CN110125344A - 一种铸造难熔金属的方法及难熔金属锭 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种铸造难熔金属的方法，尤其适合高熔点贵金属。该方法采用感应熔炼炉熔炼，熔炼的坩埚配有可快速闭合的埚盖，埚盖采用水冷。熔化金属首先在熔埚内正常熔化，之后用水冷埚盖将熔埚盖上，再将熔埚翻转使埚口朝下。翻转后埚盖在下方，熔埚底部位于上方，其温度接近熔点，在近2000度的温度梯度下，所述高熔点金属在熔埚中基本实现逐层顺序凝固，从而获得优质铸锭。最终金属锭除顶底个别区域外，其它区域几乎无铸造缺陷，为后序加工提供了良好的基础。

Description

一种铸造难熔金属的方法及难熔金属锭

技术领域

本发明实施例涉及金属材料铸造领域，并且更具体地，涉及铸造铱、铑等高熔点贵金属锭及其合金锭的方法。

背景技术

对于铑、铱等贵金属锭及其合金锭，公斤级的锭最为合适生产加工使用。若采用浇铸法铸锭，由于这些金属熔点高（超过2000度），凝固速度快，使补缩困难。以铸造铑锭为例，即使将铸模预热到1000度以上来减缓凝固速度提升补缩效果，其铸锭的致密度也难以超过95%，铸锭内部仍然存在疏松和缩孔。

另一个选择是采用电子束炉、等离子炉熔锭，但这些设备投资大，生产成本高，凝固时间很长，最终原始铸态晶粒粗大。电子束炉熔锭时，高真空下液态金属挥发损耗往往超过5%，对于铱铑等贵金属来说，生产成本难以接受。

发明内容

本申请实施例提供一种铸造高熔点金属(或合金)锭的方法，可以方便地获得高质量高熔点金属锭。本发明只需在感应熔炼炉增加一个匹配的水冷金属埚盖即可实现新工艺。

第一方面，本申请提供了一种铸造高熔点金属的方法，难熔金属为熔点在1850℃~2500℃之间的金属或合金，包括： 获取难熔金属熔液，所述难熔金属熔液放置于陶瓷熔埚中，所述陶瓷坩埚为氧化锆、氧化钙或氧化镁坩埚； 在所述陶瓷熔埚顶部放置与所述陶瓷熔埚的埚口相匹配的埚盖，所述埚盖与所述熔埚构成组合体，所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相同，所述埚盖的温度低于所述难熔金属熔液的温度；翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖构成的组合体，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反，进行所述难熔金属熔液的凝固。 具体地，在获取难熔金属熔液；可以将金属置于熔埚中升温熔化成液态，所述熔埚有配套的水冷埚盖，熔化阶段熔埚埚盖打开。

熔化完毕后，用埚盖将埚口封闭，之后快速翻转使埚口向下，随后一直静置等待液态金属完全凝固。将完全凝固的金属锭从熔埚中取出，即完成一次生产。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述陶瓷坩埚外部设有感应线圈，所述感应线圈用于对所述陶瓷熔埚内的难熔金属熔液的温度进行控制。

在第一方面的一种可能的实现方式中，进行所述难熔金属熔液的凝固包括：在真空度为10Pa至2000Pa的环境中进行所述难熔金属熔液的凝固；或，在氩气或氮气保护气氛中进行所述难熔金属熔液的凝固。

在第一方面的一种可能的实现方式中，翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖构成的组合体，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反，包括：在2~30秒的时间内完成翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述陶瓷熔埚的容积在0.2~15升，所述陶瓷熔埚的形状为圆柱形坩埚或矩形坩埚。。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述埚盖为陶瓷埚盖或者水冷金属埚盖。。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述获得难熔金属金属溶液包括：在真空炉中对1~20kg中任一重量的难熔金属原材料进行熔炼，得到所述液态难熔金属。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述获取难熔金属熔液包括：对所述感应线圈通电至难熔金属原材料熔化，从而获取难熔金属熔液。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述难熔金属为铱金属或铑金属。

第二方面，提供了一种难熔金属锭，包括第一方面中的任一种可能的实现方式所述的方法铸造的难熔金属锭。

本申请提出了一种铸造高熔点难熔金属的方法，采用真空感应炉，通过给熔埚加水冷盖后熔埚快速翻转，使熔埚内部的液态金属在清晰的定向温度场中逐层凝固，简单高效地获得低缺陷的金属锭。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是按照传统方案浇铸铸造方式成形的铑锭的剖面图；

图2是本申请实施例的铸造铑锭的方法的示意性流程图；

图3是翻转后温度场示意图；

图4是采用无水冷埚盖翻转后成形的铑锭的剖面图；

图5是采用本申请实施例水冷金属埚盖翻转后成形的铑锭的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了按照传统方案铸造的铑锭的剖面图。传统方案中铸锭的铑锭缺陷较多，主要缺陷有缩孔/疏松、冷隔、夹砂、组织粗大等。

例如，将铑料熔化后直接在熔埚中冷却，锭的中心冷却最慢因而最后凝固，该区域由于无法获得液态铑的补充而出现集中大缩孔。如果在大气下操作，则会出现大区域气疏松。

应理解，传统的铑料铸造方法还可以包括浇铸，也就是在坩埚中将铑料熔化，然后通过浇铸的方式进行铑锭的成形，这种传统方式在成形过程中，同样会出现锭的中心冷却最慢因而最后凝固，该区域由于无法获得液态铑的补充而出现集中大缩孔。

图2示出了本申请实施例的铸造铑锭的方法的示意性流程图。具体地，以铑金属为例进行说明。

201，获得液态铑。

将所述固态铑置于一体式熔埚中，所述一体式熔埚包括熔埚和埚盖。所述熔埚可采用常规熔埚或定制熔埚，所述埚盖为金属材质内部通水冷却。

可选地，熔埚为圆形、方形或矩形，以获得不同的铑锭形状。

具体地，熔埚可以是圆形、方形或矩形，以符合将来目标锭的形状，具体在本实施例中埚口为6cm*6cm，熔埚深度12cm。

具体地，该一体式熔埚可以理解为相互配套的熔埚和埚盖，换句话说，熔埚和埚盖之间的缝隙较小。

在熔化阶段，水冷埚盖为打开状态。

具体地，通过中频感应对铑料进行熔炼得到液态铑，例如，可以在空气中对铑料进行加热熔化得到液态铑。

应理解，在空气中对铑料进行加热熔化得到液态铑可以是在真空炉不关炉门的情况下进行的，本申请对此不进行限定。

可选地，本申请实施例可以在真空炉中对铑料进行熔化。也就是说，将铑料放置于坩埚容器中，然后将坩埚放置于真空炉中加热，直至铑料熔化。

应理解，铑料的重量可以是1kg到15kg中的任意一种重量，本申请实施例可以根据需求进行确定。

202，盖上水冷埚盖

液态铑熔化完毕后，将水冷埚盖盖上。

可选地，该埚盖可以是金属水冷盖，能够保证在将来的凝固过程中埚盖维持在较低温度。

具体地，金属水冷盖在铸造过程中可以通冷却水，因此，在浇铸时，金属水冷盖与翻转后的金属熔液接触的表面处温度最300℃-600℃，而原来的熔埚底部，由于与熔体长时间接触，温度在金属熔点附近。熔埚侧面也由于与熔灺接触而温度较高。由此形成一个清晰的温度梯度，凝固时熔池顶部比底部的温度约高2000℃(图3)。

可选地，将液态铑置于该一体式熔埚中具体可以是在熔埚中对铑料进行熔化后，为该熔埚添加一个埚盖，用于将该液态铑密封在熔埚中。例如，在5s内将埚盖密封在熔埚的埚口上。

203，翻转

所述一体式熔埚用埚盖封闭再翻转，为后序液态铑的凝固做准备。

具体地，金属的熔点较低时，凝固速度较慢，翻转时凝固的比例不会多，对翻转速度要求不高；当金属的熔点较高时，金属更易于凝固，为了避免翻转时凝固的比例过多，需要采用较快的翻转速度。若高熔点金属采用慢速翻转，在锭中容易出现冷隔和内部缩孔等铸造缺陷。例如，如图4所示。

因此，采用较快的速度翻转，翻转期间仅有少量铑凝固，多数液态铑是在完全翻转后的静置期凝固。从而避免大量冷隔和局部缩孔的出现，更进一步保证了铑锭的质量。

应理解，此处有快速便捷的结构设计保证本操作安全快速地进行。

204，应理解，水冷金属盖采用了合理的金属材料制造，本身有适当的结构设计，可以满足本操作。在本实例中，采用钼作为水冷金属盖的基体材料。静置凝固阶段，由于采用较快的速度翻转，翻转过程中只有少量的金属凝固。主要凝固在静置阶段完成。

具体地，液态铑是从接触埚盖的位置开始凝固。

具体地，液态铑在一体式熔埚中时，本申请实施例对液态铑的凝固过程是在一体式熔埚翻转以后进行。

可选地，在凝固期间，中频电源仍然动态可调功率，从而维持液态铑顶部的温度，避免顶部过早凝固。若顶部过早凝固，将导致锭的内部出现集中缩孔。

可选地，中频功率控制可以是一直使得翻转后锭的顶部区域处于高温状态，也可以是在液态铑凝固过程中处于高温状态，在完成凝固后停止提高能量，本申请对此不进行限定。因此，本申请实施例提供了一种铸造铑锭的方法，铑料完全熔化后，用一体式水冷金属盖将埚口密封，之后以较快的速度翻转使埚口完全朝下。在水冷金属盖的作用下，即使埚口密封有些间隙，液态铑也会迅速凝固封闭该间隙。由于翻转速度较快，完全翻转时只有少量铑在水冷盖上凝固，大多数铑仍然为液态。在水冷的作用下，水冷盖的温度稳定维持在较低温度，翻转后铑熔池上方为高温区域，并且有中频感应持续主动加热，避免上方过早凝固。在整个凝固过程中都维持稳定而强大（2000℃）的温度梯度。使液态金属有序稳定而快速凝固，最终获得几乎无缺陷的细晶铸锭。此外，本申请实施例具有设备投资低、操作简单、质量稳定重复性好等特点，适合贵金属铑、铱锭的生产。也适用于其它高熔点金属和合金锭的生产。

下面更具体地介绍本申请铸造的方法的流程。

应理解，该具体方法仅仅是为了说明本申请制备铑锭的方法，而不应对本申请的核心技术构成任何限定。

实施例1

本实施例详细说明制备本申请铑锭的方法。具体如下：

第一步：将铑原料放在中频真空炉中，此阶段炉门打开可方便后序操作，在大气下熔铑成液态，熔化的铑料可以为1~10公斤，具体的在本实施例中为5kg；

第二步：铑料完全熔化后，用形状匹配的一体式金属水冷盖将熔埚的埚口密封，水冷盖中的冷却水在全过程中都通过水泵持续流动；

第三步：关闭真空炉门，同时真空泵打开，抽真空。具体在本实施例中，抽真空过程在80秒内完成，炉内真空度达到1000Pa左右；

第四步：转动真空感应炉与熔埚相接的水电一体式转轴，使熔埚的埚口完全朝下。转动期间中频功率保持不变或微调。具体在本实例中，翻转在10秒内完成，翻转期间中频功率保持不变；

第五步：静置等待熔埚内的液态铑完全凝固成锭，期间中频功率可调。具体在本实施例中，中频功率在前30秒保持不变，之后60秒渐降，之后中频停止工作。

经过上述步骤后，可获得接近无缺陷的铑锭，仅在接近水冷盖的底部和最后凝固的顶部个别表面区域，有少量凝固缺陷，这些区域在后序加工时不用特别处理，只需在取材时回避此区域即可。

下面详细描述本申请实施例铑锭在实际使用中的效果。附图5是采用本工艺铑锭切开的剖面。本工艺获得的铑锭，除锭接近顶底的表面局部区域，绝大多数区域都是高致密度无缺陷组织。

本申请实施例提供了一种铑锭，该铑锭包括通过上述任一种方法铸造出的铑锭。

可选地，该铑锭可以用于进一步加工铑坩埚。应理解，使用该铑锭进一步加工铑坩埚是本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的特征及方法步骤，取决于技术方案的特定应用。专业技术人员可以对每个特定的方法来使用不同方式来实现所该方法所达到的效果，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述铑锭制备铑坩埚的过程在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种铸造难熔金属的方法，所述难熔金属为熔点在1850℃~2500℃之间的金属或合金，其特征在于，包括：

获取难熔金属熔液，所述难熔金属溶液放置于陶瓷熔埚中，所述陶瓷坩埚为氧化锆、氧化钙或氧化镁坩埚；

在所述陶瓷熔埚顶部放置与所述陶瓷熔埚的埚口相匹配的埚盖，所述埚盖与所述熔埚构成组合体，所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相同，所述埚盖的温度低于所述难熔金属熔液的温度；

翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖构成的组合体，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反，进行所述难熔金属熔液的凝固。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷坩埚外部设有感应线圈，所述感应线圈用于对所述陶瓷熔埚内的难熔金属熔液的温度进行控制。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行所述难熔金属熔液的凝固包括：

在真空度为10Pa至2000Pa的环境中进行所述难熔金属熔液的凝固；或，在氩气或氮气保护气氛中进行所述难熔金属熔液的凝固。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖构成的组合体，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反，包括：

在2~30秒的时间内完成翻转所述陶瓷坩埚和所述埚盖，使所述埚盖至所述陶瓷熔埚底部方向与重力方向相反。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷熔埚的容积在0.2~15升，所述陶瓷熔埚的形状为圆柱形坩埚或矩形坩埚。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述埚盖为水冷金属埚盖。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得难熔金属金属溶液包括：在真空炉中对1~20kg中任一重量的难熔金属原材料进行熔炼，得到所述液态难熔金属。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取难熔金属熔液包括：

对所述感应线圈通电至难熔金属原材料熔化，从而获取难熔金属熔液。

9.一种难熔金属锭，其特征在于，包括：采用如权利要求1至9中任一项所述的方法铸造的难熔金属锭。