一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，包括紫銅內(nèi)模，還包括上開(kāi)口的不銹鋼的外模，所述內(nèi)模為分體式，內(nèi)膜卡設(shè)于外模內(nèi)且內(nèi)模的底部與外模之間有間距，在內(nèi)模與外模之間的空腔中填充有鎵銦合金。所述外模的內(nèi)側(cè)垂直設(shè)置有定位卡槽，內(nèi)模上的凸條卡設(shè)于定位卡槽內(nèi)。內(nèi)模分為對(duì)稱的兩部分，分型面上加工有安放密封條的密封槽，對(duì)稱的兩部分通過(guò)緊固螺栓聯(lián)接。本實(shí)用新型整套模具由冷卻和成型兩部分組成，避免了冷卻部分的重復(fù)加工，極大的節(jié)約了模具材料，模具結(jié)構(gòu)合理，簡(jiǎn)單，操作方便，特別適宜加工大體積塊體非晶。
【專利說(shuō)明】一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于塊體非晶合金及其復(fù)合材料的制備領(lǐng)域。特別是一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具。

【背景技術(shù)】
[0002]非晶合金因其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而具有特殊的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)一直是材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理及力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。非晶合金在成型時(shí)，需要較高的冷卻速度抑制晶體形核、長(zhǎng)大，因此，往往只能獲得較小尺寸的非晶樣品，這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重限制了非晶合金的廣泛應(yīng)用。制備不同形狀、尺寸的大體積塊體非晶合金是各國(guó)學(xué)者一直在攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]近年來(lái)，銅模鑄造法一直是制備塊體非晶所采用的主要方法，包括吸鑄法、噴鑄法、澆鑄法等，其共同點(diǎn)是將熔融的液態(tài)金屬快速注入具有一定形狀內(nèi)腔的銅模中，通過(guò)銅模的散熱能力，使合金液快速冷卻，得到塊體非晶。這種銅模一般用純銅制成，一般為左右分模的兩個(gè)實(shí)心銅塊，合模后形成型腔，為了保證充足的冷卻能力，銅模的體積必須足夠大。例如，常用的吸鑄銅模，其外圓直徑為100mm，高10(Tl20mm，重量約為7.5kg。
[0004]上述所用的銅模在使用時(shí)，存在的兩個(gè)突出的問(wèn)題:一是銅模為一個(gè)整體部件，具有一個(gè)固定尺寸的內(nèi)腔，只能用來(lái)制備一種固定形狀的塊體非晶。要制備不同形狀的塊體非晶，必須要加工不同的銅模，而銅模本身用料多，因此制造成本高；二是要制備大體積(如1000mm3或更大尺寸)的塊體非晶時(shí)，所需的銅模體積也相應(yīng)增加，重量增大，不便于操作。針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，人們?cè)谏鲜鲢~模的基礎(chǔ)上，在銅模中通水冷卻，即水冷銅模。水冷銅模能提供更強(qiáng)的冷卻能力，但使模具的加工工藝變得復(fù)雜，同時(shí)，要求將冷卻水引入電弧爐或感應(yīng)爐的真空室，使用不便。而且，水冷銅模仍然存在上述的第一個(gè)問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型要提供一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，以達(dá)到冷卻能力可控、便于制備不同形狀，且使用便捷、加工工藝簡(jiǎn)單，能夠降低制備成本的目的。
[0006]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，包括紫銅內(nèi)模，其特征在于:還包括上開(kāi)口的不銹鋼的外模，所述內(nèi)模為分體式，內(nèi)膜卡設(shè)于外模內(nèi)且內(nèi)模的底部與外模之間有間距，在內(nèi)模與外模之間的空腔中填充有鎵銦合金。
[0007]在外模的內(nèi)側(cè)垂直設(shè)置有定位卡槽，內(nèi)模上的凸條卡設(shè)于定位卡槽內(nèi)。
[0008]內(nèi)模分為對(duì)稱的兩部分，分型面上加工有安放密封條的密封槽，對(duì)稱的兩部分通過(guò)緊固螺栓聯(lián)接。模具在使用時(shí)，先將密封橡膠條安放于密封槽內(nèi)，用緊固螺栓將對(duì)稱的兩部分合模緊固即可。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0010]1、本實(shí)用新型將傳統(tǒng)銅模的冷卻和成型兩相功能分解成獨(dú)立的兩部分，整套模具由冷卻和成型兩部分組成，避免了冷卻部分的重復(fù)加工。本實(shí)用新型中外模和冷卻介質(zhì)提供制備非晶合金所需的冷卻能力，所使用的紫銅內(nèi)模僅具有成型功能，只要能夠提供合適的內(nèi)腔即可，不再是提供冷卻能力的主體，因此任何外形都可接受，只要有能夠與外模固定的凸條即可，所以紫銅內(nèi)模體積、重量較小，在制備大體積(如1000mm3左右)的塊體非晶時(shí)，僅為400g左右，極大的節(jié)約了模具材料。
[0011]2、如果用該模具制備不同形狀、尺寸的塊體非晶，只需更換純銅(紫銅)制作的內(nèi)模即可實(shí)現(xiàn)，而本實(shí)用新型提供的內(nèi)模成本低，在多形狀的多個(gè)時(shí)，其成本優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的更聞。
[0012]3、起冷卻功能的部分一次性投入，其中的不銹鋼外模形狀簡(jiǎn)單，加工方便，可以多次重復(fù)使用；鎵銦合金也為一次性投入，可以長(zhǎng)期重復(fù)使用，通過(guò)改變鎵銦合金的量就可以調(diào)節(jié)模具的冷卻能力，適于制備多種形狀的塊體非晶合金。
[0013]4、制備不同形狀、尺寸的塊體非晶時(shí)，只需要更換成本較低的內(nèi)模即可，而起冷卻功能的部分一次性投入，外模和冷卻介質(zhì)不用更換。制備大體積非晶合金時(shí)，只需更改內(nèi)模的型腔、在外模中加入更多冷卻介質(zhì)即可。
[0014]5、結(jié)構(gòu)合理，簡(jiǎn)單，操作方便。本實(shí)用新型采用內(nèi)模插入外模的固定方式，使得整套模具的使用極為方便，同時(shí)內(nèi)模為分體機(jī)構(gòu)，脫模方便，提高了工作效率。
[0015]6、適用范圍廣:特別適宜加工大體積塊體非晶。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是整套模具的組裝示意圖；
[0017]圖2是整套模具的局部剖視圖；
[0018]圖3是制備矩形片狀非晶的內(nèi)模示意圖；
[0019]圖4是制備矩形片狀非晶的內(nèi)模的橫向剖視圖；
[0020]圖5是制備矩形片狀非晶的內(nèi)模的縱向剖視圖；
[0021]圖6是制備圓形片狀非晶的內(nèi)模示意圖；
[0022]圖7是制備圓形片狀非晶的內(nèi)模的橫向剖視圖；
[0023]圖8是制備圓形片狀非晶的內(nèi)模的縱向剖視圖；
[0024]圖9是制備圓柱狀非晶的內(nèi)模示意圖；
[0025]圖10是制備圓柱狀非晶的內(nèi)模的橫向剖視圖；
[0026]圖11是制備圓柱狀非晶的內(nèi)模的縱向剖視圖；
[0027]圖12是實(shí)施例1制備的塊體非晶樣品；
[0028]圖13是實(shí)施例1制備的塊體非晶的XRD圖。
[0029]圖中，1-外模，2-鎵銦合金，3-內(nèi)模，4-密封條，5-緊固螺栓，6_定位卡槽。

【具體實(shí)施方式】
[0030]參見(jiàn)圖1，一種適于制備大塊非晶合金及其復(fù)合材料的模具，包括紫銅內(nèi)模3，還包括上開(kāi)口的不銹鋼的外模1，所述內(nèi)模3為分體式，分為對(duì)稱的兩部分，分型面上加工有安放密封條4的密封槽，對(duì)稱的兩部分通過(guò)緊固螺栓5聯(lián)接。在外模I的內(nèi)側(cè)垂直設(shè)置有定位卡槽6，內(nèi)模3上的凸條卡設(shè)于外模I上的定位卡槽6內(nèi)，在內(nèi)模3與外模I之間的空腔中填充有鎵銦合金2，內(nèi)模3的底部與外模I之間有間距，這樣底部的空間可以使鎵銦合金2成為一個(gè)整體，保證銅模的散熱均勻。
[0031]本實(shí)用新型在設(shè)計(jì)時(shí)，以制備最大體積為15000mm3的CuZr基非晶為參考，為了保證非晶合金的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要求鎵銦合金2在冷卻過(guò)程中，其自身溫度不超過(guò)50°C。將15000mm3 (重114g。通常吸鑄非晶用料15?25g)、1300°C的液態(tài)Cu5tlZr5tl合金冷卻到室溫過(guò)程中，將釋放48692.25J的熱量，設(shè)液態(tài)合金的熱量全部傳遞給鎵銦合金2，需要6.19kg(970ml)的鎵銦合金2，可保證模具的溫度不超過(guò)50°C。同時(shí)測(cè)定時(shí)間，模具的冷卻速率達(dá)到5.2X 102K/s，能夠滿足制備非晶合金對(duì)冷卻速率的要求。
[0032]組裝模具的方法是:模具在使用時(shí)，先將密封條4安放于內(nèi)模3的定位卡槽6處，用緊固螺栓5將兩半內(nèi)模3合模緊固后，將紫銅內(nèi)模3插入不銹鋼外模I的定位卡槽6處固定，最后將鎵銦合金2充入外模I。將整套模具置于熔料坩堝的下部，調(diào)節(jié)合適的澆鑄位置。原料經(jīng)電弧熔煉或感應(yīng)熔煉后，快速噴入或澆入內(nèi)模3。
[0033]實(shí)施例1:電弧熔煉法澆鑄1000mm3 CuZrAlY非晶板
[0034]I)將純度為99.8%的Zr，純度為99.99%的Cu、Al、Y按照Cu45Zr45Al8Y2的名義成分配料100g，置于電弧爐中；
[0035]2)對(duì)電弧爐抽真空，真空度達(dá)到5 X 10_3Pa后充入氬氣至0.8個(gè)大氣壓，先熔Ti吸氧，再將所配原料熔煉3飛次，確保成分均勻，得到紐扣狀母合金錠。
[0036]3)參見(jiàn)圖3、圖4、圖5，選擇型腔尺寸為50 X 50 X 4mm3的內(nèi)模3制備矩形片狀非晶，將密封條4安放于內(nèi)模3的定位卡槽6處，用緊固螺栓5將兩半內(nèi)模3合模緊固后，將紫銅內(nèi)模3插入不銹鋼外模I的定位卡槽6處固定,最后將4.5kg的鎵銦合金2充入外模I。將組裝好的模具放入真空室，調(diào)節(jié)合適位置，確保合金液能順利澆入模具。
[0037]4)母合金放入澆鑄坩堝，啟動(dòng)電弧將母合金再次熔化，熔煉I分鐘后，關(guān)閉電弧瞬間，快速傾轉(zhuǎn)坩堝，將液態(tài)合金澆進(jìn)模具。
[0038]5)冷卻數(shù)分鐘后，打開(kāi)真空室，取出模具，擰開(kāi)緊固螺栓5，分開(kāi)紫銅內(nèi)模3，取出非晶合金樣品。
[0039]參見(jiàn)圖12和圖13，所得樣品經(jīng)XRD檢測(cè)，各個(gè)部位均未發(fā)現(xiàn)晶體相，樣品為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0040]實(shí)施例2:感應(yīng)熔煉法澆鑄7000mm3 CuZrTi非晶復(fù)合材料圓片
[0041]I)將純度為99.8%的Zr，純度為99.99%的Cu、Ti按照Cu6tlZr3tlTiltl的名義成分配料50g,放入內(nèi)徑60mm、深80mm的氧化鎂i甘禍；
[0042]2)參見(jiàn)圖6、圖7、圖8，選擇型腔尺寸為Φ60mm、厚2.5mm的內(nèi)模制備圓形片狀非晶，將密封條4安放于內(nèi)模3的定位卡槽6處，用緊固螺栓5將兩半內(nèi)模3合模緊固后，將紫銅內(nèi)模3插入不銹鋼外模I的定位卡槽6處固定,最后將3.5kg的鎵銦合金2充入外模I。將組裝好的模具放入真空室，調(diào)節(jié)合適位置，確保合金液能順利澆入模具。
[0043]3)對(duì)感應(yīng)爐抽真空，真空度達(dá)到5X 10_3Pa后充入氬氣至0.8個(gè)大氣壓，啟動(dòng)高頻電源將原料熔化，待合金完全熔化后，保溫2min使其成分均勻。
[0044]4)傾轉(zhuǎn)坩堝，將熔融合金液澆入模具型腔。
[0045]5)冷卻數(shù)分鐘后，打開(kāi)真空室，取出模具，擰開(kāi)緊固螺栓5，分開(kāi)紫銅內(nèi)模3，取出非晶合金樣品。
[0046]所得樣品經(jīng)XRD檢測(cè)，為晶體相與非晶相共存的復(fù)合材料。
[0047]實(shí)施例3:感應(yīng)加熱噴鑄4000mm3 CuZrAlY非晶棒
[0048]I)將純度為99.8%的Zr，純度為99.99%的Cu、Al、Y按照Cu41Zr49Al8Y2的名義成分配料30g ;經(jīng)電弧熔煉3飛次確保成分均勻，機(jī)械破碎后裝入底部有噴嘴的石英管，然后將石英管安裝到真空感應(yīng)熔煉爐中。
[0049]2)參見(jiàn)圖9、圖10、圖11，選擇型腔尺寸為Φ 10mm、長(zhǎng)60mm的內(nèi)模3制備圓柱狀非晶，將密封條4安放于內(nèi)模3的定位卡槽6處，用緊固螺栓5將兩半內(nèi)模3合模緊固后，將紫銅內(nèi)模3插入不銹鋼外模I的定位卡槽6處固定,最后將2.5kg的鎵銦合金2充入外模I。將組裝好的模具放入真空室，調(diào)節(jié)合適位置，確保石英管噴嘴和模具型腔在同一垂線上。
[0050]3)對(duì)感應(yīng)爐抽真空，真空度達(dá)到5X 10_3Pa后充入氬氣至0.8個(gè)大氣壓，啟動(dòng)高頻電源將母合金熔化，待合金完全熔化后。
[0051]4)打開(kāi)氬氣閥門，將液態(tài)合金噴入模具。
[0052]5)冷卻數(shù)分鐘后，打開(kāi)真空室，取出模具，擰開(kāi)緊固螺栓5，分開(kāi)紫銅內(nèi)模3，取出非晶合金樣品。
[0053]所得樣品經(jīng)XRD檢測(cè)，樣品橫截面上未發(fā)現(xiàn)晶體相，為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
[0054]本實(shí)用新型的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本實(shí)用新型說(shuō)明書而對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本實(shí)用新型的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，包括紫銅內(nèi)模(3)，其特征在于:還包括上開(kāi)口的不銹鋼的外模(1)，所述內(nèi)模(3)為分體式，內(nèi)膜(3)卡設(shè)于外模(O內(nèi)且內(nèi)模(3)的底部與外模(I)之間有間距，在內(nèi)模(3)與外模(I)之間的空腔中填充有鎵銦合金(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，其特征在于:在外模(I)的內(nèi)側(cè)垂直設(shè)置有定位卡槽(6)，內(nèi)模(3)上的凸條卡設(shè)于定位卡槽(6)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適于制備大體積塊體非晶合金及其復(fù)合材料的模具，其特征在于:內(nèi)模(2)分為對(duì)稱的兩部分,分型面上加工有安放密封條(4)的密封槽,對(duì)稱的兩部分通過(guò)緊固螺栓(5)聯(lián)接。
【文檔編號(hào)】B22D27/04GK204075162SQ201420517062
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】李炳, 楊珂, 范新會(huì), 王鑫, 陳建 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)