采用覆蓋渣技術以實現(xiàn)塊體非晶合金的非
真空條件下的制備。屬于冶金、材料成型與制備技術領域。
背景技術：
非晶合金是指內(nèi)部原子結構長程無序、短程有序排列的金屬合金。非晶合金具有 遠遠高于普通晶體金屬材料的力學強度、耐蝕性、磁學性能以及一定溫度下的超塑性，正是 由于具有優(yōu)良的特性，因而非晶合金有著極為廣闊的應用前景，隨著塊體非晶合金體系的 不斷開發(fā)和制備工藝的改進，其在航空、航天、軍事、汽車、化工、能源等諸多領域成為應用 前景廣泛的結構和功能材料，是材料理論及制備研究的重點。 歷史上第一次報道制備出非晶態(tài)合金的是Kramer，其制備工藝為蒸發(fā)沉積法，此 后不久，Brenner等用電沉積法制備出了 Ni-P非晶合金。1960年加州理工學院P. Duwez小 組采用液態(tài)噴霧淬冷法，以106K/s的冷卻速度從液態(tài)急冷獲得A 。Si3。非晶合金，標志著金 屬玻璃的正式誕生。1951年美國物理學家Turnbull教授通過水銀過冷實驗提出液態(tài)金屬 可以過冷到遠離平衡熔點以下而不產(chǎn)生形核與長大。隨后的研究更進一步指出，任何熔體 只要冷卻速率大于1012°C /s都可以無擴散、無溶質(zhì)分離的凝固而形成玻璃。最近十幾年來 塊體金屬玻璃，如La-， Mg-， Pd-， Ni-， Fe-， Co-， Zr-基塊體金屬玻璃不斷地被開發(fā)出來，其 冷卻速率甚至可小于1K/s。 探索新的大塊非晶的制備方法始終是非晶領域發(fā)展的方向之一。目前非晶合金的 制備有多種方法，如真空冶煉_銅模吸鑄法、粉末冶金法、真空電弧冶煉_熔體水淬法、壓 鑄法、磁懸浮熔煉銅模冷卻法等等。公開號為CN1442254A的專利介紹了一種制備大塊非晶 合金的噴鑄-吸鑄方法及設備，其特點在于該設備由上下兩個爐室組成，上爐室與下爐室 之間用一層水冷板隔開，上爐室在加熱過程中保持5X 10—3-5X 10—4Pa負壓狀態(tài)，噴鑄時則 變?yōu)閘atm的正壓狀態(tài)。下爐室則始終處于5X10—3_5X10—乍a負壓狀態(tài)。發(fā)熱體由一層鉬 片和6層反射屏組成，由石英玻璃或石墨制造的模具放在發(fā)熱體內(nèi)，模具穿過水冷隔板與 紫銅制造的水冷銅模相連，模具的底部設計有圓孔，熔煉合金時該小孔用石英玻璃或石墨 塞堵住，填充時利用拔塞機構將塞拔出，通過壓差將合金液噴鑄到水冷銅模中。該技術的優(yōu) 點在于將熔體噴鑄與吸鑄技術相結合，實現(xiàn)了熔體的高速充填和致密成型，特別適合大尺 寸非晶的制備。其不足為熔煉過程中需要抽真空操作，而真空條件會對成本及操作造成諸 多限制，且不利于塊體非晶規(guī)?；a(chǎn)和推廣應用。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供了一種非真空條件下塊體非晶制備的設備，應用該設備可以在非 真空條件下熔煉合金，并方便快捷的制備出非晶樣品。 —種在非真空條件下制備塊體非晶方法的設備，包括定位滑道，升降裝置，下爐 室，水冷銅模，冷卻水出口，氬氣通道，保溫材料，發(fā)熱元件，爐管，上爐室，熱電偶，覆蓋渣，合金液，石墨塞，氬氣通道，石墨坩堝，石墨套筒，連接機構，冷卻水進口 ，氬氣通道，容量泵； 其特征在于設備包括上爐室和下爐室；上爐室為管式電阻爐，爐管為剛玉材料，石墨坩堝 置于爐管恒溫區(qū)內(nèi)，坩堝底部中央部位設有圓孔，石墨套筒貫穿于上下爐室；水冷銅模與石 墨套筒為組合式，水冷銅模與石墨套筒通過連接機構實現(xiàn)無縫連接。 上爐室為管式電阻爐，發(fā)熱元件為硅碳管，最高加熱溫度為150(TC，下爐室為密閉 的鋼制保護套。 上爐室與下爐室均通純度為99. 8 %的氬氣進行保護。 坩堝外徑尺寸為20-40mm，高度為300-500mm，坩堝底部中央設計有直徑為6-10mm 的圓孔。 石墨坩堝、石墨塞、石墨套筒均為高純石墨材質(zhì)。 吸鑄時，水冷銅模在升降裝置的驅(qū)動下上升，并與石墨套筒通過連接機構實現(xiàn)無 縫連接，石墨套筒頭部頂開石墨塞，進入坩堝內(nèi)部3-10mm，用合金熔體實現(xiàn)密封。 水冷銅模采用紫銅制造。 棒狀銅模內(nèi)腔直徑為2-30mm，板狀銅模內(nèi)腔的高、長、寬分別為 lmmX 5mmX 10mm 10mmX 50mmX lOOmm。 熔煉合金時用石墨塞將圓孔堵住，吸鑄時在升降裝置的驅(qū)動下，使得水冷銅模與 石墨套筒通過連接機構實現(xiàn)無縫連接，并一起上升頂開石墨塞，同時啟動容量泵，完成吸鑄 工作；水冷銅模的結構采用組合式，能制備出棒狀及板狀非晶。 本實用新型將熔渣冶煉技術與銅模吸鑄法集成，從而實現(xiàn)非真空條件下塊體非晶 的制備。熔煉合金時，覆蓋渣置于高溫合金熔體之上，覆蓋渣會在高溫合金熔體表面形成一 層連續(xù)的覆蓋層，其既不與合金液發(fā)生化學反應又不相互溶解，使合金液與空氣完全隔離， 防止了合金液發(fā)生氧化、吸氣等反應，其作用等同于現(xiàn)有的制備塊體非晶合金所需要創(chuàng)造 的真空環(huán)境。通過配備銅模吸鑄設備，從而構成制備塊體非晶的設備。 本實用新型的工藝方法為 1、在電弧爐內(nèi)將塊體非晶合金元素Zr、Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nb、Co、La、Y中的2 7 種元素按照如下原子百分比設計母合金(Zr = 30-70%、Cu = 5-50%、A1 = 5-20%、Ni = 5-20%、Ti = 2-15%、Be = 5_25%、Nb = 2_15%、Co = l_25%、La = 0_4%、Y = 0-5% )， 為確保成分均勻，每爐料均重復熔煉3-5次； 2、設計適合于不同合金特性的覆蓋渣，通過渣金熱力學計算(判定合金中元素是 否與渣中元素進行反應、合金中元素是否向渣中擴散)及測試渣的粘度、熔點，表面張力和 密度等物理性能(通過對這些物理性能的檢測和分析可以得到覆蓋渣是否能滿足其覆蓋 層及隔絕空氣，防止合金氧化作用的要求)從而獲得滿足非晶合金熔煉的覆蓋渣。根據(jù)合 金特性，選取化學性質(zhì)穩(wěn)定的氟化物LiF、KF、NaF、CaF2、MgF2中的2_5種按如下質(zhì)量百分比 配制成覆蓋渣(LiF :0-20%、KF :0-20%、NaF :30-70%、CaF2 :30-70%、MgF2 :0-30% )，其熔 點低于合金熔點50-15(TC，粘度低于合金熔體2-3個數(shù)量級(若合金熔體粘度為IO。，那 么覆蓋渣粘度要小于10—2-10—3); 3、步驟c :在石墨坩堝底部中央開有直徑為6-10mm的圓孔，采用石墨塞14將該圓 孔堵住，將覆蓋渣放入石墨坩堝16，置于上爐室的恒溫帶內(nèi)，打開電源開始升溫，并通入純 度為99.8%的高純氬氣進行保護，爐溫設定為所制備合金的熔點以上100-20(TC，待覆蓋渣熔化后用坩堝鉗將母合金放入石墨坩堝16中，合金料的尺寸要小于液態(tài)覆蓋渣的高度， 這樣就可以使得合金料始終在覆蓋渣的渣液面下，合金熔體不會暴露于空氣之中，從而防 止了合金的氧化； 4、采用熱電偶11進行測溫及控溫。待合金熔體溫度升至上述設定爐溫并保溫 15-30分鐘后，啟動升降裝置2，通過連接機構18使得水冷銅模4與石墨套筒17連接并上 升，石墨套筒17頂開石墨塞14并進入石墨坩堝16內(nèi)部3-10mm，用合金熔體實現(xiàn)密封。石 墨套筒進入石墨坩堝的同時啟動容量泵21，使得合金液13在負壓的作用下快速充型進入 水冷銅模4，降下銅模并取出試樣，得到塊體非晶。 本實用新型的優(yōu)點在于 1、本實用新型是將熔渣冶煉技術與銅模吸鑄法集成，從而實現(xiàn)在非真空條件下塊 體非晶合金的制備。其與真空條件下的非晶樣品的制備比較，非真空條件下的制備設備簡 單，操作方便，工藝條件易于控制。 2、覆蓋渣除了具有保護合金液不受氧化的作用外，還可以起到一定的精煉作用， 有效去除合金熔體中的異質(zhì)形核核心，促進非晶形成。 3、采用電阻爐加熱，可以準確的控制熔體溫度，有利于控制影響非晶形成能力的 諸多因素。 4、整個工藝都在覆蓋渣和氬氣保護氣氛下進行，采用高純石墨坩堝及套筒，減少 了熔體的氧化和坩堝材料的污染，所以應用普通純度的原料就可以制備成大塊非晶合金材 料，大大降低了制造成本。 5、由于設備的簡化，可以制備各種形狀的大尺寸塊體非晶合金材料。
圖l是本實用新型的非真空下塊體非晶制備的設備示意圖，其中1、定位滑道 2、升降裝置3、下爐室4、水冷銅模5、冷卻水出口 6、氬氣通道7、保溫材料8、發(fā)熱 元件 9、爐管 10、上爐室 11、熱電偶 12、覆蓋渣 13、合金液 14、石墨塞 15、氬氣 通道 16、石墨坩堝17、石墨套筒18、連接機構19、冷卻水進口20、氬氣通道 21、
容量泵 圖2為Z^NisAlJi^大塊非晶合金棒材的X射線衍射圖。
具體實施方式
本實用新型的特點是通過覆蓋渣技術的應用，僅需要普通的管式電阻爐就可以 達到真空設備熔煉非晶母合金的效果，配上吸鑄設備即構成非真空條件下制備塊體非晶的 設備，其設備包括上爐室10和下爐室3，上爐室為管式電阻爐，發(fā)熱元件8為硅碳管，最高 加熱溫度為150(TC，下爐室為密封的鋼制保護套。爐管9為剛玉材料，石墨坩堝16置于爐 管恒溫區(qū)內(nèi)，坩堝外徑尺寸為20-40mm，高度為300-500mm，坩堝底部中央部位設計有直徑 為6-10mm的圓孔，熔煉合金時用石墨塞14將該圓孔堵住，石墨套筒17貫穿于上下爐室。 石墨坩堝16、石墨塞14及石墨套管17均為高純石墨材料制造。水冷銅模4與石墨套筒 17為組合式，吸鑄時在升降裝置2的驅(qū)動下，使得水冷銅模4與石墨套筒17通過連接機構 18實現(xiàn)無縫連接，并一起上升頂開石墨塞14，同時啟動容量泵，完成吸鑄工作。水冷銅模采用紫銅制造，冷卻介質(zhì)為5-3(TC的水。水冷銅模的結構采用組合式，可以制備棒狀及板 狀非晶，棒狀銅模內(nèi)腔直徑為2-30mm，板狀銅模內(nèi)腔的高、長、寬分別為lmmX5mmX 10mm 10mmX50mmX100mm。 熔煉實例 選用高純度的四種純金屬，即Zr(99. 99wt% ) ， Ni (99. 99wt% ) ， Al (99. 99wt% )， Cu(99. 99wt% )。按原子百分比為Zr55， Ni5， AllO， Cu30的配比調(diào)配，在純度為99. 8%的 氬氣保護下，利用電弧熔煉法制得母合金。為確保母合金中各組元的均勻性，母合金被重熔 三次制成紐扣料。將紐扣料表面打磨拋光去掉表面的氧化皮，然后用酒精清洗表面。利用 附圖l所示的裝置，按照如上所述的工作原理，制備出小5mm的非晶棒。利用X射線衍射儀 檢驗，該非晶棒衍射譜如附圖2所示，曲線上只有一個彌散的非晶漫射峰，而沒有明顯的與 結晶相相對應的衍射峰存在，因此可以確認該棒材為非晶態(tài)合金。
權利要求一種在非真空條件下制備塊體非晶方法的設備，包括定位滑道(1)，升降裝置(2)，下爐室(3)，水冷銅模(4)，冷卻水出口(5)，氬氣通道(6)，保溫材料(7)，發(fā)熱元件(8)，爐管(9)，上爐室(10)，熱電偶(11)，覆蓋渣(12)，合金液(13)，石墨塞(14)，氬氣通道(15)，石墨坩堝(16)，石墨套筒(17)，連接機構(18)，冷卻水進口(19)，氬氣通道(20)，容量泵(21)；其特征在于設備包括上爐室(10)和下爐室(3)；上爐室為管式電阻爐，爐管(9)為剛玉材料，石墨坩堝(16)置于爐管恒溫區(qū)內(nèi)，坩堝底部中央部位設有圓孔，石墨套筒(17)貫穿于上下爐室；水冷銅模(4)與石墨套筒(17)為組合式，水冷銅模(4)與石墨套筒(17)通過連接機構(18)實現(xiàn)無縫連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于上爐室 (10)為管式電阻爐，發(fā)熱元件(8)為硅碳管，最高加熱溫度為150(TC，下爐室(3)為密閉的 鋼制保護套。
3. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于上爐室與 下爐室均通純度為99. 8%的氬氣進行保護。
4. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于坩堝外徑 尺寸為20-40mm，高度為300-500mm，坩堝底部中央設計有直徑為6-10mm的圓孔。
5. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于石墨坩堝 (16)、石墨塞(14)、石墨套筒(17)均為高純石墨材質(zhì)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于吸鑄時，水 冷銅模(4)在升降裝置的驅(qū)動下上升，并與石墨套筒通過連接機構實現(xiàn)無縫連接，石墨套 筒頭部頂開石墨塞，進入坩堝內(nèi)部3-10mm，用合金熔體實現(xiàn)密封。
7. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于水冷銅模 采用紫銅制造。
8. 根據(jù)權利要求1所述的非真空條件下制備塊體非晶的設備，其特征在于棒 狀銅模內(nèi)腔直徑為2-30mm，板狀銅模內(nèi)腔的高、長、寬分別為lmmX 5mmX 10mm 10mmX50mmX100mm。
專利摘要本實用新型屬于冶金、材料成型與制備技術領域，提供一種在非真空條件下制備塊體非晶的設備。其設備特征為該設備包括上爐室(10)和下爐室(3)，上爐室為管式電阻爐，發(fā)熱元件(8)為硅碳管，最高加熱溫度為1500℃，爐管(9)為剛玉材料，石墨坩堝(16)置于爐管恒溫區(qū)內(nèi)，坩堝由高純石墨材料制造，坩堝外徑尺寸為20-40mm，高度為300-500mm，坩堝下部設計有直徑為6-10mm的圓孔，熔煉合金時用石墨塞(14)將該圓孔堵住，石墨套筒(17)貫穿于上下爐室，當吸鑄時，啟動升降裝置(2)，水冷銅模上升并連接到石墨套筒(17)上，并與石墨套筒一起上升頂開石墨塞(14)，同時啟動容量泵，完成吸鑄工作，將非晶母合金吸入到銅模內(nèi)，利用銅模的強導熱能力快速冷卻制備出塊體非晶合金。本實用新型的優(yōu)點在于將熔渣冶煉技術與銅模吸鑄法集成，從而實現(xiàn)在非真空條件下塊體非晶合金的制備。
文檔編號B22D18/06GK201455232SQ20092010928
公開日2010年5月12日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權日2009年6月22日
發(fā)明者曹立軍, 王精華, 王靜松, 薛慶國, 黃書友 申請人:北京科技大學