專利名稱：一種熔體近快速凝固方法及專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔體凝固技術(shù)，具體為一種熔體近快速凝固方法及專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
塊體非晶合金、納米晶合金、半固態(tài)加工制備的材料等是當(dāng)代的新型材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)，在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域受到密切關(guān)注，并有廣闊的應(yīng)用前景。
在合金組元及其含量配比確定的條件下，采用合金熔體快速凝固方法制備非晶合金塊體材料的關(guān)鍵是熔體的冷卻速度、熔體中的預(yù)存晶核和冷卻介質(zhì)(例如坩堝、模具)引起的異質(zhì)形核，目前絕大多數(shù)制備塊體非晶合金的熔體冷卻速度都在近快速凝固(冷卻速度10k/s～103k/s)的冷卻條件下進(jìn)行的，由于熔體中的預(yù)存晶核和冷卻介質(zhì)引起的異質(zhì)形核可以通過適當(dāng)?shù)墓に囂幚淼玫骄徑夂涂刂?，核心問題還是冷卻速度。
常見熔體近快速凝固的主要方法有如下幾種熔體水淬法、銅模吸鑄法、壓鑄法、定向凝固法、深過冷法等等。其中熔體水淬法是將熔化的母合金淬入冷卻介質(zhì)中，方法簡單，但由于冷卻介質(zhì)的阻力作用，其冷卻速度較低；銅模吸鑄法是將熔化的母合金直接鑄入金屬模具中，由于母合金熔體在銅模中快速凝固，樣品表面收縮使其與模具內(nèi)腔形成間隙，導(dǎo)致冷卻速度下降，從而造成樣品表面不夠光滑；另外，壓鑄法技術(shù)復(fù)雜，操作難度大，成本較高；定向凝固法適合制作棒材，而不適合作異形件；深過冷法則適合制作一些尺寸較小的樣品，對樣品尺寸要求有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以噴鑄和真空吸鑄相結(jié)合的熔體近快速凝固方法及專用設(shè)備，制備出各種形狀和尺寸的塊體非晶合金、納米晶合金、半固態(tài)凝固材料及其復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種熔體近快速凝固方法，具體步驟如下1.用柱塞桿塞住石英坩堝底部的導(dǎo)流管(其直徑為3～10mm)，將母合金加入真空室內(nèi)的石英坩堝中；2.對真空室反復(fù)抽真空、充氬氣2～3遍后，保持真空度為1×10-3～5×10-3帕；3.將母合金加熱至高于熔點(diǎn)溫度50～200℃；4.拔起堵塞坩堝的柱塞桿，在熔體上方通入正壓氬氣(其純度為99.999％)進(jìn)行噴鑄，吹氣壓力為0.05～0.1MPa，同時(shí)合金熔體下方受到高真空吸鑄，使合金熔體瞬間充入模具中快速冷卻；所述母合金加熱采用中頻感應(yīng)加熱、高頻感應(yīng)加熱或電阻加熱；在合金熔化過程中，可以進(jìn)行電磁攪拌。
其專用設(shè)備具有由上真空腔體和下真空腔體組成的真空室，上、下真空腔體分別與真空裝置相連，中間為用于隔離的密封裝置；所述上真空腔體內(nèi)設(shè)有盛放合金熔體的石英坩堝，插裝于加熱爐中，其底部設(shè)有一用柱塞桿控制開/關(guān)的導(dǎo)流管，柱塞桿另一端經(jīng)上真空腔體至真空室外表面，充氣裝置上設(shè)有控制氣流壓力的電磁閥，充氣裝置的充氣口分別通入石英坩堝、上真空腔體及下真空腔體內(nèi)；所述下真空腔體內(nèi)設(shè)有模具，位于導(dǎo)流管的正下方，與循環(huán)制冷裝置相連；所述模具為(水冷)銅模；所述加熱爐為中頻感應(yīng)爐、高頻感應(yīng)爐或電阻爐；所述石英坩堝還可以外加電磁攪拌裝置。
本發(fā)明專用設(shè)備的工作原理是其專用設(shè)備由上下兩個(gè)真空腔體組成，中間用密封裝置隔離密封。上腔體為中頻加熱熔化母合金，下腔體內(nèi)放模具，上、下真空腔體處于高真空狀態(tài)，在合適的溫度下，坩堝熔體內(nèi)上方噴吹保護(hù)氣體，使熔體上方瞬間受到氣體吹趕，下方受到高真空吸鑄強(qiáng)制作用，熔體盡快的噴入(水冷)模具中。由于強(qiáng)制噴吹和吸鑄，不僅熔體能得到較大的冷卻速度，而且熔體對模具成形有較好的充填性，制備板、棒和其它異形件，均充填得完好(如圖2所示)；另外，由于模具冷卻效果好，樣品尺寸也可做得大一些。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明由于坩堝中熔體上方瞬間受到氣體壓力吹趕，熔體下方瞬間受到高真空(真空度為1×10-3～5×10-3帕)吸鑄，這樣“上壓下吸”的瞬間作用，使熔體獲得很高的流動(dòng)速度，從而使熔體對模具有良好的充填效果，試件表面光滑。
2.本發(fā)明由于熔體充型時(shí)具有高的速率，使熔體與模具壁有良好的接觸，從而可以提高熔體的冷卻速度，有利于塊體非晶合金、納米晶合金、半固態(tài)凝固材料及其復(fù)合材料的形成，并具有高的密度值。
3.本發(fā)明專用設(shè)備的下腔體為真空室，避免了母合金熔體的氧化；另外，不同形狀和尺寸的模具可以隨意更換，操作簡便，適于制備板件、棒材料和其它異形件。
4.本發(fā)明由于母合金熔體采用石英或其它耐火材料制成的導(dǎo)流管鑄入模具中，不但造成射流集中、穩(wěn)定，而且減小了熔體澆鑄時(shí)的噴射阻力，提高了冷卻速度。


圖1是本發(fā)明專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例形成Zr-Cu-Ni-Al非晶合金板狀件和異形件實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1Zr-Cu-Ni-Al母合金成分及原子百分比為Zr55Cu30Ni5Al10，在真空條件下用中頻感應(yīng)爐加熱，具體步驟如下1.用柱塞桿塞住導(dǎo)流管，將母合金加入真空室內(nèi)的石英坩堝中；2.啟動(dòng)真空裝置和充氣裝置，對上、下真空腔體反復(fù)抽真空、充氬氣二遍，保持真空度為5×10-3帕；3.啟動(dòng)中頻感應(yīng)爐，將母合金加熱至高于熔點(diǎn)溫度100～120℃；4.拔起堵塞坩堝的柱塞桿，在熔體上方通入正壓氬氣(其純度為99.999％)進(jìn)行噴鑄，吹氣壓力為0.1MPa，同時(shí)合金熔體下方受到高真空吸鑄，使合金熔體通過導(dǎo)流管(直徑為5mm)瞬間充入下真空腔體模具中快速冷卻，根據(jù)模具的不同直徑可以制備出Φ3-l0(mm)的不同尺寸完全非晶的棒材。
如圖1所示其專用設(shè)備具有由上真空腔體5和下真空腔體9組成的真空室，上、下真空腔體5、9分別與真空裝置10相連，中間為用于隔離的密封裝置6；所述上真空腔體5內(nèi)設(shè)有盛放合金熔體3的石英坩堝2，插裝于加熱爐1中，其底部設(shè)有一用柱塞桿4控制開/關(guān)的導(dǎo)流管7，柱塞桿4另一端經(jīng)上真空腔體5至真空室外表面，充氣裝置11上設(shè)有控制氣流壓力的電磁閥，充氣裝置11的充氣口分別通入石英坩堝2、上真空腔體5及下真空腔體9內(nèi)；所述下真空腔體9內(nèi)設(shè)有模具8，本實(shí)施例為水冷銅模，位于導(dǎo)流管7的正下方，與循環(huán)制冷裝置12相連。
實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同之處在于Zr-Cu-Ni-Al母合金在真空條件下用中頻感應(yīng)爐加熱，真空度為1×10-3帕，在高于合金熔點(diǎn)50～80℃時(shí)，拔起柱塞，吹氣壓力為0.05MPa，操作同實(shí)施例1，制備出非晶基體中有納米晶析出相的非晶/納米晶復(fù)合材料。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于操作條件同實(shí)施例1，根據(jù)模具的形狀，制備出30×4×100(mm)的大型板件和高爾夫球拍頭部鑲嵌非晶合金異形件，如圖2所示。
實(shí)施例4與實(shí)施例1不同之處在于母合金采用FC20，在熔體噴鑄與真空吸鑄相結(jié)合的設(shè)備中，加入電磁攪拌裝置，在合金熔化過程中進(jìn)行電磁攪拌，將母合金加熱至高于熔點(diǎn)溫度50～60℃，然后進(jìn)行噴鑄操作，制備出高熔點(diǎn)鐵基半固態(tài)FC20合金，冷卻速度越快，固相粒子尺寸越小，粒子圓整度越大，性能得到提高。
實(shí)施例5與實(shí)施例4不同之處在于操作條件同實(shí)施例4，在合金添加Zr、Ti、B元素，使半固態(tài)FC20合金的硬度和耐磨性有很大提高，硬度值可達(dá)到55～60HRC。
權(quán)利要求
1.一種熔體近快速凝固方法，其特征在于具體步驟如下1)用柱塞桿塞住石英坩堝底部的導(dǎo)流管，將母合金加入真空室內(nèi)的石英坩堝中；2)對真空室反復(fù)抽真空、充氬氣2～3遍后，保持真空度為1×10-3～5×10-3帕；3)將母合金加熱至高于熔點(diǎn)溫度50～200℃；4)拔起堵塞坩堝的柱塞桿，在熔體上方通入正壓氬氣進(jìn)行噴鑄，氬氣純度為99.999％，吹氣壓力為0.05～0.1MPa，同時(shí)合金熔體下方受到高真空吸鑄，使合金熔體瞬間充入模具中快速冷卻；所述導(dǎo)流管直徑為3～10mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述熔體近快速凝固方法，其特征在于所述母合金加熱采用中頻感應(yīng)加熱、高頻感應(yīng)加熱或電阻加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述熔體近快速凝固方法，其特征在于在合金熔化過程中，進(jìn)行電磁攪拌。
4.一種按照權(quán)利要求1所述熔體近快速凝固方法的專用設(shè)備，其特征在于具有由上真空腔體(5)和下真空腔體(9)組成的真空室，上、下真空腔體(5)、(9)分別與真空裝置(10)相連，中間為用于隔離的密封裝置(6)；所述上真空腔體(5)內(nèi)設(shè)有盛放合金熔體(3)的石英坩堝(2)，插裝于加熱爐(1)中，其底部設(shè)有一用柱塞桿(4)控制開/關(guān)的導(dǎo)流管(7)，柱塞桿(4)另一端經(jīng)上真空腔體(5)至真空室外表面，充氣裝置(11)上設(shè)有控制壓力的電磁閥，充氣裝置(11)的充氣口分別通入石英坩堝(2)、上真空腔體(5)及下真空腔體(9)內(nèi)；所述下真空腔體(9)內(nèi)設(shè)有模具(8)，位于導(dǎo)流管(7)的正下方，與循環(huán)制冷裝置(12)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述熔體近快速凝固專用設(shè)備，其特征在于所述模具為水冷銅?；蜚~模。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述熔體近快速凝固專用設(shè)備，其特征在于所述加熱爐為中頻感應(yīng)爐、高頻感應(yīng)爐或電阻爐。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述熔體近快速凝固專用設(shè)備，其特征在于所述石英坩堝外加電磁攪拌裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及熔體凝固技術(shù)，具體為一種熔體近快速凝固方法及專用設(shè)備。本發(fā)明方法首先對真空室反復(fù)抽真空、充氬氣，然后將母合金加熱至高于熔點(diǎn)溫度50～200℃，拔起柱塞桿，在熔體上方通入正壓氬氣，使合金熔體瞬間充入模具中快速冷卻；其專用設(shè)備具有由上真空腔體和下真空腔體組成的真空室，中間為用于隔離的密封裝置；所述上真空腔體內(nèi)設(shè)有石英坩堝，插裝于加熱爐中，其底部設(shè)有導(dǎo)流管；所述下真空腔體內(nèi)設(shè)有模具，與循環(huán)制冷裝置相連。本發(fā)明提高了冷卻速度，適于制備板件、棒材料和其它異形件，有利于塊體非晶合金、納米晶合金、半固態(tài)凝固材料及其復(fù)合材料的形成。
文檔編號(hào)B22D25/00GK1401450SQ0112804
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者張海峰, 丁炳哲, 王愛民, 李宏, 胡壯麒 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所