專利名稱：一種基于真空吸鑄的非晶合金微細(xì)零件的制備方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非晶合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶合金微細(xì)零件的制備方法及裝置。
背景技術(shù)：
非晶合金是20世紀(jì)材料領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)部原子排列呈長(zhǎng)程無序短程有序結(jié)構(gòu)，沒有位錯(cuò)和晶界等缺陷。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使非晶合金材料具有許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性、優(yōu)異的軟磁性等，被廣泛地應(yīng)用于軍事、微/納制造、體育器材、光通訊、光集成、激光、新型太陽(yáng)能電池、高效磁性和輸電材料等領(lǐng)域。非晶合金是極具前途的新結(jié)構(gòu)材料與功能材料，不僅有著很好的科學(xué)研究?jī)r(jià)值、而且還有巨大的市場(chǎng)前景。非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、低的楊氏模量和自銳性等一系列優(yōu)異的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于制備微細(xì)零件。微細(xì)零件指尺寸小的零件，通常是微米級(jí)或以下尺寸的零件，其結(jié)構(gòu)需要顯微鏡來觀察。目前，非晶合金制作微細(xì)零件的制備通常采用熱壓成形，即利用其超塑性對(duì)其采用熱壓工藝進(jìn)行成形。熱壓成形制作零件首先需要將原始材料制成非晶合金，再對(duì)非晶合金進(jìn)行熱壓成形，此方法需要兩個(gè)步驟，缺一不可，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力成本高，而且在熱壓成形的步驟上可能造成其二次氧化的問題，其工程價(jià)值被限制得不到充分的利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提出一種基于真空吸鑄的非晶合金微細(xì)零件的制備方法，該方法無需先制成非晶合金再熱壓的兩個(gè)步驟，從而大大縮短加工工藝所需的時(shí)間和精力，而且避免了二次氧化的問題，適合于大批量生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的該目的所采用的具體技術(shù)方案如下:
一種非晶合金微細(xì)零件的制備方法，其利用真空吸鑄實(shí)現(xiàn)非晶合金微細(xì)零件的制備，該方法具體包括:將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內(nèi)；準(zhǔn)備用于制備非晶合金微細(xì)零件的硅模具，將該硅模具置于內(nèi)部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中；將真空熔腔抽真空并充入保護(hù)氣，對(duì)非晶合金原材料進(jìn)行熔煉，并通過降低銅模具內(nèi)的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入硅模具內(nèi)；脫模即可得到非晶合金微細(xì)零件。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述硅模具沿軸向置于距銅模具通孔上端的1/3-1/2處。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的通孔。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述充入的保護(hù)氣為Ar。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，對(duì)所述非晶合金原材料可進(jìn)行多次熔煉，以得到均勻的合金成分。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述脫模過程中，銅模具開模，將包括非晶合金微細(xì)零件的棒料取出，并將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面，再將露出的硅模具及其內(nèi)部微細(xì)零件進(jìn)行超聲清洗，腐蝕硅模具后即得到非晶合金微細(xì)零件。本發(fā)明的另一目的還在于提供一種非晶合金微細(xì)零件的制備裝置，其包括:真空吸鑄爐，其包括用于熔煉非晶合金原料的真空熔腔和與該真空熔腔相通的下型腔；置于所述下型腔中銅模具，其內(nèi)部型腔為通孔，該銅模具通過所述通孔與真空熔腔相通；硅模具，其置于所述銅模具的通孔中，用于非晶合金微細(xì)零件的成型；在真空熔腔熔煉成非晶合金原料溶液通過該通孔吸入銅模具內(nèi)的硅模具中成型，經(jīng)脫模后即可得到所述非晶合金微細(xì)零件。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述硅模具沿軸向置于距銅模具通孔上端的1/3-1/2處。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的通孔。作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，該裝置還包括用于將真空熔腔抽真空的機(jī)械泵和分子泵，用于進(jìn)行熔煉的電焊機(jī)和電弧發(fā)生器。本發(fā)明中，可由硅片制作成若干中心有微零件形狀的硅模具，再用切割機(jī)將整個(gè)硅模具切割成若干小模具，將硅模具研磨成通孔。制備裝夾硅模具的銅模具:本發(fā)明中，銅模具由兩個(gè)半圓柱組成，每個(gè)半圓柱上有對(duì)應(yīng)的螺紋，使用時(shí)將兩個(gè)半圓柱配合好再用緊固螺母將其緊固，銅模具外形與真空電弧吸鑄爐的模腔配合。銅模具內(nèi)部型腔中設(shè)有裝夾硅模具的結(jié)構(gòu)，硅模具在銅模具通孔內(nèi)的位置可以為距銅模具上端1/2-1/3處的通孔內(nèi)。使用時(shí)將兩個(gè)半圓柱分開，將硅模具放在裝夾位置，再將兩個(gè)半圓柱緊固好即可。吸鑄時(shí)熔融態(tài)的非晶合金被吸入銅模具型腔并充滿硅模具冷卻后形成零件，裝夾硅模具的銅模具能將非晶合金的原始材料直接制備成非晶合金微細(xì)零件，將傳統(tǒng)的熱壓成形工藝的兩個(gè)步驟簡(jiǎn)化為一個(gè)步驟，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產(chǎn)，大大縮短了零件制備所需的時(shí)間和精力成本低。本發(fā)明中，在非晶合金微細(xì)零件的脫模清理中，先取出銅模具，將內(nèi)部的包括非晶合金微細(xì)零件的棒料取出，將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面。將露出硅模具及其內(nèi)部微細(xì)零件放入裝有KOH溶液的試管中，將試管放入超聲清洗儀中加快腐蝕硅模具的速度，最后將得到的非晶合金微細(xì)零件用酒精清洗干凈即可。本發(fā)明的制備方法將傳統(tǒng)的熱壓成形工藝的兩個(gè)步驟簡(jiǎn)化為一個(gè)步驟，避免了二次氧化，能夠?qū)⒎蔷Ш辖鸬脑疾牧现苯又苽涑煞蔷Ш辖鹞⒓?xì)零件，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產(chǎn)，大大縮短了零件制備所需的時(shí)間和精力成本低。該方法適用于多種非晶合金，制作出的零件外觀平整，尺寸精確，能提升非晶材料在工程上的應(yīng)用價(jià)值。


圖1為真空吸鑄設(shè)備示意圖。圖2為銅模具的結(jié)構(gòu)圖，(a)為內(nèi)徑為6mm的銅模內(nèi)腔具示意圖，(b)為內(nèi)徑為3mm的銅模具內(nèi)腔示意圖。圖3為對(duì)應(yīng)于圖2的硅模具和銅模具的組裝示意圖，I為銅模具，II為硅模具。圖4為按照本制備方法得到的產(chǎn)品實(shí)物圖，Ca)為吸鑄零件完整圖，(b)為局部放大圖。圖中，I隔斷泵，2分子泵，3機(jī)械泵，4真空熔腔，5下型腔，6銅模具，7電弧發(fā)生器，8直流電焊機(jī)，9高壓Ar氣瓶，10非晶合金原始材料。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本實(shí)施例中選用一種典型的非晶合金微齒輪零件的制備對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但該方法并不限定于此種非晶合金，也不限于此種零件或尺寸，其他任意種類的非晶合金及零件均適用于本發(fā)明的方法。本實(shí)施例中選用高純度的4種純金屬，即Zr、Cu、N1、Al作為非晶合金的原料。將原子百分比=Zr為55,Cu為30,Al為10,Ni為5的比例調(diào)配的Zr55Cu30Al10Ni5的總原料(例如如果總原料為30g，則其中Zr20.103g、Cu7.638g、Nil.083g、All.176g)，放入真空電弧爐溶腔4內(nèi)。再制作非晶合金微齒輪零件的硅模具(例如該齒輪參數(shù)可以為M=0.lmm，Z=20)?？捎晒杵谱鞒扇舾芍行挠形⒘慵螤畹墓枘＞?，再用切割機(jī)將整個(gè)硅模具切割成若干小模具，將硅模具研磨成通孔。本實(shí)施例中最終硅模具優(yōu)選外徑為6_，也可以為3_或其他尺寸，厚度0.5 Imm的圓柱形的硅片，該圓形硅片的中間是零件形狀的模具。通過該過程可以實(shí)現(xiàn)能大批量的生產(chǎn)各種所需的硅模具。本實(shí)施例中銅模具優(yōu)選為長(zhǎng)度200mm,外徑60mm的圓柱形。銅模具由兩個(gè)半圓柱組成，每個(gè)半圓柱上有對(duì)應(yīng)的螺紋，使用時(shí)將兩個(gè)半圓柱配合好再用緊固螺母將其緊固，銅模具外形與真空電弧吸鑄爐的模腔配合，內(nèi)部型腔內(nèi)徑相應(yīng)為可以為3_或6_，內(nèi)部型腔中設(shè)有裝夾硅模具的結(jié)構(gòu)。硅模具在銅模具通孔內(nèi)的位置可以為距銅模具上端1/2-1/3處的通孔內(nèi)，例如在銅模具上端的1/3處，銅模具的內(nèi)型腔為圖2所示。將銅模具分開為兩個(gè)半圓柱體(內(nèi)徑優(yōu)選為6_，也可以為其他尺寸)，把該硅模具裝入，再將銅模具緊固為一個(gè)整體，把裝好硅模具的銅模具裝入下型腔5中。通過采用在銅模具中裝夾硅模具，并置于相應(yīng)位置，可以使得將傳統(tǒng)的熱壓成形工藝的兩個(gè)步驟簡(jiǎn)化為一個(gè)步驟即可制備得到非晶合金微細(xì)零件，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產(chǎn)，大大縮短了零件制備所需的時(shí)間和精力成本低。制備時(shí)，首先把硅模具裝入銅模具內(nèi)，將兩個(gè)半圓柱配合緊固好，再將裝好硅模具的銅模具裝入下型腔5，將配制好的原材料放入真空電弧爐溶腔4內(nèi)。密封好真空腔，利用機(jī)械泵3和分子泵2將真空腔4內(nèi)的空氣抽至內(nèi)部的氣壓低于5xl0_3pa，然后在充入純度為99.999%的Ar氣使內(nèi)部氣壓達(dá)到I個(gè)大氣壓，然后在抽去Ar氣，再充入Ar氣，反復(fù)洗腔2次，第三次充入Ar氣至I個(gè)大氣壓即可，此步驟的目的是不斷的稀釋真空腔內(nèi)可能存在的空氣，防止后續(xù)融化過程中非晶合金被氧化。打開直流焊機(jī)8，先將Ti球熔煉2min，以吸收熔煉室內(nèi)可能存在的氧化性氣體，為了得到均勻的合金成分，將非晶合金原料反復(fù)熔煉4 5次，以確保合金的成分趨于均勻。打開閥門III使銅模具6內(nèi)的氣壓迅速降低，將非晶合金熔液吸入銅模6內(nèi)得到內(nèi)部的硅模具上的成型零件。取出銅模具，將內(nèi)部的包括非晶合金微細(xì)零件的棒料取出，將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面。將露出硅模具及其內(nèi)部微形零件放入裝有KOH溶液的試管中，將試管放入超聲清洗儀中加快腐蝕硅模具的速度，最后將得到的非晶合金微細(xì)零件用酒精清洗干凈即可。本實(shí)施例中的真空吸鑄設(shè)備包括真空熔腔4和下型腔5，其中非晶合金原始配料10置于真空熔腔4內(nèi)，機(jī)械泵3配合隔斷泵I和分子泵2用于將真空熔腔4的空氣抽至氣壓低于5xl0_3pa真空。高溫電弧由直流電焊機(jī)8配合電弧發(fā)生器7產(chǎn)生，以用于熔化原始配料10。吸鑄時(shí)，機(jī)械泵3將模具中的空氣抽至負(fù)壓，將熔融狀態(tài)的原始配料10吸入銅模具6內(nèi)的硅模具中，然后將銅模具6在下型腔5中由水冷卻。氣瓶9內(nèi)裝有純度為99.999%的保護(hù)氣體Ar氣，用于作為反應(yīng)的保護(hù)氣體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非晶合金微細(xì)零件的制備方法，其利用真空吸鑄實(shí)現(xiàn)非晶合金微細(xì)零件的制備，該方法具體包括: 將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內(nèi)； 準(zhǔn)備用于制備非晶合金微細(xì)零件的硅模具，將該硅模具置于內(nèi)部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中； 將真空熔腔抽真空并充入保護(hù)氣，對(duì)非晶合金原材料進(jìn)行熔煉，再通過降低銅模具內(nèi)的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入下型腔中的硅模具內(nèi)； 脫模后即可得到非晶合金微細(xì)零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述硅模具置于銅模具的通孔內(nèi)且距通孔上端口的距離為通孔軸向長(zhǎng)度的1/3-1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其中，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的內(nèi)部型腔通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制備方法，其中，所述充入的保護(hù)氣為Ar。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其中，對(duì)所述非晶合金原材料可進(jìn)行多次熔煉，以得到均勻的合金成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制備方法，其中，所述脫模過程中，首先銅模具開模，將包括非晶合金微細(xì)零件的棒料取出，再將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面，再將露出的硅模具及其內(nèi)部微細(xì)零件進(jìn)行超聲清洗，腐蝕硅模具后即可得到非晶合金微細(xì)零件。
7.一種非晶合金微細(xì)零件的制備裝置，其包括: 真空吸鑄爐，其包括用于熔煉非晶合金原料的真空熔腔(4)和與該真空熔腔相通的下型腔(5); 置于所述下型腔(5)中的銅模具(6)，其內(nèi)部型腔為通孔，該銅模具(6)通過所述通孔與所述真空熔腔(4)相通； 硅模具，其置于所述銅模具(6)的通孔中，用于非晶合金微細(xì)零件的成型； 經(jīng)所述真空熔腔(4)熔煉后的非晶合金原料溶液通過該通孔吸入銅模具(6)內(nèi)的硅模具中成型，經(jīng)脫模后即可得到所述非晶合金微細(xì)零件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備裝置，其中，所述硅模具置于銅模具的通孔內(nèi)且距通孔上端口的距離為通孔軸向長(zhǎng)度的1/3-1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制備裝置，其中，所述銅模具(6)由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的內(nèi)部型腔通孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)或所述的制備裝置，其中，該裝置還包括用于將真空熔腔(4)抽真空的機(jī)械泵(3)和分子泵(2)，以及用于進(jìn)行熔煉的電焊機(jī)(8)和電弧發(fā)生器(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非晶合金微細(xì)零件的制備方法，包括將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內(nèi)；準(zhǔn)備用于制備非晶合金微細(xì)零件的硅模具，將該硅模具置于內(nèi)部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中；將真空熔腔抽真空并充入保護(hù)氣，對(duì)非晶合金原材料進(jìn)行熔煉，并通過降低銅模具內(nèi)的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入硅模具內(nèi)；脫模即可得到非晶合金微細(xì)零件。本發(fā)明還公開一種非晶合金微細(xì)零件的制備裝置。本發(fā)明采用真空吸鑄，克服了非晶合金熔體流動(dòng)性差、充型困難的問題，制備的非晶合金微細(xì)零件質(zhì)量高，無氣孔等缺陷。
文檔編號(hào)B22D18/06GK103170605SQ20131008088
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者史鐵林, 廖廣蘭, 朱志靖, 文馳, 張釗博, 楊璠 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)