CN1541791A - 制备块体非晶的喷铸方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于块体非晶产品的制备领域。特别适用于制备非晶、纳米晶产品的喷铸方法及装置。该方法及装置是将熔液在气体保护下直接喷铸到模具凹槽内，其特征是该喷铸方法的喷铸熔器与喷铸模具之间为平行相对移动进行喷铸，喷铸熔液是在恒压恒流条件下喷铸在模具凹槽内，经快冷形成块体非晶、纳米晶合金产品。采用本发明喷铸方法及装置与现有技术相比较，具有喷铸装置设计合理、简单、生产操作方便、产品成形合格率高、性能好和生产成本低等特点。另外还有该模具不需安装和拆卸，所以拿取非晶合金产品比较容易和方便。

Description

制备块体非晶的喷铸方法及装置
所属领域
本发明属于块体非晶产品的制备领域。特别适用于制备非晶、纳米晶产品的喷铸方法及装置。
背景技术备
在现有的技术中，有采用快淬的方法来制备各种形态的非晶、纳米晶合金材料，如带材、丝材、粉末等。通常由这种方法所制备的非晶合金产品，其形状尺寸均比较局限，例如采用单辊快淬法制备的非晶带材厚度通常不大于60μm，宽度为1mm到200mm；非晶丝材的直径一般不超过150μm；粉末颗粒的直径小于100μm。由于受非晶产品制备方法难易程度的限制，而限制了非晶态合金广泛的应用。近年来随着非晶合金材料的快速发展，尤其是开发出具有较大非晶形成能力的非晶合金材料，如仍采用铸造或铜模吸铸等方法制备块体非晶和纳米晶合金产品，已感到不适于功能材料的发展。
在现有的制备块体非晶方法中，大多数块体非晶合金在铜模铸造过程中易于脆裂，原因是凝固过程中合金收缩大，材料的内应力无法释放。铜模吸铸法的另一缺点，是一次铜模吸铸过程从安装到铸造，再到拆卸取出铸造的块体非晶合金产品，其整个过程需要较长的时间(约为30分钟-60分钟)，因此该方法的生产效率和产品合格率均较低。并且用该方法铸造的合金在拆卸过程中产品容易受损，成材率较低。再有的缺点是产品的铜模腔体由于受模具的限制，通常尺寸不能很大，尤其是在产品的纵向长度方面受到限制。
发明目的及内容
本发明的目的是提出一种具有喷铸装置设计合理、简单、生产操作方便、产品成形合格率高、性能好和生产成本低的制备块体非晶、纳米晶合金材料的喷铸方法。
根据本发明的目的，我们所提出的制备块体非晶、纳米晶合金材料的喷铸方法，该方法是为解决现有技术中所存在的因被铸合金在快冷过程中，由于合金材料的快速收缩而带来产品内部应力的集中，使产品成型的合格率降低。根据以上理由的叙述，本发明所提出的块体非晶、纳米晶合金产品的喷铸方法，该方法是将熔炼后的非晶合金铸锭按设计者要求装入喷铸熔器中进行熔融，待合金熔液完全熔化后再进行喷铸，其特征在于该喷铸方法的喷铸熔器与喷铸模具之间为平行相对移动进行喷铸，喷铸熔器中熔液是采用恒定压力，使喷铸熔液在恒压恒流条件下由喷铸熔器的喷口处喷铸在喷铸模具平面上的凹槽内，喷铸过程采用气体保护。在本发明喷铸方法的其他特征还有喷铸熔器与喷铸模具之间相对平移速率为0.1-10m/s。喷铸熔器内的喷铸压力为0.01-0.3Mpa。在喷铸过程中所采用的保护气体是氮气、氩气中的任意一种。另外，本发明喷铸装置的制备与现在技术相似，在喷铸熔器外部装有感应加热线圈，喷铸熔器的一端装有喷铸口，在喷铸口的下方装有喷铸模具，其特征在于喷铸模具是采用导热性好的铜或铜合金材料制备，喷铸模具的上端平面处设有喷铸成型凹槽，在喷铸模具内设有与喷铸成型凹槽同向的冷却道，在冷却道内装有冷却液。本发明喷铸装置的其他特征有喷铸模具上端平面处设有喷铸凹槽，在喷铸过程中喷铸凹槽始终在喷铸熔器的喷铸口的正下方作相对运动。在冷却道内所装有的冷却液为零摄氏度以下的液体，该冷却液为液氮和酒精中的任意一种。
下面我们根据附图对本发明方法和装置进行详细的叙述，根据附图可看到，本发明的喷铸装置与现有技术相似，该装置是在喷铸熔器1内装有加压板2，在加压板2的下方为熔液3和喷铸熔器喷铸口5，在喷铸熔器1的外部装有加热元件4，在喷铸熔器1的下方装有带冷却液7的喷铸模具8，在喷铸模具7的上端平面处设计有喷铸模具凹槽6。在附图1中喷铸熔器1上方的箭头a所指的方向，是气体通过加压板2向熔液3所施加设定气体压力的方向，因此熔液3在恒压、恒流的条件和气体保护的状态下，由喷铸熔器喷铸口5喷铸在喷铸模具凹槽6凹槽内。在附图2中喷铸熔器1旁边的箭头b所指的方向，是喷铸熔器1所移动的方向，在喷铸模具8下方的箭头c所指的方向是喷铸模具8所移动的方向。在附图3中喷铸模具8下方的箭头d所指的方向是喷铸模具8所转动的方向。在本发明的喷铸装置，由于考虑到制备块体非晶、纳米晶合金产品需要有很快的冷却速度，因此在本装置中，喷铸模具8是采用热传导率高的合金材料加工而成，例如铜、铜合金等材料。为了能有效提高本发明喷铸装置的冷却速度，我们可根据喷铸合金的熔液3的容量来选择必要冷却液7通入冷却腔内进行控制冷却，通常通入循环水进行冷却。若要进一步提高冷速，还可以通入液氮、酒精或其他种类的冷却液7对喷铸模具8进行强冷却。喷铸方法的流程叙述如下：当喷铸熔器1内通入气体量达到设定压力后，熔液3由喷铸熔器喷铸口5喷出并在气体保护中喷铸在喷铸模具凹槽6的凹槽内，与此同时，喷铸模具8在喷铸熔器喷铸口5的下方做相对运动；当喷出的合金溶液3被注入到喷铸模具凹槽6内后，其急冷降温速度为1-9×102K/s，使溶液3凝固成非晶合金或纳米晶合金产品。当喷铸完毕即可直接将喷铸模具8移开并取出非晶合金产品。本发明方法及装置可使急冷非晶合金存在一个自由面，由急冷带来的产品内应力可以得到有效的释放，因此能得到完整的块体非晶产品。
采用本发明喷铸方法及装置与现有技术相比较，具有喷铸装置设计合理、简单、生产操作方便、产品成形合格率高、性能好和生产成本低等特点。另外采用本发明方法及装置进行生产，可以不必拆卸、安装喷铸模具，取合金产品比较方便，喷铸整过程所需要的时间为原方法的1/10，因此可以大大提高生产效率。另外采用本发明方法进行喷铸生产，其喷铸模具凹槽的尺寸可以根据设计者的要求制成比较大，尤其是喷铸模具凹槽纵向尺寸的长度可以加长，一次喷铸合金熔液量较多，从而进一步提高生产效率。
附图说明
在本发明说明书中的附图分别为：附图1、为本发明喷铸装置的纵剖面结构工作示意图；附图2、为本发明喷铸装置的横剖面结构工作示意图；附图3、为本发明圆形喷铸装置的纵剖面结构工作示意图；附图4为采用喷铸方法制备块体非晶合金棒材的X射线衍射图。在上述附图中，序号1为喷铸熔器；2为加压板；3为熔液；4为加热元件；5为喷铸熔器喷铸口；6为喷铸模具凹槽；7为冷却液；8为喷铸模具；箭头a为施加压力方向；箭头b为喷铸熔器移动方向；箭头c为喷铸模具移动方向；箭头d为喷铸模具转动方向。
具体实施方式
采用本发明喷铸方法及喷铸装置进行了多种的实验，所实施的试验非晶合金成分列入表1，所采用的实施方案是将己设定非晶合金成分的铸锭放入喷铸熔器1中，然后再向喷铸熔器1内通入设定量的气体压力后，熔液3由喷铸熔器喷铸口5喷出并在气体保护中喷铸在喷铸模具凹槽6的凹槽内，与此同时，喷铸模具8在喷铸熔器喷铸口5的下方做相对运动，当喷出的合金溶液3被注入到喷铸模具凹槽6内后，其急冷降温速度为1-9×102K/s，使溶液3凝固成非晶合金或非晶+纳米晶的合金产品。在实施方案中的非晶合金或非晶+纳米晶的合金产品制备方法，如喷铸熔器1内的喷铸时气体压力；喷铸熔器1与喷铸模具8之间的相对运动速度；在喷铸过程中所施加保护气体的种类以及在喷铸模具8内所采用的冷却液的种类均列入表2中，当喷铸完毕即可直接将喷铸模具8移开并取出非晶合金产品。由附图可看出，在附图1和附图2中所给出的是采用本发明喷铸方法及喷铸装器在制备块体非晶、纳米晶合金产品的工作示意图，其产品为直形条、块状。附图3所给出的是采用本发明喷铸方法及喷铸装器在制备块体非晶、纳米晶合金圆形产品的工作示意图，其产品形状为圆、环形。附图4为所制备的块体非晶合金棒材的X射线衍射图。经上述实施所制备的块体非晶、纳米晶合金产品的一些具体性能也列入到表3中。
在本发明实施例中所列的表格分别为：
表1为本发明实施例喷铸块体非晶合金的成分；
表2为本发明实施例喷铸方法中的具体工艺参数及结果；
表3为本发明实施例喷铸块体非晶合金产品的性能。
表1为本发明实施例喷铸块体非晶合金的成分(原子％)
   序号             成  分   序号                成  分
    1     Fe74Cr2Mo2Sn2P10C2B4Si4     6     Zr63Al5Ni5Cu25Ti2
    2     Fe70Cr4Mo4Sn2P10C2B4Si4     7     Zr46Al10Ni10Cu30Nb4
    3     Fe72Al5Ga2P11C6B4     8     Zr51Al5Ni5Cu35Ti2Nb2
    4     Fe72Al5Ga2P11C5B4Si1     9     Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5
    5     Co43Fe20Ta5.5B31.5     10     Zr60Al5Ni5Cu25Ti2Nb1Pd2
表2为本发明实施例喷铸方法中的具体工艺参数及结果
    序号    喷铸压力(Mpa)   相对平移速度(m/s)   冷却液   保护气氛   棒或环的截面尺寸宽(mm)×厚(mm)   样品组织状态
    1     0.03     1   水   空气     2×1.5 非晶
    1     0.05     1   水   空气     4×1 非晶+纳米晶
    2     0.03     2   水   真空     2×0.8 非晶+纳米晶
    2     0.05     2   水   真空     4×0.6 非晶
    3     0.1     6   水   氮气     2×0.4 非晶
    3     0.05     1   水   氮气     4×1 非晶+纳米晶
    4     0.03     2   水   氮气     2×0.7 非晶
    4     0.05     3   水   氮气     4×0.4 非晶
    5     0.05     2   水   氮气     4×0.7 非晶
    6     0.1     1   酒精   氩气     4×2.2 非晶
    7     0.1     1   酒精   氩气     4×2.2 非晶+纳米晶
    8     0.08     0.5   酒精   氩气     4×2.5 非晶
    9     0.15     8   液氮   氩气     2×0.3 非晶
    9     0.1     0.3   液氮   氩气     4×4 非晶+纳米晶
    10     0.1     0.5   液氮   氩气     4×2 非晶
表3为本发明实施例喷铸块体非晶合金产品的性能
    序号     状态   矫顽力(A/m)     维氏硬度   产品合格率
    1 非晶     5.3     780～820     100％
    2 非晶+纳米晶     6.6     760～810     90％
    3 非晶     5.2     740～780     100％
    4 非晶     4.5     750～790     100％
    5 非晶     3.8     730～760     100％
    6 非晶     -     510～540     100％
    7 非晶+纳米晶     -     580～640     90％
    8 非晶     -     550～590     100％
    9 非晶+纳米晶     -     610～650     90％
    10 非晶     -     530～560     100％

Claims (8)

1、一种制备块体非晶、纳米晶合金产品的喷铸方法，该方法是将熔炼后的非晶合金铸锭按设计者要求装入喷铸熔器中进行熔融，待合金熔液完全熔化后再进行喷铸，其特征在于该喷铸方法的喷铸熔器与喷铸模具之间为平行相对移动进行喷铸，喷铸熔器中熔液是采用恒定压力，使喷铸熔液在恒压恒流条件下由喷铸熔器的喷口处喷铸在喷铸模具平面上的凹槽内，喷铸过程是采用气体保护。
2、根据权利要求1所述的喷铸方法，其特征在于喷铸熔器与喷铸模具之间相对平移速率为0.1-10m/s。
3、根据权利要求1所述的喷铸方法，其特征在于喷铸熔器内的喷铸压力为0.01-0.3Mpa。
4、根据权利要求1所述的喷铸方法，其特征在于喷铸过程中所采用的保护气体是氮气、氩气中的任意一种。
5、一种制备块体非晶、纳米晶合金产品的喷铸装置，该装置的组成是在喷铸熔器外部装有感应加热线圈，喷铸熔器的一端装有喷铸口，在喷铸口的下方装有喷铸模具，其特征在于喷铸模具是采用导热性好的铜材料制备，喷铸模具的上端平面处设有喷铸成型的凹槽，在喷铸模具内设有与喷铸成型凹槽平行的冷却道，在冷却道内装有冷却液。
6、根据权利要求5所述的喷铸装置，其特征在于该喷铸模具是采用导热性好的铜合金材料制备。
7、根据权利要求5所述的喷铸装置，其特征在于该喷铸模具上端平面处平面处设有喷铸凹槽，在喷铸过程中喷铸凹槽始终在喷铸熔器的喷铸口正下方作相对运动。
8、根据权利要求5所述的喷铸装置，其特征在于喷铸模具的冷却道内所装有的冷却液为零摄氏度以下的液体，该冷却液为液氮和酒精中的任意一种。
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