CN107671258A - 一种锆基非晶合金薄壁件的真空离心铸造制备方法 - Google Patents

一种锆基非晶合金薄壁件的真空离心铸造制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锆基非晶合金薄壁件的真空离心铸造制备方法，实现真空环境下的非晶合金熔炼与成型一体化，包括将非晶合金原料放入离心铸造机的氧化钇坩埚中，并将坩埚放入到离心铸造机的真空铸臂中；将浇口套置于坩埚和模具之间固定，密闭铸臂后抽真空；加热将各原料短时间快速熔融形成熔体，随后加热体迅速离开坩埚；开启离心铸造机，真空铸臂开始旋转，将熔体快速浇注至模具，待成型凝固后，关闭离心铸造机，卸模将成品取出；本发明采用合理的坩埚、模具、真空度、熔融温度、转速、冷速等具体工艺参数，使得利用离心铸造得到锆基非晶薄壁件。该方法可实现一模制备3～5个铸件，生产效率为每小时40～80个铸件。

Description

一种锆基非晶合金薄壁件的真空离心铸造制备方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，尤其是涉及一种非晶合金薄壁件类的真空离心铸造制备方法。
背景技术
非晶合金具有强度好、硬度高、近终成型等特性。相比于钛合金、不锈钢和陶瓷等材料，非晶合金具有可永久保留应有的弹性，硬度比钛金属高两倍，锋利的东西不会刮伤其表面，而且具有金属色泽、耐腐蚀、不变色、轻巧方便。因此非晶合金可广泛应用于智能穿戴和手机等领域产品。锆基非晶合金系因具有极强非晶形成能力，容易制备出质量优良的块体或薄壁件类产品。然而锆非常活泼，容易吸收氢、氮和氧气，熔融会与空气发生化学反应，因此锆基非晶合金在生产过程中对于原料纯度及真空度要求很高。此外，薄壁零件在制备过程中如何保证质量和精度一直是个难题。常用的薄壁零件制备方法包括模具压铸方式、冲压方式、或者采用传统的车、铣、刨、磨等加工方式，这些工艺较为复杂，且原材料消耗较大，易产生充型缺陷或加工变形问题，不适合用来制备非晶薄壁件产品。本发明利用带有加热体可升降的真空离心铸造设备，将合金熔化、成型快速一次完成，实现了真空环境下锆基非晶合金制备与成型一体化，解决了锆基非晶合金熔融时金属原子会与空气发生化学反应的问题，同时利用离心铸造冷速大，充型能力强特点避免了非晶晶化和充型缺陷问题。该方法升温速度快、成型时间短，制备的非晶薄壁件具有很高的表面质量和精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速、高效率地制备锆基非晶合金薄壁件的真空离心铸造方法，通过可升降的加热装置，实现真空环境下的非晶合金熔炼与成型一体化，利用离心铸造工艺特点，实现模具和铸件的快速冷却，从而获得形状复杂薄壁的锆基非晶合金部件，该方法可实现一模可制备3～5个铸件，生产效率为每小时40～80个铸件。
本发明完整的技术方案包括：
一种快速、高效率的锆基非晶合金薄壁件的真空铸造制备方法，具体包括以下步骤：
(1)投料：将各原料放入离心铸造机的可拆卸坩埚中，并将所述坩埚放入到离心铸造机的真空铸造室中；
(2)装模：将模具安装好并放入铸造室中固定，将浇口套置于坩埚和模具之间固定，密闭铸造室后抽真空；
(3)熔融：加热将各原料熔融形成熔体，随后加热体离开坩埚；
(4)离心浇注：开启离心铸造机，真空铸造室开始旋转，并在1-10s之内达到所需转速，在离心力作用下熔体快速浇注至模具，所述的冷却速度为1-100K/s，待成型凝固后，关闭离心铸造机，卸模将成品取出；
所述坩埚为化学稳定性好、耐高温、不与化学活泼性元素反应的氧化钇坩埚，所述模具为铜模。
步骤(3)采用感应加热的方式，加热体采用可升降的感应线圈，实现非晶制备与成型一体化，所述熔体的过热度可达100℃～500℃。
在步骤(4)离心过程中冷却介质由于离心力的作用从冷却介质室中甩出，并喷洒到铜模上进行冷却成型。
所述冷却介质为干冰或液氮。
所述非晶合金为锆基非晶合金或铜基非晶合金。
所述非晶合金薄壁件的厚度为0.5～5mm。
所述方法所用的真空离心铸造设备，包括：配重、铸造室、隔热板、冷却介质、冷却腔、铜模、浇口套、坩埚、感应线圈、转轴；在转轴上安装有铸造室，铸造室一侧设有配重，另一侧设有铸造室，铸造室下方设有坩埚，坩埚外有可自由升降的感应线圈，坩埚与浇口套连接，浇口套连接铜模，铜模和坩埚之间设有隔热板，铜模外形成环绕的冷却腔，并设有冷却介质室，冷却介质室内储存有冷却介质，所述的冷却介质可在铸造室旋转时，由于离心力的作用进入并充满冷却腔。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1.本发明通过可升降感应线圈加热体，使非晶熔体获得较大的过热度(100℃～500℃)，从而实现了锆基非晶合金复杂薄壁件的制备与成型过程一体化。克服了传统工艺中非晶母合金熔炼与成型分开，冷速慢、充型时间长、效率低、难以制造复杂非晶合金薄壁件问题。同时，本发明采用离心铸造方法，冷速快、充型能力强，适于制备复杂非晶合金薄壁件。
2.本发明针对锆化学性质活泼，容易吸收氢、氮和氧气，熔融会与空气发生化学反应特点，本发明采用高真空环境，并采用化学稳定性好的氧化钇坩埚，减少了熔体的氧化和坩埚材料的污染，保证了非晶合金薄壁件的表面质量与精度。使得利用离心铸造得到非晶合金薄壁件成为现实。
3.本发明通过工艺设计，采用合理的坩埚、模具、真空度、熔融温度、转速、冷速等具体工艺参数，实现一模多件，一次生产用时短，生产效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明所用真空离心铸造设备的结构示意图。
1.配重 2.铸造室 3.隔热板
4.冷却介质 5.冷却腔 6.铜模
7.浇口套 8.坩埚 9.感应线圈
10.转轴
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的一种快速、高效率地制备锆基非晶合金薄壁件的离心铸造方法，采用真空环境下，将非晶合金原料放入氧化钇坩埚内，短时间内快速感应加热熔化后，利用铸造臂连同铜模一起高速旋转，在离心作用力下提高金属熔体充型力和补缩能力，并巧妙的利用离心力喷洒冷却介质实现快速冷却，从而制备出厚度为0.5mm～5mm的非晶合金薄壁件。
所用的真空离心铸造设备包括：配重1，铸造室2，隔热板3，冷却介质4，冷却腔5，铜模6，浇口套7，坩埚8，感应线圈9，转轴10。
如图1所示，在转轴10上安装有铸臂，铸造臂一侧设有配重1，另一侧设有铸造室2，铸造室下方设有坩埚8，坩埚8外有可自由升降的感应线圈9，坩埚8与浇口套7连接，浇口套连接铜模6，铜模和坩埚之间设有隔热板3，铜模外形成环绕的冷却腔5，并设有冷却介质室，冷却介质室内储存有冷却介质，冷却介质可为干冰或液氮。所述的冷却介质可在铸臂旋转时，由于离心力的作用进入并充满冷却腔，具体实现方式，可以为冷却介质室的上方开设与冷却腔相连通的通道，在不旋转时，冷却介质高度低于通道高度，不会进入冷却室，随着旋转，由于离心力的作用，冷却介质紧贴冷却室外侧壁，高度上升，此时通过通道进入并充满冷却腔，对铜模进行冷却，可以通过调整该通道的高度和角度，控制进入冷却介质进入冷却腔所需的转速，以及进入的速度和流量，实现了对冷却的精确控制。冷却介质室和冷却腔之间也可以采用开启压力可控的单向阀，当不旋转时，阀芯仅承受冷却介质的静压力，此时阀门关闭，当旋转时，阀芯承受静压力和离心力之和，其合力使阀芯抬离阀座，冷却介质进入冷却腔，通过调整开启压力，可以控制阀门打开所需要的转速，使冷却介质在一定转速下才可以进入冷却腔，实现了对冷却的精确控制。从而在真空环境下通过快速冷却，制备出厚度可控的非晶合金薄壁件。
实施例1
锆基非晶合金薄壁件原料(重量份)：Zr：75.7份、Cu：14.2份、Ni：7.5份、Al：2.6份。
原料纯度均为99.9wt％。
在真空环境下制备非晶合金薄壁件，具体包括以下步骤：
(1)投料：将各原料放入离心铸造机的可拆卸坩埚，所用坩埚为氧化钇坩埚，并将所述可拆卸坩埚放入到离心铸造机的真空铸臂中；
(2)装模：将铜模安装好并放入铸臂中固定，将浇口套置于坩埚和铜模之间固定，密闭铸臂后抽真空至5×10-3Pa；
(3)熔融：利用感应加热的方式将各原料熔融并形成熔体，所述熔体的过热度可达300℃；
(4)离心铸造：开启离心铸造机，转速调至400转，真空铸臂开始旋转，并在5s之内达到所需转速，由离心力将熔体快速浇注至铜模，待成型凝固后，关闭离心铸造机，卸模将成品取出。
(5)冷却：在步骤(4)离心过程中冷却介质由于离心力的作用从容器中甩出，并喷洒到铜模上进行冷却成型，冷却速度为80K/s；
(6)产品取出：打开铸臂用夹持器械取出铜模，拆卸模具取出成品。
实施例2
与实施例1基本相同，区别仅在于：锆基非晶合金薄壁件所述的原料(重量份)：Zr：67.0份、Cu：25.5份、Ni：3.9份、Al：3.6份。原料纯度均为99.9wt％。
在真空环境下制备非晶合金薄壁件，具体包括以下步骤：
(1)投料：将各原料放入离心铸造机的可拆卸坩埚，所用坩埚为氧化钇坩埚，并将所述可拆卸坩埚放入到离心铸造机的真空铸臂中；
(2)装模：将铜模安装好并放入铸臂中固定，将浇口套置于坩埚和铜模之间固定，密闭铸臂后抽真空至5×10-4Pa；
(3)熔融：利用感应加热的方式将各原料熔融并形成熔体，所述熔体的过热度可达400℃；
(4)离心铸造：开启离心铸造机，转速调至300转，真空铸臂开始旋转，并在8s之内达到所需转速，由离心力将熔体快速浇注至铜模，待成型凝固后，关闭离心铸造机，卸模将成品取出。
(5)冷却：在步骤(4)离心过程中冷却介质由于离心力的作用从容器中甩出，并喷洒到铜模上进行冷却成型，冷却速度为60K/s；
(6)产品取出：打开铸臂用夹持器械取出铜模，拆卸模具取出成品。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先将制备大块非晶合金所需原料装入真空离心铸造设备中可拆卸坩埚中，并将所述坩埚放入到离心铸造机的真空铸造室(2)中；
(2)将模具安装好并放入铸造室(2)中固定，将浇口套置于坩埚(8)和模具(6)之间固定，密闭铸造室后抽真空；
(3)在真空环境中采用可升降的感应加热体将各原料熔融形成熔体，随后加热体(9)离开坩埚；
(4)开启离心铸造机，真空铸造室开始旋转，并在1～10s之内达到所需转速，由离心力将熔体快速浇注至模具，待成型凝固后，关闭离心铸造机，卸模将成品取出；
步骤(4)中所述的熔体冷却速度为1～100K/s，所述真空离心铸造设备可实现一模多件，一次制备3～5个铸件，用时3～5分钟，所述真空离心铸造设备生产非晶薄壁件的生产效率为每小时40～80个铸件。
2.根据权利要求1所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：所述坩埚为化学稳定性好，耐高温，不与化学活泼性元素反应的氧化钇坩埚，所述模具为铜模。
3.根据权利要求1所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：步骤(3)采用感应加热的方式，加热体采用可升降的感应线圈，可实现非晶制备与成型一体化，所述熔体的过热度为100℃～500℃。
4.根据权利要求1所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：在步骤(4)离心过程中冷却介质由于离心力的作用从冷却介质室中甩出，并喷洒到铜模上进行冷却成型。
5.根据权利要求4所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：所述冷却介质为干冰或液氮。
6.根据权利要求1所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：所述非晶合金为锆基非晶合金。
7.根据权利要求1所述的真空离心铸造非晶合金薄壁件的方法，其特征在于：所述非晶薄壁件的厚度为0.5～5mm。
8.根据权利要求1～7任一项所述方法所用的真空离心铸造设备，其特征在于，包括：配重、铸造室、隔热板、冷却介质、冷却腔、铜模、浇口套、坩埚、感应线圈、转轴；在转轴上安装有铸造室，铸造室一侧设有配重，另一侧设有铸造室，铸造室下方设有坩埚，坩埚外有可自由升降的感应线圈，坩埚与浇口套连接，浇口套连接铜模，铜模和坩埚之间设有隔热板，铜模外形成环绕的冷却腔，并设有冷却介质室，冷却介质室内储存有冷却介质，所述的冷却介质可在铸造室旋转时，由于离心力的作用进入并充满冷却腔。
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