一種用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法

2023-12-10 00:07:26 5

專利名稱：一種用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法
技術領域：
本發明是一種用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法，特別涉及一種防止真空吸鑄法製備大塊非晶合金空心化的銅模及其製備方法。屬於用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法的改造技術。
背景技術：
大塊非晶合金因獨特的結構導致其具有優良的綜合性能，是當前材料科學、凝聚態物理及力學領域研究熱點，具有廣闊的應用前景。目前，形成理論的不斷完善和成分設計取得的巨大進展，採用銅模真空吸鑄法便可製備出絕大部分大塊非晶合金體系。真空吸鑄法是製備大塊非晶合金最常用、最方便的一種方法。這種方法在製備高熔點的大塊非晶合金方面具有其他方法所不能比擬的獨特優勢。其基本工作原理是首先利用電弧熔煉的方法熔化母合金，母合金熔化後，通過熔化腔與銅模之間的氣壓差所產生的吸力，將液態母合金吸入銅模，液態母合金在銅模及其外側循環冷卻水的共同作用下迅速冷卻，產生較快的冷卻速率，實現液態合金的快速凝固。為充分利用銅模優良的傳熱性能和循環冷卻水的作用，將銅模與冷卻水套採用螺紋聯接，使兩者充分接觸，同時也增大了銅模與冷卻水套的接觸面積，因而能夠提高母合金的冷卻速度，更有利於獲得大塊非晶合金。然而，傳統銅模真空吸鑄法製備大塊非晶合金時，熔融合金在水冷銅模上端部熔煉凹腔中翻騰滾動，吸鑄時因吸鑄口頂部連接熔煉凹腔底部，易造成爐體內保護性氣體在負壓下順勢沿合金頂部隨吸鑄過程快速擠進銅模型腔，常使吸鑄出的非晶合金試樣呈中空，且均勻性和緻密性均較差。

發明內容
本發明的目的在於考慮上述問題而提供一種使製備出的非晶合金樣品填充效果好、合金均勻緻密，不會出現中空現象的用於製備大塊非晶合金的銅模。本發明的另一目的在於提供一種操作簡單，方便實用是銅模的製作方法。本發明的技術方案是本發明的用於製備大塊非晶合金的銅模，包括有熔煉凹腔、吸鑄口、銅模、型腔，其中銅模的一端設有熔煉凹腔，熔煉凹腔上設有吸鑄口，銅模的幾何中心設有型腔。上述吸鑄口設置在熔煉凹腔的端部。上述吸鑄口為火山口狀吸鑄口。上述銅模的端部設有螺孔，螺孔與型腔相通，螺孔上裝設有防止吸鑄合金熔體流出型腔的螺釘。本發明銅模的製備方法，包括如下步驟
1)將紫銅圓柱按非自耗真空電弧爐水冷銅模腔尺寸及螺紋特徵加工出外側設有外螺紋的銅模的初胚，以及加工出銅模兩端的連接螺紋，並加工與連接螺紋配合的螺母；
2)將銅模的初胚沿縱向軸心線切割成對稱的兩塊銅模；3)用螺母將對稱的兩塊銅模固定在一起，在銅模的一端沿軸心加工螺孔，螺釘擰固在螺孔上；在銅模的另一端加工熔煉凹腔，且在熔煉凹腔的軸心位置做出吸鑄口 ；
4)將固定銅模的螺母擰下，分開兩塊銅模，在銅模所設螺孔的端部與所設吸鑄口的端部之間沿軸心方向加工型腔；
5)使用時用螺母將對稱的兩塊銅模固定在一起即可。本發明銅模在傳統水冷銅模基礎上在熔煉合金用凹球坩堝狀熔煉凹腔底部預留銅料加工「火山口」狀吸鑄口，該火山口狀吸鑄口呈凸出的錐形吸口，傳統銅模真空吸鑄法製備大塊非晶合金時，熔融合金在水冷銅模上端部熔煉凹腔中翻騰滾動，吸鑄時因吸鑄口頂部連接熔煉凹腔底部，易造成爐體內保護性氣體在負壓下順勢沿合金頂部隨吸鑄過程快速擠進銅模型腔，常使吸鑄出的合金呈中空，且均勻性和緻密性差；本發明的水冷銅模熔煉凹腔內吸鑄口，如同吸管插入熔融合金，吸鑄時合金周圍張力均勻，合金優先於保護性氣體填充銅模型腔，吸鑄出的非晶合金均勻緻密，無中空現象出現。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法。


圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式實施例
本發明的結構示意圖如圖1所示，本發明的用於製備大塊非晶合金的銅模，包括有熔煉凹腔1、吸鑄口 2、銅模3、型腔5，其中銅模3的一端設有熔煉凹腔1，熔煉凹腔I上設有吸鑄口 2，銅模3的幾何中心設有型腔5。上述吸鑄口 2設置在熔煉凹腔I的端部。本實施例中，吸鑄口 2設置在熔煉凹腔I的端部的最低位置上。上述吸鑄口 2為火山口狀吸鑄口。本發明水冷銅模在傳統水冷銅模基礎上在熔煉合金用凹球坩堝狀熔煉凹腔I底部預留銅料加工「火山口」狀吸鑄口 2，火山口狀吸鑄口呈凸出的錐形吸口，錐形吸鑄口的內徑依銅模型腔大小在l_2mm範圍變動；傳統銅模真空吸鑄法製備大塊非晶合金時，熔融合金在熔煉凹腔中翻騰滾動，吸鑄時因吸鑄口頂部連接熔煉腔底部，易造成爐體內保護性氣體在負壓下順勢沿合金頂部隨吸鑄過程快速擠進銅模型腔，常使吸鑄出的合金呈中空，且均勻性和緻密性差；本發明的水冷銅模熔煉凹腔內吸鑄口，如同吸管插入熔融合金，吸鑄時合金周圍張力均勻，合金優先於保護性氣體填充銅模型腔，能杜絕製備的非晶合金試樣中空或空洞的缺陷。本實施例中，上述銅模3的外側設有外螺紋4，外螺紋4呈等腰梯形螺紋。本實施例中，上述銅模3包括有完全對稱的兩半塊銅模，兩半塊銅模的兩端還分別設有連接螺紋6，螺母7擰固在連接螺紋6上將兩半塊銅模固定在一起。本實施例中，上述螺母7為圓柱狀螺母。此外，上述銅模3的端部設有螺孔8，螺孔8與型腔5相通，螺孔8上裝設有防止吸鑄合金熔體流出型腔5的螺釘9。本發明銅模的製備方法，包括如下步驟1)將紫銅圓柱按非自耗真空電弧爐水冷銅模腔尺寸及螺紋特徵加工出外側設有螺紋4的銅模3的初胚，以及加工出銅模3兩端的螺紋6，並加工與螺紋6配合的螺母7 ；
2)將銅模3的初胚沿縱向軸心線切割成對稱的兩塊銅模；
3)用螺母7將對稱的兩塊銅模固定在一起，在銅模3的一端沿軸心加工一定長度的螺孔8，螺釘9擰固在螺孔8上；在銅模3的另一端加工熔煉凹腔1，且在熔煉凹腔(I)的軸心位置做出吸鑄口 2 ；
4)將固定銅模3的螺母7擰下，分開兩塊銅模，在銅模3所設螺孔8的端部與所設吸鑄口 2的端部之間沿軸心方向加工型腔5 ；
5)使用時用螺母7將對稱的兩塊銅模固定在一起即可。本實施例中，上述銅模3由紫銅圓柱機加工製備而成。本發明具體實施例如下
實施例子1:
1.將純度為99.8%的Zr、純度為99. 5%的Cu、純度為99. 98%的Ni和純度為99. 5%的Al按Zr55Cu3ciNi5Alltl名義成分進行配料，置於電弧爐中；
2.對電弧爐抽真空，當達到3XKT3Pa的真空度後充入氬氣至一個大氣壓，在氬氣的保護下先熔鈦吸殘餘氧，再熔煉合金3飛次成母合金；
3.根據製備樣品形狀、大小，計算所需母合金理論質量，然後把母合金破碎，稱量相應質量的母合金碎塊，將其移至本發明水冷銅模上端部凹球坩堝狀熔煉凹腔；
4.啟動電弧將熔煉凹腔中母合金碎塊熔化成液體，關閉電弧電源瞬間，打開吸鑄閥，利用壓力差由熔煉凹腔中的「火山口 」狀吸鑄口將合金液吸入銅模內的型腔中；
5.冷卻數分鐘後，取出銅模，擰開兩端螺母，將銅模兩部分分開，取出製備的各種形狀Zr55Cu30Ni5Al10大塊非晶合金試樣；得到非晶合金樣品填充效果好、合金均勻緻密，均未出現中空現象。實施例子2
1.將純度為99.0%的Fe，99. 5%的Y、Cr, 99. 9%的Mo，99. 0%的石墨和Fe-B中間合金(B為17. 0wt%)按Fe48Cr15Mo14C15B6Y2名義成分進行配料，置於電弧爐中；
2.對電弧爐抽真空，當達到3XKT3Pa的真空度後充入氬氣至一個大氣壓，在氬氣的保護下先熔鈦吸殘餘氧，再熔煉合金3飛次成母合金；
3.根據製備樣品形狀、大小，計算所需母合金理論質量，然後把母合金破碎，稱量相應質量的母合金碎塊，將其移至本發明水冷銅模上端部凹球坩堝狀熔煉凹腔；
4.啟動電弧將熔煉凹腔中母合金碎塊熔化成液體，關閉電弧電源瞬間，打開吸鑄閥，利用壓力差由熔煉凹腔中的「火山口 」狀吸鑄口將合金液吸入銅模內的型腔中；
5.冷卻數分鐘後，取出銅模，擰開兩端螺母，將銅模兩部分分開，取出製備的各種形狀Fe48Cr15Mo14C15B6Y2大塊非晶合金試樣；得到非晶合金樣品填充效果好、合金均勻緻密，均未出現中空現象。實施例子3
1.將純度為99. 5% 的 Cu，99. 8% 的 Zr，99. 0% 的 Ti，99. 9% 的 Mo 等原料，按 Cu58Zr30Ti10Mo2名義成分進行配料，置於電弧爐中；
2.對電弧爐抽真空，當達到3XKT3Pa的真空度後充入氬氣至一個大氣壓，在氬氣的保護下先熔鈦吸殘餘氧，再熔煉合金3飛次成母合金；
3.根據製備樣品形狀、大小，計算所需母合金理論質量，然後把母合金破碎，稱量相應質量的母合金碎塊，將其移至本發明水冷銅模上端部凹球坩堝狀熔煉凹腔；
4.啟動電弧將熔煉凹腔中母合金碎塊熔化成液體，關閉電弧電源瞬間，打開吸鑄閥，利用壓力差由熔煉凹腔中的「火山口 」狀吸鑄口將合金液吸入銅模內的型腔中；
5.冷卻數分鐘後，取出銅模，擰開兩端螺母，將銅模兩部分分開，取出製備的各種形狀Cu58Zr30Ti10Mo2大塊非晶合金試樣；得到非晶合金樣品填充效果好、合金均勻緻密，均未出現中空現象。
權利要求
1.一種用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於包括有熔煉凹腔(I)、吸鑄口(2)、銅模(3)、型腔(5)，其中銅模(3)的一端設有熔煉凹腔(1)，熔煉凹腔(I)上設有吸鑄口(2)，銅模(3)的幾何中心設有型腔(5)。
2.根據權利要求1所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述吸鑄口(2)設置在熔煉凹腔(I)的端部。
3.根據權利要求1所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述吸鑄口(2)為火山口狀吸鑄口。
4.根據權利要求1所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述火山口狀吸鑄口呈凸出的錐形吸口。
5.根據權利要求1所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述銅模(3)的外側設有外螺紋(4)，外螺紋(4)呈等腰梯形螺紋。
6.根據權利要求1至5任一項所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述銅模(3)包括有完全對稱的兩半塊銅模，兩半塊銅模的兩端還分別設有連接螺紋(6)，螺母(7)擰固在連接螺紋(6)上將兩半塊銅模固定在一起。
7.根據權利要求6所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述螺母(7)為圓柱狀螺母。
8.根據權利要求6所述的用於製備大塊非晶合金的銅模，其特徵在於上述銅模(3)的端部設有螺孔(8)，螺孔(8)與型腔(5)相通，螺孔(8)上裝設有防止吸鑄合金熔體流出型腔(5)的螺釘(9)。
9.一種銅模的製備方法，其特徵在於包括如下步驟 1)將紫銅圓柱按非自耗真空電弧爐水冷銅模腔尺寸及螺紋特徵加工出外側設有外螺紋(4)的銅模(3)的初胚，以及加工出銅模(3)兩端的連接螺紋(6)，並加工與連接螺紋(6)配合的螺母(7); 2)將銅模(3)的初胚沿縱向軸心線切割成對稱的兩塊銅模； 3)用螺母(7)將對稱的兩塊銅模固定在一起，在銅模(3)的一端沿軸心加工螺孔(8)，螺釘(9)擰固在螺孔(8)上；在銅模(3)的另一端加工熔煉凹腔(1)，且在熔煉凹腔(I)的軸心位置做出吸鑄口(2)； 4)將固定銅模(3)的螺母(7)擰下，分開兩塊銅模，在銅模(3)所設螺孔(8)的端部與所設吸鑄口(2)的端部之間沿軸心方向加工型腔(5)； 5)使用時用螺母(7)將對稱的兩塊銅模固定在一起即可。
10.根據權利要求1所述的銅模的製備方法，其特徵在於上述銅模(3)由紫銅圓柱機加工製備而成。
全文摘要
本發明是一種用於製備大塊非晶合金的銅模及銅模的製備方法。包括熔煉凹腔、吸鑄口、銅模、型腔，銅模的一端設有熔煉凹腔，熔煉凹腔上設有吸鑄口，銅模的幾何中心設有型腔。上述吸鑄口設置在熔煉凹腔的端部。傳統銅模真空吸鑄法製備大塊非晶合金時，熔融合金在水冷銅模上端部熔煉凹腔中翻騰滾動，吸鑄時因吸鑄口頂部連接熔煉凹腔底部，易造成爐體內保護性氣體在負壓下順勢沿合金頂部隨吸鑄過程快速擠進銅模型腔，常使吸鑄出的合金呈中空，且均勻性和緻密性差；本發明在熔煉凹腔底部預留「火山口」狀吸鑄口，如同吸管插入熔融合金，吸鑄時合金周圍張力均勻，合金優先於保護性氣體填充銅模型腔，吸鑄出的非晶合金均勻緻密，無中空現象出現。
文檔編號B22D18/06GK103008614SQ20121055099
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者陶平均, 楊元政, 關光基, 謝致薇, 陳先朝, 關光毅 申請人:廣東工業大學