CN101164722A - 一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非晶合金工件的制备加工方法，具体为一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法。本发明方法是把合金母料加热熔化后注入可溃型模具中，待熔融合金冷却后形成非晶态合金，模具溃型后对试件进行简单的清理即可获得所需工件。本发明方法突破了传统非晶合金工件制备工艺中难以获得复杂模具的约束，可利用可溃型模具通过铸造的方法制备出任何复杂形状的临界厚度在一定范围内的非晶合金工件。本方法制备工艺简单，操作流程短，可制备获得的工件形状复杂多样，从而实现了复杂非晶合金工件的制备、加工，净成形一体化技术。

Description

一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法

技术领域

本发明涉及非晶合金工件制备方法，具体为一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法。

背景技术

非晶合金(也称为金属玻璃)是一类原子排列具有长程无序短程有序结构特征的金属合金的总称，其具有特殊的物理化学性质。人们一直希望利用非晶合金良好的过冷液态流动性、出色的表面复写和填充能力以及其准连续凝固特征来实现高性能工件的制备加工净成形一体化方法。该方法体现了现代制造技术所追求的快速、节能及环保的特性，被认为是一种有利于解决能源与环境问题的新型技术。

然而，非晶合金的制备形成过程中需要快速冷却的方法来使之形成非晶态。在上世纪60年代，美国科学家Duwez首次采用枪法制备出AuSi的非晶态合金，而当时的小片状非晶合金至少一维尺寸小于50um，而且性质很不稳定。随后Chen H S及其他研究者逐渐改善快速凝固工艺，创造了以铜板或铜辊做冷却介质的熔体旋淬急冷技术(MeltingSpinning Technique)，从而非晶合金可以制备成薄带、丝等连续的形状，但其至少一维尺寸还是限制在微米级。上世纪80年代末，张涛及其合作者采用金属型铸造工艺成功制备出毫米级非晶合金棒、板以及一些形状比较简单的非晶合金试样。这一发现迅速带动了全世界对于非晶合金的研究，在此后近20年中，一批具有更高非晶形成能力、出色性能的非晶合金被逐一发现。

由于采用加工定型金属模作为非晶合金制备的模具，必然会造成很多具有复杂形状工件的模具无法或者很难被加工制造出来；加之非晶合金材料的机械加工性能较差，从而使得获得精密复杂非晶合金工件的想法愈加难以实现。虽然利用其它的制备方法如高压铸造、吸铸、粉末压实等来增加或改善非晶合金的铸造性能，但仍然无法从根本上摆脱金属定型模具无法获得复杂形状工件的瓶颈束缚，从而无法在更为广阔的生产实际中将非晶合金得以应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶合金工件制备加工净成形一体化技术，通过该技术可以制备出满足非晶合金临界尺寸范围内的各种形状的非晶合金工件，不但能够快速的获得高性能复杂非晶合金工件而且节能。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法，包括如下步骤：非晶母合金熔化、注模、冷却、取工件、清理工件、热处理，其特征在于模具为可溃型模具，在符合非晶合金工件金相组织要求范围之内，工件成形为近无余量精确成形。其中：非晶合金工件的金相组织可能是完全非晶态、非晶与晶态组成的复合态以及合金连同铸型一起进行热处理(晶化处理)而获得的完全纳米晶态。

熔融态母合金注模后可立即通过模具及外界环境冷却而凝固，形成固态合金，也可在注入模具型腔后保持熔融态。熔融合金在注模过程中因在型腔中流动以及快速冷却凝固可能会造成卷气、夹杂、冷隔以及充型不完整等铸造缺陷，注模后保持熔融态有利于合金中气体上浮排除以及其他铸造缺陷的消除。

本发明采用可溃型材料作为注入模具的制备材料，造型材料为碎屑状或粉体，具体为砂、石膏、玻璃、金属或合金的粉体、有机高分子材料、复合材料粉体中的一种或多种的组合；造型材料为碎屑状或粉体，经过造型得到符合工件形状要求及铸造要求的铸型。采用普通型砂、树脂砂作为造型材料时，即可选用传统造型工艺来制造铸型。石膏粉、金属及合金粉体以及玻璃屑或粉等铸型制备可采用粉体粘结、压实等方法得到。把造型材料的粉体或碎屑利用粘结剂粘结，根据不同造型方法制备出铸型。待铸造过程完成后，将铸型浸泡在粘结剂的溶剂中，利用超声波来破碎铸型，取出工件。总的来讲，需要制备得到的铸型首先满足工件各种要求，如尺寸、形状、表面光洁度等，另外需适合相应的铸造工艺。最为重要的是铸型在金属熔体注入冷却之后，能够以溃散形式取出铸件，并保证铸件的完好。根据不同的工件的临界尺寸和不同合金的临界冷却速度，采用不同的造型材料。例如采用铜粉结合树脂造型，可大大提高对熔融合金的冷却速度，有利于制备大尺寸的非晶合金工件；而采用石膏作为造型材料，可结合不同的造型工艺，更为便利地制备出各种形状的非晶合金工件。

为达到工件的近无余量成形，可以通过以下方法的一种和多种的组合来改善：提高熔体注入温度、提高模具初始温度、改变模具造型和浇注系统。为增加合金工件尺寸且使之满足合金工件铸造组织要求，可以是以下方法的一种或多种的组合：改变熔体注入温度、改变模具材质、降低模具初始温度、增强模具外界环境冷却能力、改变造型工艺、改变浇注系统。

熔融母合金注入模具型腔的方法即铸造方法包括浇铸、喷铸、高压铸造、低压铸造、离心铸造、熔模铸造、消失模铸造，具体可能为以上方法的一种或多种的组合。根据实际生产条件和工件需要，可采用不同的铸造方法。例如采用普通的浇注法具有方便易行，对模具要求低等优点；而采用高压铸造和低压铸造法则有利于合金的精确充型，更适合合金工件的净成形制备；采用离心铸造和熔模铸造法则适合形状极为复杂工件的生产。

熔融母合金经模具本身及模具外界环境冷却，具体为下列方法的一种或多种组合：熔融母合金与未经冷却的模具传导热量而冷却；熔融母合金与经冷却介质或方法冷却后的模具传导热量而冷却；熔融母合金经由模具与模具外界环境传导热量而冷却。具体来讲，当熔融合金注入型腔后，由于与型腔存在温度差，熔融合金的热量会主要通过传导的方式由铸型或由铸型及铸型外界环境而散失。通过改变铸型的材质、铸型初始温度、铸型外界介质及其温度来改变合金注入铸型后的热量传递过程和结果。例如利用铜粉粘结来制备铸型，在铸造前降低铸型温度低于室温，铸造过程结束后水淬，则有利于提高熔融合金的冷却速度。铸型外界冷却介质可以是低温且热传导良好的如金属固体包覆物或接触物，也可以是低温且流动或热传导良好的气体或液体，也可以是以上情况的组合。

模具造型可以是单件、多件、叠箱造型其中的一种或多种的组合，其浇注方式可以是顶浇式、底浇式、中间浇注式、多级浇注式中的一种或多种的组合。采取多箱或叠箱造型具有减少浇注次数，节约浇注系统的合金，节约工时等优点，采用单件造型则有利于熔融合金的冷却和铸型造型。类似的，采取不同的浇注系统则对铸造过程会有不同的影响：采用传统的顶浇式浇注系统具有开型简单，合金流动性好等优点，而采用底浇式则具有工件铸造缺陷少，充型精确等优点。

利用此方法制备的非晶合金工件晶化处理的过程可简化为：合金铸造完成后，连同铸型一起从炉中取出，放置于加热炉中进行热处理使之晶化。此过程可在空气气氛中进行，不需真空或惰性气氛保护。

本发明的优点是：

采用可溃型模具制备非晶合金工件，解决了长期以来非晶合金无法制备结构复杂件的困扰，结合传统的铸造工艺，可制备出任何形状的尺寸在一定范围内的非晶合金铸件。

结合非晶合金良好的液态流动性，实现了非晶合金工件的制备加工净成形一体化。采用本方法制备非晶合金工件省掉了传统工艺中铸造后的机械加工、热处理等繁多的加工过程，减少了大量的工序，节约了大量人力物力和时间。

合金热处理过程不需真空或惰性气氛保护，大大简化了热处理工艺，节约了生产成本，有利于大批量生产。

本发明利用常见廉价的造型材料结合业已成熟的铸造工艺制备非晶合金工件，节约了大量的成本，降低了生产的技术、资金门槛，特别有利于非晶合金的推广应用，极大地扩大了非晶合金的应用范围，使具有出色性能的非晶合金得到了更为广阔的应用方向以及无法预知的优异效果。

附图说明

图1为实施例1中用本发明制备的具有复杂形状的非晶合金饰品实物图。

具体实施方式

实施例1

镧基合金利用真空电弧炉熔炼均匀，粗破碎后装入石英管中，利用喷铸法制备非晶合金饰品，采用石膏作为可溃型模具材料，具体步骤如下：

1)把镧基合金装入带有圆形喷嘴的石英管中，把石英管连同母合金装在真空高频感应炉中，把石膏模具按喷射位置放置好，抽真空至5×10^-3帕。

2)待真空到要求水平后，关掉真空设备向炉中充氩气作为熔炼保护气体，待炉内气压接近0.5个大气压时关闭充气装置。

3)打开高频感应电源，待合金完全熔化后在高于合金熔化温度50～80℃保温2～5分钟，关闭感应电源，立刻开启喷铸开关，利用惰性气体氩气的压力把熔融合金经由石英喷嘴和石膏模具浇注口喷射到石膏铸型中。

4)合金在石膏模具中自然冷却到室温后破碎石膏模具取出非晶合金工件，经简单超声波清理掉工件残余石膏，再由首饰抛光机经简单抛光处理即为最终工件。最终工件为完全非晶态合金，经抛光后合金表面光亮，具有美丽的光泽。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

锆基母合金按实施例1中方法熔炼均匀，石膏模具在放入高频感应炉前采用干冰做冷却剂予以预先冷却，石膏模具温度降低到预定值-10℃以下按实施例1方法放置于炉内。母合金熔炼以及喷铸工艺如实施例1，待合金注入石膏模具后迅速从炉中取出石膏模具，进行水淬。其他清理工序如实施例1。本实施例旨在提高合金冷却速度，有利于大体积非晶合金工件的制备。

实施例3

与实施例2不同之处在于：

制备非晶合金弹簧。采用铜粉、屑作为模具造型材料，采用有机树脂粘结剂作为造型材料粘结剂，铜粉与粘结剂质量比例为10∶1。锆基合金熔炼以及铸造、冷却过程如实施例2。铸造过程结束后把铸型放在在有机溶剂丙酮中浸泡20分钟，然后把浸泡的容器放置于超声波发生器中进行超声清理，直至取出完整的非晶合金工件。采用铜粉制备的模具相比较具有更高的热传导速度，有利于非晶合金的形成和制备更大尺寸的非晶合金。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

采用铜基合金作为非晶合金工件制备材料。在喷铸完成后，待合金连同铸型冷却到室温后从炉中取出，其过程如实施例1。然后将铸型整体放置于电阻炉中进行热处理(晶化处理)。待晶化过程结束后如实施例1溃型取出纳米晶合金工件。运用此方法进行晶化处理可在空气气氛中进行，不需真空或惰性气体保护。

实施例5

与实施例2不同之处在于：

铸型采用底浇式浇注系统，即铸型中浇注系统内浇道位于铸型底部。如实施例2加热母合金至熔融态并提高喷铸温度50℃以上，保温5分钟，打开喷铸开关，熔融合金经直浇道到达内浇道后由铸型底部进入工件铸型，以反重力方向流动而填充铸型。此时熔融合金的流动方向与气体排出方向一致，使气体受到熔融合金的挤压而由铸型气孔或冒口出排出铸型。本方法可有效消除合金工件中因铸造而产生的气孔等缺陷。

实施例6

与实施例2不同之处在于：

提高喷铸前铸型的温度，使之高于室温50℃左右，提高喷射压力0.5个大气压，提高合金喷射温度，在熔化温度以上150℃左右进行喷铸。通过改变以上三个因素，使合金的液态流动性更加良好，可提高合金的充填能力，加强了合金对模具细微处的充填、复制效果，更有利于合金工件的制备加工净成形一体化。

实施例7

母合金为Zr-Al-Cu-Ln，将其粗破碎放入石英管中，并将其放入用于浇注的高频感应电炉中。抽真空至5×10^-3pa，充氩气保护。打开高频感应电源对母合金加热至完全熔化，倾斜石英管使熔融合金注入石英模具中，并对石英模具保温，以保证合金保持熔融态。将注有熔融合金的石英模具静置，待合金充分填充铸型并使熔体中气体上浮后将石英模具水淬。取合金工件以及清理过程如实施例1。

Claims (4)

1.一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法，包括如下步骤：非晶母合金熔化、注模、合金冷却、取工件、清理工件、热处理，其特征在于模具为可溃型模具，非晶合金工件的金相组织是完全非晶态、非晶与晶态组成的复合态以及合金连同铸型一起进行热处理而获得的完全纳米晶态中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法，其特征在于：熔融母合金注模后合金在铸型中保持熔融态。

3.根据权利要求1所述的一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法，其特征在于：可溃型模具由以下材料制备：砂、石膏、玻璃、金属或合金的粉体、有机高分子材料、复合材料粉体中的一种或多种的组合，造型材料为碎屑状或粉体。

4.根据权利要求1所述的一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法，其特征在于：影响非晶合金工件的铸造组织为以下方法的一种或多种的组合：改变熔体注入温度、改变模具材质、降低模具初始温度、改变造型工艺、改变浇注系统。

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