CN1803342A

CN1803342A - 金属玻璃熔体的铸造成形方法及其装置

Info

Publication number: CN1803342A
Application number: CN 200510020016
Authority: CN
Inventors: 吴树森; 毛有武; 万里; 罗吉荣; 刘伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: CN100352581C

Abstract

本发明公开了一种金属玻璃熔体的铸造成形方法和装置。该方法为先将合金加入熔化炉熔化，再调节其温度，当到达浇注温度时，抽取模具内的气体，使其产生5～15KPa负压，吸引金属玻璃熔体进入模具型腔内，成形为零件。其装置为：位于熔化炉内的坩埚与模具之间通过吸引管相通，负压发生器通过连接管道与模具的上端相连，该连接管道上依次安装有控制阀、压力测量装置和负压稳定装置。本方法还可向熔体表面施加气体压力，进一步促进金属玻璃熔体的充型过程。本方法制备的金属玻璃材料内在质量高，无气孔等缺陷；充型能力强，可制造出最小壁厚为2mm的零件，克服了金属玻璃熔体流动性差、充型困难的问题。本装置设备简单，操作简便、快速。

Description

金属玻璃熔体的铸造成形方法及其装置

技术领域

本发明属于冶金及金属材料加工技术领域，具体涉及一种金属玻璃(非晶态)熔体的铸造成形方法及其装置。

技术背景

金属玻璃(块体非晶合金)具有超高的强度、硬度以及优越的抗腐蚀性等性能，在军事、航空航天和电子等领域具有潜在的广泛用途，成为当今世界各国在新材料高技术领域里争夺的热点之一。

非晶态简单来说就是原子在排列上长程无序、短程有序的状态。非晶态合金的主要特点是原子的三维空间呈拓扑无序状态的排列；结构上它没有晶界与堆跺层错等缺陷存在，但是原子的排列也不象理想气体那样的完全无序。非晶态合金是以金属键作为其结构特征，虽然不存在长程有序，但是在几个晶格常数范围内保持短程有序。

块体非晶态合金(金属玻璃)的成功制备，特别是过去的十年里，由于临界冷却速率低于100K/s、能制备直径1cm甚至更大的块体非晶合金成分的发现引起了人们对非晶态合金的研究和探索广泛的兴趣。近三十年来，随着科学的不断进步，已有大量的非晶合金系统被开发出来，比如，Mg基、Zr基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基、Pd-Cu基，等等。这些非晶合金系统中，很多非晶态合金具有优异的特性。由于工艺条件的限制，九十年代以前，几乎所以的非晶态合金都是通过单辊薄带技术制备出来的，这种厚度约为几十个微米量级的薄带显然在许多实际的工程中无法应用，这样的尺寸条件严重地限制了非晶态合金更广泛的应用。

除了金属玻璃合金成分的设计外，制备方法在非晶态合金的制备中发挥着至关重要的作用。目前大块非晶主要是通过直接凝固法制备，主要有以下一些方法：

(1)金属型重力铸造

金属型重力铸造是将液态金属通常在保护性气氛下直接浇入金属型中，利用金属型导热快实现快速冷却以获得金属玻璃。该方法工艺过程比较简单，也易于操作，但由于金属型的冷速有限，所能够制备的金属玻璃的尺寸也有限。金属型可以是有水冷和无水冷两种，水冷的目的主要是为了保证在合金熔化期间，模具不被坩埚加热而尽可能保持最低温度。如果没有水冷，随着时间的延长，合金的温度接近于铜型的温度，而有水冷的铜型的温度低一些，没有水冷的温度高一些，水冷铜型在稍后的一段时间里将具有稍快的冷却速度。型腔的形状则根据需要可以是楔形、阶梯形、圆柱形或片状等；金属型的体积应该足够大，以保证在短暂的熔体充型时间内提供足够的吸热源。但这种方法充型时无外力的作用，有薄壁时充型困难的缺点。

(2)低压铸造

即传统的铜模吹铸法。简单来说低压铸造就是当石英管中合金熔化后，在管上端通过惰性气体加压，将合金射入模具冷却成形的方法。1991年日本东北大学的Inoue等(Inoue，A.Kato，A，Zhang，T，Mg-Cu-Y amorphousalloys with high mechanical strengths produced by a metallic moldcasting method，Materials Transactions，JIM，v 32，n 7，Jul，1991，p 609-616)通过低压铸造——射流成形/铜模冷却制备了直径为4mm的Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀的非晶棒材，采用同样方法制备的Mg₈₀Cu₁₀Y₁₀非晶合金在室温下试验测得的σ_p为822Mpa，而且随着温度的升高直到350K时σ_p没有明显的变化。这也是人们第一次通过传统铸造方法制备出了mm级的金属玻璃。但本方法的缺点是通常石英管中熔化的金属量有限，难以制备较长或较大的零件。

(3)高压铸造

高压压铸设备主要由熔炼母合金的缸套与活塞、施加高压的水压机、耐高压的铸造铜型、能够在浇注之前迅速除去坩埚和铜型中气体的抽气系统等组成(Inoue A，Nakamura T，et al.Mg-Cu-Y bulk amorphous alloyswith high tensile strength produced by a high-pressure die castingmethod.Mater Trans JIM，1992，33(10)：937)。缸套与活塞由耐热工具钢(SKD61)制成。在氩气氛保护下，母合金在带有高频感应线圈的缸套内熔炼，通过水压推动活塞，将熔融的金属快速推入到铜型中。该设备具有如下特点：①熔体在几ms之内完全充入铸型，这将导致更高的冷却速率和更加明显的淬火效果；②高压将导致熔体与铸型更紧密的接触，因而使熔体与铸型之间的导热因子增加并加速热流的传出，从而提高了冷却速率；③由于凝固收缩引起的疏松等铸造缺陷将减少；④即使对于高粘性的熔体，也能够由液体直接成形出复杂形状的铸件，这应该是制备近净形金属玻璃的一种好方法。但是压铸最容易形成气孔缺陷，实际的检测证实，试样从心部到表面的整个断面上都均匀地分布着大小为5～40μm的气孔，估计气孔率达到17％，且与试样的直径或者说与试样的冷速无关。

(4)挤压铸造

挤压铸造就是先将镁基合金放入坩埚中熔炼，然后利用水压底注将熔体压入模具型腔；待熔体完全填满型腔后，在密闭的铸型内加压并保持一定时间，直到金属完全凝固。挤压铸造过程中，高压的作用使整个凝固期内液态金属与模具型壁之间更加紧密地接触，因而能增强合金与模具的传热，同时压力的应用还能够有效地避免气孔和收缩等铸造缺陷。2000年，Kang，Hyung Gu等(Kang H G，Park E S，et al.Fabrication of bulkMg-Cu-Ag-Y glassy alloy by squeeze casting.Mater Trans JIM，2000，41(7)：846)在Mg₆₅Cu₂₅Ag₁₀基础上用Y部分替代Cu利用挤压铸造的方法制备出了dmax达10mm的Mg₆₅Cu₁₅Y₁₀Ag₁₀的金属玻璃，同时作者还用注射成形的方法制备出了直径达6mm的Mg₆₅Cu₁₅Y₁₀Ag₁₀金属玻璃。本方法的不足之处是对设备的要求高，设备投资大。

大块非晶具有非凡的性能，在很多领域都能够得到应用。但是当前制备大块非晶合金的样品多为圆棒或者薄板，还需要后续的加工过程才能成为零件，但是非晶加工都具有工艺复杂和成本高的特点。更为严重的是，如果工艺控制不严，很容易使非晶薄板发生晶化，从而使得非晶零件报废。后续加工工艺的状况是很难改变的，唯一可行的就是设法省去加工的工序。这就提出了非晶产品的一次性成形问题。如何开发新的技术和新的设备而一次性的直接生产出非晶产品，突破这个难题对于块体非晶合金的商业化、工业化具有重要的意义。

综上所述，目前世界上块体金属玻璃的成形方法大多是为了制备试样而采用了传统的成形方法，由于大多需要成形速度快，通过吹铸或高速压铸的方法，制备的试样容易产生气孔等缺陷。因此，迫切需要开发新的充型能力强而又充型质量高的成形方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属玻璃熔体的铸造成形方法，该方法可达到直接成形出金属玻璃零件的目的，获得零件内部无气孔的高质量的材料，实现净终形成形。

本发明提供的一种金属玻璃熔体的铸造成形方法，其步骤为：

(1)根据金属玻璃的化学成分要求配制合金，将合金加入熔化炉熔化；

(2)调节金属玻璃熔体的温度到要求的浇注温度；

(3)当金属玻璃熔体的温度到达浇注温度时，抽取模具内的气体，使其产生负压度为5kPa～15kPa的负压，吸引熔化炉内坩埚中的金属玻璃熔体进入模具型腔内，成形为零件。

作为本发明方法的改进，在步骤(3)抽取模具内气体时，向熔化炉的坩埚内通入保护气体，该气体压力为10kPa～20kPa。

实现上述方法的装置，其结构为：带密封盖的坩埚位于熔化炉内，坩埚与模具之间通过吸引管相通，负压发生器通过连接管道与模具的上端相连，模具与负压发生器的连接管道上依次安装有控制阀、压力测量装置和负压稳定装置。

作为本发明装置的改进，保护气体管道的一端与坩埚相连，另一端与保护气源相连，其连接管上设有流量压力调节器和调节阀。

由于传统的铜模吹铸法在石英管内熔化，熔化量很小，只能制备很小的试样。采用本发明的方法后，可以利用较大的坩埚，可以一次熔化较多量的金属，可以制备较大的零件，也可以反复进行吸引浇注成形，大大提高了生产效率。本发明方法的充填能力很好，在没有差压的情况下，即仅仅是负压吸引浇注成形法，已实现的零件最小壁厚为2mm。在辅助差压的情况下，充填的零件壁厚可以更小。本发明的装置实现了金属玻璃熔体的负压及差压充型过程，能够成形壁厚从1mm～50mm厚的金属玻璃零件，压力调节范围大，负压度(真空度)可达5kPa；气体的正压可达20kPa。该装置操作简单，控制方便。

附图说明

图1为金属玻璃熔体的铸造成形装置的结构示意图；

图2为负压吸引浇注成形的直径3mm的Mg-Cu-Y金属玻璃棒；

图3为Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀金属玻璃的光学显微镜照片。

具体实施方式

本发明方法也称之为负压吸引浇注成形法，其工艺过程为：

(1)根据金属玻璃的化学成分要求配制合金，将合金加入熔化炉熔化。本发明方法适用于制备现有的各种化学成分的金属玻璃，包括镁基金属玻璃、铝基金属玻璃和铁基金属玻璃等，如Mg-Cu-Y、Al-Ni-Y-Co或Fe-Ga-B等。在制备易氧化的金属玻璃时，加料时向熔化炉内的坩埚中通入保护气体(如氮气或氩气等惰性气体)保护，以防止其氧化。

(2)调节金属玻璃熔体的温度到要求的浇注温度。温度过高，则浇注后致使冷却速度降低，难以形成大块非晶材料；温度过低时又会存在熔体充型困难的问题。

(3)当金属玻璃熔体的温度到达浇注温度时，抽取模具内的气体，使其产生负压，负压度(真空度)的大小范围为：5kPa～15kPa，吸引熔化炉内坩埚中的金属玻璃熔体进入模具型腔内，成形为零件。

为进一步提高金属玻璃熔体的充型能力，使其能够充填薄壁、复杂的型腔，可以在抽取气体产生负压的同时，向熔化炉的坩埚内通入保护气体，向其金属玻璃熔体液面施加气体压力，该气体压力为10kPa～20kPa。在制备易氧化的金属玻璃时，只需在成形时将通入的保护气体压力调节至10kPa～20kPa即可。这种方法也称之为负压一差压成形法。

实现上述方法的装置如图1所示，它包括熔化炉1、带密封盖的坩埚2、模具3、控制阀6、压力测量装置7、负压稳定装置8和负压发生器5。坩埚2与模具3之间通过吸引管4相通，负压发生器5通过连接管道与模具3的上端相连，模具3与负压发生器5的连接管上依次安装有控制阀6、压力测量装置7和负压稳定装置8。各部件之间的连接应保持良好的气密性。

熔化炉1可以是电阻熔化炉(如制备镁基、铝基金属玻璃时用)，也可以是感应熔化炉(如制备铁基金属玻璃时用)。金属玻璃材料熔化后，通过熔化炉1上的温度调节及控制装置PID调节金属玻璃熔体的温度到要求的浇注温度。吸引管4采用耐高温的材料制作。为提高冷却速度，模具3最好采用高纯度的紫铜制作，该模具气密性好，不漏气。负压发生器5可选用带控制阀的真空泵，负压稳定装置8可选用数个(如2～4个)串联而成的真空罐体。

负压发生器产生负压，在浇注之前的准备期间抽真空使负压稳定装置8产生一定的真空度。浇注开始时，开启控制阀6，负压发生器5通过连接管道对模具3抽取真空，产生负压，对下部的位于熔化炉内的金属玻璃熔体产生吸引作用。金属玻璃熔体通过吸引管4上升进入模具3内，充填型腔。型腔充填完成时，关闭负压发生器5和控制阀6，停止负压吸引功能。待温度降低后，打开模具，即可取出成形好的零件或试样。

当零件形状十分复杂或壁很薄从而导致充型非常困难的情况时，上述装置与保护气体装置联合使用，可实现负压-差压铸造成形：即在上述负压成形的基础上，在浇注时通过保护气体装置向坩埚内的金属玻璃熔体的表面施加气体正压，将金属玻璃熔体向下压，促进金属玻璃熔体通过吸引管4进入模具3，辅助负压充型过程，即构成所谓负压-差压成形。

保护气体装置的结构为：保护气体管道9的一端与带密封盖的坩埚2相连，其另一端与保护气源12相连，其连接管上设有流量压力调节器10和调节阀11。该保护气体装置既可以用于上述负压-差压成形过程，也可以用于制备易氧化的金属玻璃时通入保护气体，以防止其氧化。

实例1

在电阻炉内熔化镁基金属玻璃材料，成分为Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀。在Ar气保护下熔化，通过PID调节控制金属玻璃熔体的浇注温度在580～700℃之间。紫铜模具的试样直径为3mm。利用负压吸引浇注成形法成形，首先通过控制阀6、压力测量装置7和负压稳定装置8，负压发生器5控制装置的负压度(真空度)为8kPa。将模具与下端的吸引管及上端的管道连接装置连接好。浇注时，将吸引管插入金属熔体内，开启控制阀，坩埚内的金属玻璃熔体在负压的作用下，通过吸引管上升进入紫铜模具的型腔内。铸型充满，关闭控制阀，提起紫铜模具及吸引管离开坩埚。卸下吸引管，并将紫铜模具与连接管道分离。打开模具，取出零件，从而完成了整个浇注充型过程。重复上述过程，可进行下一次浇注成形。图2是利用负压吸引浇注成形法制备出的直径3mm的Mg-Cu-Y金属玻璃棒，最大长度可以达到200mm以上。图3是Mg-Cu-Y金属玻璃的金相组织，图中看不到晶粒组织结构，热分析(DSC分析)及X射线衍射表明为金属玻璃。

实例2

在电阻炉内熔化铝基金属玻璃材料，成分为Al₈₅Ni₅Y₈Co₂。在Ar气保护下熔化，通过PID调节控制金属玻璃熔体的浇注温度在700～750℃之间。紫铜模具的零件为平均厚度为2mm的板状零件。利用负压吸引浇注成形法成形，首先通过控制阀6、压力测量装置7和负压稳定装置8，负压发生器5控制装置的负压度(真空度)为10kPa。浇注时，将吸引管插入金属熔体内，开启控制阀，坩埚内的金属玻璃熔体在负压的作用下，通过吸引管上升进入紫铜模具的型腔内。铸型充满，关闭控制阀，提起紫铜模具及吸引管离开坩埚。卸下吸引管，并将紫铜模具与连接管道分离。打开模具，取出零件，从而完成了整个浇注充型过程。重复上述过程，可进行下一次浇注成形。

实例3

在电阻炉内熔化镁基金属玻璃材料，成分为Mg₇₅Ni₁₅Nd₁₀。在Ar气保护下熔化，通过PID调节控制金属玻璃熔体的浇注温度在650～750℃之间。紫铜模具的零件型腔为平均壁厚2mm的薄板。利用负压-差压成形法成形，首先通过控制阀6、压力测量装置7和负压稳定装置8，负压发生器5控制装置的负压度(真空度)为5kPa。将模具与下端的吸引管及上端的连接管道连接好。浇注时，将吸引管插入金属熔体内，利用保护气体装置及流量压力控制器控制坩埚内金属玻璃熔体液面的气体压力为10kPa。开启控制阀，坩埚内的金属玻璃熔体在负压及液面气压的双重作用下，通过吸引管上升进入紫铜模具的型腔内。铸型充满，关闭控制阀，提起紫铜模具及吸引管离开坩埚。卸下吸引管，并将紫铜模具与连接管道分离。打开模具，取出零件，从而完成了整个浇注充型过程。重复上述过程，可进行下一次浇注成形。

Claims

1、一种金属玻璃熔体的铸造成形方法，其步骤为：

(2)调节金属玻璃熔体的温度到要求的浇注温度；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(1)进行加料时，向熔化炉内的坩埚中通入保护气体。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在步骤(3)抽取模具内气体时，向熔化炉的坩埚内通入保护气体，该气体压力为10kPa～20kPa。

4、一种金属玻璃熔体的铸造成形装置，其特征在于：带密封盖的坩埚(2)位于熔化炉(1)内，坩埚(2)与模具(3)之间通过吸引管(4)相通，负压发生器(5)通过连接管道与模具(3)的上端相连，模具(3)与负压发生器(5)的连接管道上依次安装有控制阀(6)、压力测量装置(7)和负压稳定装置(8)。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：保护气体管道(9)的一端与坩埚(2)相连，另一端与保护气源(12)相连，其连接管上设有流量压力调节器(10)和调节阀(11)。