金屬玻璃熔體的鑄造成形方法及其裝置的製作方法
2023-05-21 06:08:46
專利名稱：金屬玻璃熔體的鑄造成形方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於冶金及金屬材料加工技術領域，具體涉及一種金屬玻璃(非晶態)熔體的鑄造成形方法及其裝置。
背景技術：
金屬玻璃(塊體非晶合金)具有超高的強度、硬度以及優越的抗腐蝕性等性能，在軍事、航空航天和電子等領域具有潛在的廣泛用途，成為當今世界各國在新材料高技術領域裡爭奪的熱點之一。
非晶態簡單來說就是原子在排列上長程無序、短程有序的狀態。非晶態合金的主要特點是原子的三維空間呈拓撲無序狀態的排列；結構上它沒有晶界與堆跺層錯等缺陷存在，但是原子的排列也不象理想氣體那樣的完全無序。非晶態合金是以金屬鍵作為其結構特徵，雖然不存在長程有序，但是在幾個晶格常數範圍內保持短程有序。
塊體非晶態合金(金屬玻璃)的成功製備，特別是過去的十年裡，由於臨界冷卻速率低於100K/s、能製備直徑1cm甚至更大的塊體非晶合金成分的發現引起了人們對非晶態合金的研究和探索廣泛的興趣。近三十年來，隨著科學的不斷進步，已有大量的非晶合金系統被開發出來，比如，Mg基、Zr基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基、Pd-Cu基，等等。這些非晶合金系統中，很多非晶態合金具有優異的特性。由於工藝條件的限制，九十年代以前，幾乎所以的非晶態合金都是通過單輥薄帶技術製備出來的，這種厚度約為幾十個微米量級的薄帶顯然在許多實際的工程中無法應用，這樣的尺寸條件嚴重地限制了非晶態合金更廣泛的應用。
除了金屬玻璃合金成分的設計外，製備方法在非晶態合金的製備中發揮著至關重要的作用。目前大塊非晶主要是通過直接凝固法製備，主要有以下一些方法
(1)金屬型重力鑄造金屬型重力鑄造是將液態金屬通常在保護性氣氛下直接澆入金屬型中，利用金屬型導熱快實現快速冷卻以獲得金屬玻璃。該方法工藝過程比較簡單，也易於操作，但由於金屬型的冷速有限，所能夠製備的金屬玻璃的尺寸也有限。金屬型可以是有水冷和無水冷兩種，水冷的目的主要是為了保證在合金熔化期間，模具不被坩堝加熱而儘可能保持最低溫度。如果沒有水冷，隨著時間的延長，合金的溫度接近於銅型的溫度，而有水冷的銅型的溫度低一些，沒有水冷的溫度高一些，水冷銅型在稍後的一段時間裡將具有稍快的冷卻速度。型腔的形狀則根據需要可以是楔形、階梯形、圓柱形或片狀等；金屬型的體積應該足夠大，以保證在短暫的熔體充型時間內提供足夠的吸熱源。但這種方法充型時無外力的作用，有薄壁時充型困難的缺點。
(2)低壓鑄造即傳統的銅模吹鑄法。簡單來說低壓鑄造就是當石英管中合金熔化後，在管上端通過惰性氣體加壓，將合金射入模具冷卻成形的方法。1991年日本東北大學的Inoue等(Inoue，A.Kato，A，Zhang，T，Mg-Cu-Y amorphousalloys with high mechanical strengths produced by a metallic moldcasting method，Materials Transactions，JIM，v 32，n 7，Jul，1991，p 609-616)通過低壓鑄造——射流成形/銅模冷卻製備了直徑為4mm的Mg65Cu25Y10的非晶棒材，採用同樣方法製備的Mg80Cu10Y10非晶合金在室溫下試驗測得的σp為822Mpa，而且隨著溫度的升高直到350K時σp沒有明顯的變化。這也是人們第一次通過傳統鑄造方法製備出了mm級的金屬玻璃。但本方法的缺點是通常石英管中熔化的金屬量有限，難以製備較長或較大的零件。
(3)高壓鑄造高壓壓鑄設備主要由熔煉母合金的缸套與活塞、施加高壓的水壓機、耐高壓的鑄造銅型、能夠在澆注之前迅速除去坩堝和銅型中氣體的抽氣系統等組成(Inoue A，Nakamura T，et al.Mg-Cu-Y bulk amorphous alloyswith high tensile strength produced by a high-pressure die castingmethod.Mater Trans JIM，1992，33(10)937)。缸套與活塞由耐熱工具鋼(SKD61)製成。在氬氣氛保護下，母合金在帶有高頻感應線圈的缸套內熔煉，通過水壓推動活塞，將熔融的金屬快速推入到銅型中。該設備具有如下特點①熔體在幾ms之內完全充入鑄型，這將導致更高的冷卻速率和更加明顯的淬火效果；②高壓將導致熔體與鑄型更緊密的接觸，因而使熔體與鑄型之間的導熱因子增加並加速熱流的傳出，從而提高了冷卻速率；③由於凝固收縮引起的疏鬆等鑄造缺陷將減少；④即使對於高粘性的熔體，也能夠由液體直接成形出複雜形狀的鑄件，這應該是製備近淨形金屬玻璃的一種好方法。但是壓鑄最容易形成氣孔缺陷，實際的檢測證實，試樣從心部到表面的整個斷面上都均勻地分布著大小為5～40μm的氣孔，估計氣孔率達到17％，且與試樣的直徑或者說與試樣的冷速無關。
(4)擠壓鑄造擠壓鑄造就是先將鎂基合金放入坩堝中熔煉，然後利用水壓底注將熔體壓入模具型腔；待熔體完全填滿型腔後，在密閉的鑄型內加壓並保持一定時間，直到金屬完全凝固。擠壓鑄造過程中，高壓的作用使整個凝固期內液態金屬與模具型壁之間更加緊密地接觸，因而能增強合金與模具的傳熱，同時壓力的應用還能夠有效地避免氣孔和收縮等鑄造缺陷。2000年，Kang，Hyung Gu等(Kang H G，Park E S，et al.Fabrication of bulkMg-Cu-Ag-Y glassy alloy by squeeze casting.Mater Trans JIM，2000，41(7)846)在Mg65Cu25Ag10基礎上用Y部分替代Cu利用擠壓鑄造的方法製備出了dmax達10mm的Mg65Cu15Y10Ag10的金屬玻璃，同時作者還用注射成形的方法製備出了直徑達6mm的Mg65Cu15Y10Ag10金屬玻璃。本方法的不足之處是對設備的要求高，設備投資大。
大塊非晶具有非凡的性能，在很多領域都能夠得到應用。但是當前製備大塊非晶合金的樣品多為圓棒或者薄板，還需要後續的加工過程才能成為零件，但是非晶加工都具有工藝複雜和成本高的特點。更為嚴重的是，如果工藝控制不嚴，很容易使非晶薄板發生晶化，從而使得非晶零件報廢。後續加工工藝的狀況是很難改變的，唯一可行的就是設法省去加工的工序。這就提出了非晶產品的一次性成形問題。如何開發新的技術和新的設備而一次性的直接生產出非晶產品，突破這個難題對於塊體非晶合金的商業化、工業化具有重要的意義。
綜上所述，目前世界上塊體金屬玻璃的成形方法大多是為了製備試樣而採用了傳統的成形方法，由於大多需要成形速度快，通過吹鑄或高速壓鑄的方法，製備的試樣容易產生氣孔等缺陷。因此，迫切需要開發新的充型能力強而又充型質量高的成形方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種金屬玻璃熔體的鑄造成形方法，該方法可達到直接成形出金屬玻璃零件的目的，獲得零件內部無氣孔的高質量的材料，實現淨終形成形。
本發明提供的一種金屬玻璃熔體的鑄造成形方法，其步驟為(1)根據金屬玻璃的化學成分要求配製合金，將合金加入熔化爐熔化；(2)調節金屬玻璃熔體的溫度到要求的澆注溫度；(3)當金屬玻璃熔體的溫度到達澆注溫度時，抽取模具內的氣體，使其產生負壓度為5kPa～15kPa的負壓，吸引熔化爐內坩堝中的金屬玻璃熔體進入模具型腔內，成形為零件。
作為本發明方法的改進，在步驟(3)抽取模具內氣體時，向熔化爐的坩堝內通入保護氣體，該氣體壓力為10kPa～20kPa。
實現上述方法的裝置，其結構為帶密封蓋的坩堝位於熔化爐內，坩堝與模具之間通過吸引管相通，負壓發生器通過連接管道與模具的上端相連，模具與負壓發生器的連接管道上依次安裝有控制閥、壓力測量裝置和負壓穩定裝置。
作為本發明裝置的改進，保護氣體管道的一端與坩堝相連，另一端與保護氣源相連，其連接管上設有流量壓力調節器和調節閥。
由於傳統的銅模吹鑄法在石英管內熔化，熔化量很小，只能製備很小的試樣。採用本發明的方法後，可以利用較大的坩堝，可以一次熔化較多量的金屬，可以製備較大的零件，也可以反覆進行吸引澆注成形，大大提高了生產效率。本發明方法的充填能力很好，在沒有差壓的情況下，即僅僅是負壓吸引澆注成形法，已實現的零件最小壁厚為2mm。在輔助差壓的情況下，充填的零件壁厚可以更小。本發明的裝置實現了金屬玻璃熔體的負壓及差壓充型過程，能夠成形壁厚從1mm～50mm厚的金屬玻璃零件，壓力調節範圍大，負壓度(真空度)可達5kPa；氣體的正壓可達20kPa。該裝置操作簡單，控制方便。
圖1為金屬玻璃熔體的鑄造成形裝置的結構示意圖；圖2為負壓吸引澆注成形的直徑3mm的Mg-Cu-Y金屬玻璃棒；圖3為Mg65Cu25Y10金屬玻璃的光學顯微鏡照片。
具體實施例方式
本發明方法也稱之為負壓吸引澆注成形法，其工藝過程為(1)根據金屬玻璃的化學成分要求配製合金，將合金加入熔化爐熔化。本發明方法適用於製備現有的各種化學成分的金屬玻璃，包括鎂基金屬玻璃、鋁基金屬玻璃和鐵基金屬玻璃等，如Mg-Cu-Y、Al-Ni-Y-Co或Fe-Ga-B等。在製備易氧化的金屬玻璃時，加料時向熔化爐內的坩堝中通入保護氣體(如氮氣或氬氣等惰性氣體)保護，以防止其氧化。
(2)調節金屬玻璃熔體的溫度到要求的澆注溫度。溫度過高，則澆注後致使冷卻速度降低，難以形成大塊非晶材料；溫度過低時又會存在熔體充型困難的問題。
(3)當金屬玻璃熔體的溫度到達澆注溫度時，抽取模具內的氣體，使其產生負壓，負壓度(真空度)的大小範圍為5kPa～15kPa，吸引熔化爐內坩堝中的金屬玻璃熔體進入模具型腔內，成形為零件。
為進一步提高金屬玻璃熔體的充型能力，使其能夠充填薄壁、複雜的型腔，可以在抽取氣體產生負壓的同時，向熔化爐的坩堝內通入保護氣體，向其金屬玻璃熔體液面施加氣體壓力，該氣體壓力為10kPa～20kPa。在製備易氧化的金屬玻璃時，只需在成形時將通入的保護氣體壓力調節至10kPa～20kPa即可。這種方法也稱之為負壓一差壓成形法。
實現上述方法的裝置如圖1所示，它包括熔化爐1、帶密封蓋的坩堝2、模具3、控制閥6、壓力測量裝置7、負壓穩定裝置8和負壓發生器5。坩堝2與模具3之間通過吸引管4相通，負壓發生器5通過連接管道與模具3的上端相連，模具3與負壓發生器5的連接管上依次安裝有控制閥6、壓力測量裝置7和負壓穩定裝置8。各部件之間的連接應保持良好的氣密性。
熔化爐1可以是電阻熔化爐(如製備鎂基、鋁基金屬玻璃時用)，也可以是感應熔化爐(如製備鐵基金屬玻璃時用)。金屬玻璃材料熔化後，通過熔化爐1上的溫度調節及控制裝置PID調節金屬玻璃熔體的溫度到要求的澆注溫度。吸引管4採用耐高溫的材料製作。為提高冷卻速度，模具3最好採用高純度的紫銅製作，該模具氣密性好，不漏氣。負壓發生器5可選用帶控制閥的真空泵，負壓穩定裝置8可選用數個(如2～4個)串聯而成的真空罐體。
負壓發生器產生負壓，在澆注之前的準備期間抽真空使負壓穩定裝置8產生一定的真空度。澆注開始時，開啟控制閥6，負壓發生器5通過連接管道對模具3抽取真空，產生負壓，對下部的位於熔化爐內的金屬玻璃熔體產生吸引作用。金屬玻璃熔體通過吸引管4上升進入模具3內，充填型腔。型腔充填完成時，關閉負壓發生器5和控制閥6，停止負壓吸引功能。待溫度降低後，打開模具，即可取出成形好的零件或試樣。
當零件形狀十分複雜或壁很薄從而導致充型非常困難的情況時，上述裝置與保護氣體裝置聯合使用，可實現負壓-差壓鑄造成形即在上述負壓成形的基礎上，在澆注時通過保護氣體裝置向坩堝內的金屬玻璃熔體的表面施加氣體正壓，將金屬玻璃熔體向下壓，促進金屬玻璃熔體通過吸引管4進入模具3，輔助負壓充型過程，即構成所謂負壓-差壓成形。
保護氣體裝置的結構為保護氣體管道9的一端與帶密封蓋的坩堝2相連，其另一端與保護氣源12相連，其連接管上設有流量壓力調節器10和調節閥11。該保護氣體裝置既可以用於上述負壓-差壓成形過程，也可以用於製備易氧化的金屬玻璃時通入保護氣體，以防止其氧化。
實例1在電阻爐內熔化鎂基金屬玻璃材料，成分為Mg65Cu25Y10。在Ar氣保護下熔化，通過PID調節控制金屬玻璃熔體的澆注溫度在580～700℃之間。紫銅模具的試樣直徑為3mm。利用負壓吸引澆注成形法成形，首先通過控制閥6、壓力測量裝置7和負壓穩定裝置8，負壓發生器5控制裝置的負壓度(真空度)為8kPa。將模具與下端的吸引管及上端的管道連接裝置連接好。澆注時，將吸引管插入金屬熔體內，開啟控制閥，坩堝內的金屬玻璃熔體在負壓的作用下，通過吸引管上升進入紫銅模具的型腔內。鑄型充滿，關閉控制閥，提起紫銅模具及吸引管離開坩堝。卸下吸引管，並將紫銅模具與連接管道分離。打開模具，取出零件，從而完成了整個澆注充型過程。重複上述過程，可進行下一次澆注成形。圖2是利用負壓吸引澆注成形法製備出的直徑3mm的Mg-Cu-Y金屬玻璃棒，最大長度可以達到200mm以上。圖3是Mg-Cu-Y金屬玻璃的金相組織，圖中看不到晶粒組織結構，熱分析(DSC分析)及X射線衍射表明為金屬玻璃。
實例2在電阻爐內熔化鋁基金屬玻璃材料，成分為Al85Ni5Y8Co2。在Ar氣保護下熔化，通過PID調節控制金屬玻璃熔體的澆注溫度在700～750℃之間。紫銅模具的零件為平均厚度為2mm的板狀零件。利用負壓吸引澆注成形法成形，首先通過控制閥6、壓力測量裝置7和負壓穩定裝置8，負壓發生器5控制裝置的負壓度(真空度)為10kPa。澆注時，將吸引管插入金屬熔體內，開啟控制閥，坩堝內的金屬玻璃熔體在負壓的作用下，通過吸引管上升進入紫銅模具的型腔內。鑄型充滿，關閉控制閥，提起紫銅模具及吸引管離開坩堝。卸下吸引管，並將紫銅模具與連接管道分離。打開模具，取出零件，從而完成了整個澆注充型過程。重複上述過程，可進行下一次澆注成形。
實例3在電阻爐內熔化鎂基金屬玻璃材料，成分為Mg75Ni15Nd10。在Ar氣保護下熔化，通過PID調節控制金屬玻璃熔體的澆注溫度在650～750℃之間。紫銅模具的零件型腔為平均壁厚2mm的薄板。利用負壓-差壓成形法成形，首先通過控制閥6、壓力測量裝置7和負壓穩定裝置8，負壓發生器5控制裝置的負壓度(真空度)為5kPa。將模具與下端的吸引管及上端的連接管道連接好。澆注時，將吸引管插入金屬熔體內，利用保護氣體裝置及流量壓力控制器控制坩堝內金屬玻璃熔體液面的氣體壓力為10kPa。開啟控制閥，坩堝內的金屬玻璃熔體在負壓及液面氣壓的雙重作用下，通過吸引管上升進入紫銅模具的型腔內。鑄型充滿，關閉控制閥，提起紫銅模具及吸引管離開坩堝。卸下吸引管，並將紫銅模具與連接管道分離。打開模具，取出零件，從而完成了整個澆注充型過程。重複上述過程，可進行下一次澆注成形。
權利要求
1.一種金屬玻璃熔體的鑄造成形方法，其步驟為(1)根據金屬玻璃的化學成分要求配製合金，將合金加入熔化爐熔化；(2)調節金屬玻璃熔體的溫度到要求的澆注溫度；(3)當金屬玻璃熔體的溫度到達澆注溫度時，抽取模具內的氣體，使其產生負壓度為5kPa～15kPa的負壓，吸引熔化爐內坩堝中的金屬玻璃熔體進入模具型腔內，成形為零件。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在步驟(1)進行加料時，向熔化爐內的坩堝中通入保護氣體。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在步驟(3)抽取模具內氣體時，向熔化爐的坩堝內通入保護氣體，該氣體壓力為10kPa～20kPa。
4.一種金屬玻璃熔體的鑄造成形裝置，其特徵在於帶密封蓋的坩堝(2)位於熔化爐(1)內，坩堝(2)與模具(3)之間通過吸引管(4)相通，負壓發生器(5)通過連接管道與模具(3)的上端相連，模具(3)與負壓發生器(5)的連接管道上依次安裝有控制閥(6)、壓力測量裝置(7)和負壓穩定裝置(8)。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於保護氣體管道(9)的一端與坩堝(2)相連，另一端與保護氣源(12)相連，其連接管上設有流量壓力調節器(10)和調節閥(11)。
全文摘要
本發明公開了一種金屬玻璃熔體的鑄造成形方法和裝置。該方法為先將合金加入熔化爐熔化，再調節其溫度，當到達澆注溫度時，抽取模具內的氣體，使其產生5～15KPa負壓，吸引金屬玻璃熔體進入模具型腔內，成形為零件。其裝置為位於熔化爐內的坩堝與模具之間通過吸引管相通，負壓發生器通過連接管道與模具的上端相連，該連接管道上依次安裝有控制閥、壓力測量裝置和負壓穩定裝置。本方法還可向熔體表面施加氣體壓力，進一步促進金屬玻璃熔體的充型過程。本方法製備的金屬玻璃材料內在質量高，無氣孔等缺陷；充型能力強，可製造出最小壁厚為2mm的零件，克服了金屬玻璃熔體流動性差、充型困難的問題。本裝置設備簡單，操作簡便、快速。
文檔編號B22D18/06GK1803342SQ20051002001
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月16日 優先權日2005年12月16日
發明者吳樹森, 毛有武, 萬裡, 羅吉榮, 劉偉 申請人:華中科技大學