CN111822673B - 一种非晶合金近终型铸件的成型装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，该成型装置包括真空室、红外测温仪、水冷系统、铜模具、浇口杯、坩埚、感应线圈；本发明还提供一种浇铸‑吸铸相结合的非晶合金近终型铸件的制备方法，包括步骤S1：称取合金原料；步骤S2：清洗并干燥合金原料；步骤S3：对真空室进行抽真空；步骤S4：制备非晶合金近终型铸件；步骤S5：对非晶合金近终型铸件进行后处理。本发明实现了大体积非晶合金快速成型，利用浇铸‑吸铸法解决了传统浇铸法充型能力差的问题及传统吸铸法无法制备大体积的非晶合金的问题。

Description

一种非晶合金近终型铸件的成型装置及制备方法
技术领域
本发明属于非晶合金近终型制备领域，特别适用于生产不同尺寸和形貌的非晶合金近终型零件。
背景技术
非晶合金因其独特的组织结构而具备许多优异性能，如高强度、高硬度、高耐腐蚀性、优异的磁学性能以及在一定温度下的超塑性等。非晶合金在成型铸造时具有极快的冷却的速度，因此极大的限制了非晶零件生产的尺寸和形貌。大块非晶合金的研发突破了薄带状非晶合金的尺寸限制，具有巨大的应用前景。近年来，铜模铸造法是制备块体非晶合金最常用的方法，铸造方式主要有浇铸法、吸铸法、挤压铸造法和离心铸造法等。浇铸法制备非晶合金的基本过程是，将合金原料置于坩埚中，通过感应线圈产生的涡流对合金加热使其迅速熔化。将熔化后的合金液快速倒入铜模中，形成具有一定尺寸和形状的合金铸件。此方法制备非晶合金具有坩埚可熔化原料的体积大、加热温度可控制、铜模不被直接加热等优点。吸铸法制备非晶合金的基本过程是，首先通过采用水冷循环的电弧熔炼铜盘熔炼坩埚制备母合金锭，再将母合金锭置于电弧熔炼铜盘的吸铸坩埚中，待母合金锭熔化后，将合金液从坩埚中吸铸到铜模中，形成具有一定尺寸和形状的合金铸件。此方法的优点是合金从熔炼到充型避免了与外界污染接触，充型能力好、制备效率高。
浇铸法存在的关键问题是，在制备大体积非晶铸件时由于铜模冷却速度快导致在模具浇道口处产生凝固堵塞，严重阻碍了大体积非晶合金铸件的成型。吸铸法存在的关键问题是，电弧熔炼铜盘吸铸坩埚容积小、熔料少，无法制备较大体积的非晶合金。以按照Cu43Zr48Al9名义成分配料做吸铸件为例，最多配料量为50g。如果需要更大质量的非晶铸件时，吸铸法无法完成。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提供了出一种可控温浇铸-吸铸相结合的非晶合金制备方法，设计了一套适合制备大尺寸非晶合金近终型零件的可控制熔体温度的浇铸-吸铸装置，并利用此设备成功制备出了非晶合金近终型零件。
本发明采用的技术方案：
一种非晶合金近终型铸件的成型装置，该成型装置包括真空室、红外测温仪、铜模具、浇口杯、坩埚、感应线圈，所述真空室顶部设置有观察窗，红外测温仪设置于观察窗的正上方，用于实时监测坩埚内合金熔体温度；
所述铜模具、浇口杯、坩埚和感应线圈均位于真空室内，所述铜模具、浇口杯、坩埚同轴且由下向上依次设置，所述铜模具放置于真空室内底部的吸铸台上并通过抽真空管道与真空泵连接，所述真空管道上设置有真空阀，所述坩埚位于浇口杯的正上方，所述感应线圈沿着坩埚的外轮廓自上而下绕制形成螺旋状结构，所述感应线圈为空芯结构且与旋转及水冷系统连接进而旋转坩埚使其开口方向朝下。
优选的，所述旋转及水冷系统包括旋转轴、第一法兰盘和第二法兰盘，所述第一法兰盘设置于真空室侧壁上且与真空室侧壁上的穿孔连通，所述第一法兰盘的自由端与第二法兰盘通过螺杆固定连接，所述第二法兰盘远离第一法兰盘的一端设置有法兰盖，所述旋转轴依次贯穿法兰盖、第二法兰盘、第一法兰盘以及穿孔进入至真空室内部，所述旋转轴包括由内向外依次设置的内管和外管，所述内管前端伸出旋转轴且通过固定螺母与感应线圈的入液口连接，所述旋转轴前端的侧壁上还设置有第一连接管且与外管贯通，所述第一连接管的自由端通过固定螺母与感应线圈的出液口连接，所述旋转轴后端设置有固定接头，所述内管贯穿出固定接头且通过锁紧螺母与进水管连接，用以向感应线圈的空芯内注入冷却水，所述固定接头的侧壁上设置有第二连接管，所述第二连接管的自由端通过锁紧螺母与出水管连接，用以将感应线圈内的高温水排出。
优选的，所述旋转轴外表面与穿孔内表面之间设置有轴承，所述旋转轴上还设置有操作杆，所述操作杆位于第二法兰盘的后方，通过操作杆控制旋转轴旋转，进而旋转坩埚使其开口方向朝下。
优选的，所述内管前端与固定螺母之间设置有绝缘垫片。
优选的，所述铜模具为一圆柱体结构，在圆柱体结构上端面设置有一凸台，所述凸台上端面设置有一圆形开口，所述圆形开口沿着凸台向下延伸至圆柱体结构内形成外模锥体，所述凸台上设置有一组对称的第一定位孔，两个第一定位孔分别位于圆形开口的两侧，所述外模锥体内部设置有内模锥体。
优选的，所述内模锥体为一实心锥体且在其上端设置横梁，所述横梁上设置有与第一定位孔相配合的第二定位孔，所述横梁的下端面与凸台外表面贴合,所述内模锥体底部上设置有一通孔，所述通孔与外模锥体底部上的排气孔位于同一垂直轴线上，所述排气孔贯穿铜模具且与真空室底部的抽气孔连接，所述内模锥体的直径小于外模锥体的直径。
优选的，所述浇口杯包括与内模锥体上端面贴合的内锥台以及设置于内锥台外侧的圆形护板，所述内锥台底部设置于固定于横梁上的第一安装槽，所述第一安装槽贯穿内锥台底部的直径，所述圆形护板由左护板和右护板构成，所述左护板和右护板底部均设置有固定于横梁上的第二安装槽，所述左护板和右护板的内壁由上至下呈缩口状，且所述圆形护板内表面与内锥台外表面之间的距离大于外模锥体内表面与内模锥体外表面之间的距离。
优选的，所述坩埚采用石墨坩埚或刚玉坩埚其中一种。
优选的，所述铜模具和感应线圈均采用紫铜材质，所述浇口杯为石墨浇口杯。
一种非晶合金近终型铸件的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：按照预合成的Cu43Zr48Al9分子式，以高纯单质元素为原料，以原子百分含量称量合金原料，将称得的目标成分原料混合均匀得到混合料，
步骤S2：称量后的合金原料放置于丙酮溶液中进行超声波清洗10-20min，干燥后置于开口朝上的坩埚中；
步骤S3：打开真空阀，利用真空泵对真空室抽真空，当真空室内真空度达到5×10- 3Pa后，关闭真空阀，充入高纯氩气至0.8个大气压，其中，氩气用作保护气氛，关闭真空阀；
步骤S4：通过感应线圈对坩埚中的合金原料进行加热，同时打开红外测温仪对坩埚中的合金原料的熔体温度进行实时监测，待合金原料的熔体温度达到浇铸条件时，记录当前温度为1000-1500℃，并保温1-2min，然后打开真空阀和真空泵并转动操作杆将合金熔体快速倒入浇口杯中，通过真空泵的吸力将合金熔体快速吸入铜模具中形成非晶铸形貌；
步骤S5：取出铜模具，将铜模具分开取出非晶合金零件，利用线切割机去除多余废料得到非晶合金近终型铸件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用可控温浇铸-吸铸相结合方式制备非晶合金近终型铸件，实现了大体积非晶合金快速成型。利用浇铸-吸铸法解决了传统浇铸法充型能力差的问题及传统吸铸法无法制备大体积的非晶合金的问题，采用红外测温仪实时监测合金熔体温度，能够控制合金熔体的熔化温度、过热温度、过热时间以及浇铸速度，以便控制非晶合金近终型铸件能够良好合成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种非晶合金近终型铸件的成型装置的结构示意图；
图2为为浇口杯与铜模具的连接结构图；
图3为铜模具的放大图；(a)正视图；(b)俯视图；
图4为内模锥体的结构图；(a)主视图；(b)俯视图；(c)侧视图；
图5为内锥台的结构图；
图6为为左护板的结构图；
图7为本发明制备的锥形非晶合金近终型铸件的实物图；
图8为锥形非晶合金近终型铸件的X射线衍射图。
其中，1-红外测温仪；2-视窗；3-真空室；4-操作杆；5-旋转轴；501-内管；6-第一法兰盘；7-第二法兰盘；8-感应线圈；801-入液口；802-出液口；9-坩埚；10-浇口杯；101-内锥台；102-左护板；103-右护板；104-第一安装槽；105-第二安装槽；11-铜模具；111-凸台；112-圆形开口；113-外模锥体；114-第一定位孔；115-排气孔；12-固定接头；13-第二连接管；14-锁紧螺母；15-进水管；16-出水管；17-第一连接管；18-固定螺母；19-轴承；20-真空阀；21-真空泵；22-内模锥体；23-横梁；231-第二定位孔；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明具体公开了一种非晶合金近终型铸件的成型装置，如图1-6所示，该成型装置包括真空室3、红外测温仪1、浇口杯10、铜模具11、坩埚9、感应线圈8。
具体地，所述真空室3顶部设置有观察窗2，红外测温仪1设置于观察窗2的正上方，用于实时监测坩埚9内合金熔体温度，当待合金熔体达到浇铸条件(1150℃)时记录此时温度，打开真空泵和真空阀的同时转动操作杆将合金熔体快速倒入浇口杯中，通过真空泵21的吸力将合金熔体吸入铜模具11中形成非晶铸态形貌。
所述铜模具11、浇口杯10、坩埚9和感应线圈8均位于真空室内，所述铜模具11、浇口杯11、坩埚9同轴且由下向上依次设置，所述铜模具11放置于真空室3内底部的吸铸台上并通过抽真空管道与真空泵21连接，所述真空管道上设置有真空阀20，所述坩埚9位于浇口杯10的正上方，所述感应线圈8沿着坩埚9的外轮廓自上而下绕制形成螺旋状结构，所述感应线圈8为空芯结构且与旋转及水冷系统连接进而旋转坩埚9使其开口方向朝下。其中，坩埚9采用石墨坩埚或刚玉坩埚其中一种，所述铜模具11和感应线圈8均采用紫铜材质，所述浇口杯10为石墨浇口杯。
作为本发明的进一步改进，所述旋转及水冷系统包括旋转轴5、第一法兰盘6和第二法兰盘7，所述第一法兰盘6设置于真空室3侧壁上且与真空室3侧壁上的穿孔连通，所述第一法兰盘6的自由端与第二法兰盘7通过螺杆固定连接，所述第二法兰盘7远离第一法兰盘6的一端设置有法兰盖，所述旋转轴5依次贯穿法兰盖、第二法兰盘7、第一法兰盘6以及穿孔进入至真空室3内部，所述旋转轴5包括由内向外依次设置的内管501和外管(图中未显示)，所述内管501前端伸出旋转轴且通过固定螺母18与感应线圈8的入液口801连接，所述内管501前端与固定螺母18之间设置有绝缘垫片，所述旋转轴5前端的侧壁上还设置有第一连接管17且与外管贯通，所述第一连接管17的自由端通过固定螺母18与感应线圈8的出液口802连接，所述旋转轴5后端设置有固定接头12，所述内管501贯穿出固定接头12且通过锁紧螺母14与进水管15连接，用以向感应线圈8的空芯内注入冷却水，所述固定接头12的侧壁上设置有第二连接管13，所述第二连接管13的自由端通过锁紧螺母14与出水管16连接，用以将感应线圈8内的高温水排出。
所述旋转轴5外表面与穿孔内表面之间设置有轴承19，所述旋转轴5上还设置有操作杆4，所述操作杆4位于第二法兰盘7的后方，通过操作杆4控制旋转轴5旋转，进而旋转坩埚9使其开口方向朝下。
如图3所示，铜模具11为一圆柱体结构，在圆柱体结构上端面设置有一凸台111，所述凸台111上端面设置有一圆形开口112，所述圆形开口112沿着凸台111向下延伸至圆柱体结构内形成外模锥体113，所述凸台111上设置有一组对称的第一定位孔114，两个第一定位孔114分别位于圆形开口112的两侧，所述外模锥体113内部设置有内模锥体22，外模锥体113的锥形模具型腔尺寸为25mm×25mm×2mm～100mm×110mm×4mm。
如图4所示，内模锥体22为一实心锥体且在其上端设置横梁23，所述横梁23上设置有与第一定位孔114相配合的第二定位孔231，所述横梁23的下端面与凸台111外表面贴合,所述内模锥体22底部上设置有一通孔，所述通孔与外模锥体113底部上的排气孔115位于同一垂直轴线上，所述排气孔115贯穿铜模具11且与真空室3底部的抽气孔连接，所述内模锥体22的直径小于外模锥体113的直径。横梁23主要作用是为了支撑浇口杯10，第二定位孔231用来保证型腔位置不发生偏移。
如图5和图6所示，所述浇口杯10包括与内模锥体22上端面贴合的内锥台101以及设置于内锥台101外侧的圆形护板，所述内锥台101底部设置于固定于横梁23上的第一安装槽104，所述第一安装槽104贯穿内锥台101底部的直径，所述圆形护板由左护板102和右护板103构成，所述左护板102和右护板103底部均设置有固定于横梁23上的第二安装槽105，所述左护板102和右护板103的内壁由上至下呈缩口状，且所述圆形护板内表面与内锥台102外表面之间的距离大于外模锥体113内表面与内模锥体22外表面之间的距离。
本发明还公开了一种采用浇铸-吸铸相结合的非晶合金近终型铸件的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：按照预合成的Cu43Zr48Al9分子式，以高纯单质元素为原料，以原子百分含量称量合金原料，将称得的目标成分原料混合均匀得到混合料，
步骤S2：称量后的合金原料放置于丙酮溶液中进行超声波清洗10-20min，干燥后置于开口朝上的坩埚中；
步骤S3：打开真空阀，利用真空泵对真空室抽真空，当真空室内真空度达到5×10- 3Pa后，关闭真空阀，充入高纯氩气至0.8个大气压，其中，氩气用作保护气氛，关闭真空阀；
步骤S4：通过感应线圈对坩埚中的合金原料进行加热，同时打开红外测温仪对坩埚中的合金原料的熔体温度进行实时监测，待合金原料的熔体温度达到浇铸条件时，记录当前温度为1000-1500℃，并保温1-2min，然后打开真空阀和真空泵并转动操作杆将合金熔体快速倒入浇口杯中，通过真空泵的吸力将合金熔体快速吸入铜模具中形成非晶铸形貌；
步骤S5：取出铜模具，将铜模具分开取出非晶合金零件，利用线切割机去除多余废料得到非晶合金近终型铸件。
采用上述制备方法制备的铸件实物图如图7所示，表面光滑无需多次打磨抛光，且合成良好。并对其进行了X射线衍射，其结果如图8所示，结果表明非晶合金近终型铸件符合使用要求。
利用浇铸-吸铸法解决了传统浇铸法充型能力差的问题及传统吸铸法无法制备大体积的非晶合金的问题，采用红外测温仪实时监测合金熔体温度，能够控制合金熔体的熔化温度、过热温度、过热时间以及浇铸速度，以便控制非晶合金近终型铸件能够良好合成。
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、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，该成型装置包括真空室(3)、红外测温仪(1)、铜模具(11)、浇口杯(10)、坩埚(9)、感应线圈(8)，所述真空室(3)顶部设置有观察窗(2)，红外测温仪(1)设置于观察窗(2)的正上方，用于实时监测坩埚(9)内合金熔体温度；
所述铜模具(11)、浇口杯(10)、坩埚(9)和感应线圈(8)均位于真空室(3)内，所述铜模具(11)、浇口杯(10)、坩埚(9)同轴且由下向上依次设置，所述铜模具(11)放置于真空室(3)内底部的吸铸台上并通过抽真空管道与真空泵(21)连接，所述真空管道上设置有真空阀(20)，所述感应线圈(8)沿着坩埚(9)的外轮廓自上而下绕制形成螺旋状结构，所述感应线圈(8)为空芯结构且与旋转及水冷系统连接进而旋转坩埚(9)使其开口方向朝下；
所述旋转及水冷系统包括旋转轴(5)、第一法兰盘(6)和第二法兰盘(7)，所述第一法兰盘(6)设置于真空室(3)侧壁上且与真空室(3)侧壁上的穿孔连通，所述第一法兰盘(6)的自由端与第二法兰盘(7)通过螺杆固定连接，所述第二法兰盘(7)远离第一法兰盘(6)的一端设置有法兰盖，所述旋转轴(5)依次贯穿法兰盖、第二法兰盘(7)、第一法兰盘(6)以及穿孔进入至真空室(3)内部，所述旋转轴(5)包括由内向外依次设置的内管(501)和外管，所述内管(501)前端伸出旋转轴(5)且通过固定螺母(18)与感应线圈(8)的入液口(801)连接，所述旋转轴(5)前端的侧壁上还设置有第一连接管(17)且与外管贯通，所述第一连接管(17)的自由端通过固定螺母(18)与感应线圈(8)的出液口(802)连接，所述旋转轴(5)后端设置有固定接头(12)，所述内管贯穿出固定接头(12)且通过锁紧螺母(14)与进水管(15)连接，用以向感应线圈(8)的空芯内注入冷却水，所述固定接头(12)的侧壁上设置有第二连接管(13)，所述第二连接管(13)的自由端通过锁紧螺母(14)与出水管(16)连接，用以将感应线圈(8)内的高温水排出；
所述旋转轴(5)外表面与穿孔内表面之间设置有轴承(19)，所述旋转轴(5)上还设置有操作杆(4)，所述操作杆(4)位于第二法兰盘(7)的后方，通过操作杆(4)控制旋转轴(5)旋转，进而旋转坩埚(9)使其开口方向朝下；
所述内管(501)前端与固定螺母(18)之间设置有绝缘垫片。
2.根据权利要求1所述的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，所述铜模具(11)为一圆柱体结构，在圆柱体结构上端面设置有一凸台(111)，所述凸台(111)上端面设置有一圆形开口(112)，所述圆形开口(112)沿着凸台(111)向下延伸至圆柱体结构内形成外模锥体(113)，所述凸台(111)上设置有一组对称的第一定位孔(114)，两个第一定位孔(114)分别位于圆形开口(112)的两侧，所述外模锥体(113)内部设置有内模锥体(22)。
3.根据权利要求2所述的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，所述内模锥体(22)为一实心锥体且在其上端设置横梁(23)，所述横梁(23)上设置有与第一定位孔(114)相配合的第二定位孔(231)，所述横梁(23)的下端面与凸台(111)外表面贴合,所述内模锥体(22)底部上设置有一通孔，所述通孔与外模锥体(113)底部上的排气孔(115)位于同一垂直轴线上，所述排气孔(115)贯穿铜模具(11)且与真空室(3)底部的抽气孔连接，所述内模锥体(22)的直径小于外模锥体(113)的直径。
4.根据权利要求3所述的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，所述浇口杯(10)包括与内模锥体(22)上端面贴合的内锥台(101)以及设置于内锥台(101)外侧的圆形护板，所述内锥台(101)底部设置于固定于横梁(23)上的第一安装槽(104)，所述第一安装槽(104)贯穿内锥台(101)底部的直径，所述圆形护板由左护板(102)和右护板(103)构成，所述左护板(102)和右护板(103)底部均设置有固定于横梁(23)上的第二安装槽(105)，所述左护板(102)和右护板(103)的内壁由上至下呈缩口状，且所述圆形护板内表面与内锥台(101)外表面之间的距离大于外模锥体(113)内表面与内模锥体(22)外表面之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，所述坩埚(9)采用石墨坩埚或刚玉坩埚其中一种。
6.根据权利要求1所述的一种非晶合金近终型铸件的成型装置，其特征在于，所述铜模具(11)和感应线圈(8)均采用紫铜材质，所述浇口杯(10)为石墨浇口杯。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的非晶合金近终型铸件的成型装置采用浇铸-吸铸相结合的非晶合金近终型铸件的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：按照预合成的Cu43Zr48Al9分子式，以高纯单质元素为原料，以原子百分含量称量合金原料，将称得的目标成分原料混合均匀得到混合料，
步骤S2：称量后的合金原料放置于丙酮溶液中进行超声波清洗10-20min，干燥后置于开口朝上的坩埚(9)中；
步骤S3：打开真空阀(20)，利用真空泵(21)对真空室(3)抽真空，当真空室(3)内真空度达到5×10-3Pa后，关闭真空泵(21)，充入高纯氩气至0.8个大气压，其中，氩气用作保护气氛，关闭真空阀(20)；
步骤S4：通过感应线圈(8)对坩埚(9)中的合金原料进行加热，同时打开红外测温仪(1)对坩埚(9)中的合金原料的熔体温度进行实时监测，待合金原料的熔体温度达到浇铸条件时，记录当前温度为1000-1500℃，并保温1-2min，然后打开真空阀(20)和真空泵(21)并转动操作杆将合金熔体快速倒入浇口杯(10)中，通过真空泵(21)的吸力将合金熔体快速吸入铜模具(11)中形成非晶铸形貌；
步骤S5：取出铜模具(11)，将铜模具分开取出非晶合金零件，利用线切割机去除多余废料得到非晶合金近终型铸件。
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