專利名稱：一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)長(zhǎng)非晶合金管成形裝置及方法。
背景技術(shù)：
非晶合金由于不具有長(zhǎng)程原子有序的微觀結(jié)構(gòu)，因而具有諸如高彈性極限、高強(qiáng) 度、高硬度、高耐磨性、高耐蝕性等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。目前非晶合金管已經(jīng)作為質(zhì)量 流量計(jì)的傳感器部件得到了應(yīng)用。非晶合金是一種快速凝固材料，制備非晶合金管材的方 法主要有銅模鑄造法、拔芯法和感應(yīng)吸鑄法等，銅模鑄造法主要是將非晶合金液體注入帶 有型芯的模具中，從而快速凝固形成非晶合金管材，非晶合金管材模具的材質(zhì)一般為純銅， 中國(guó)專利號(hào)為200710072125.
公開(kāi)日為2007年9月19日的發(fā)明專利公開(kāi)了一種制備非 晶合金管的方法，該專利屬銅模鑄造法，該專利雖具有工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是，由于模具和 型芯均為銅，因此，取芯時(shí)存在型芯與非晶合金管難分離的問(wèn)題。拔芯法是先將非晶合金液 體充入帶有型芯的模具中冷至室溫，隨后加熱型芯，與型芯接觸的非晶合金管內(nèi)壁也被加 熱，當(dāng)內(nèi)壁的非晶合金達(dá)到過(guò)冷液相區(qū)溫度時(shí)，由于非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)具有超塑性， 很小的外力就可以將型芯拔出，同時(shí)該方法能保證非晶合金管材具有光滑的內(nèi)壁。但是， 銅模鑄造法與拔芯法只適用于制備厚壁非晶合金管材，制備薄壁非晶合金管材(壁厚小于 lmm)時(shí)，采用上述兩種方法會(huì)出現(xiàn)薄壁處不能充型的問(wèn)題。感應(yīng)吸鑄法是將液態(tài)非晶合金 液從底部吸入冷態(tài)管狀模具中，與模具壁相接觸的非晶合金液體很快凝固從而形成管狀凝 殼，而模具中心處的非晶合金液體不能立刻凝固，當(dāng)吸鑄產(chǎn)生的合金液體流速達(dá)到一定值 時(shí)，模具中心的非晶合金液體由于未得到凝固而被吸走，從而留下非晶合金管，感應(yīng)吸鑄法 不存在薄壁充型的問(wèn)題，因而能制備薄壁細(xì)長(zhǎng)管。但是，感應(yīng)吸鑄法制備含有活潑金屬的合 金時(shí)，感應(yīng)坩堝容易與非晶合金發(fā)生反應(yīng)，且感應(yīng)吸鑄法的制備裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有制備非晶合金管材的方法主要有銅模鑄造法、拔芯法 和感應(yīng)吸鑄法，銅模鑄造法與拔芯法制備薄壁非晶合金管材(壁厚小于lmm)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)薄 壁處不能充型；感應(yīng)吸鑄法制備含有活潑金屬的合金時(shí)，感應(yīng)坩堝容易與非晶合金發(fā)生反 應(yīng)的問(wèn)題，提供了一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置及方法。 本發(fā)明包括電弧熔煉爐、銅坩堝、石墨管、接管、支撐墊、石英玻璃、測(cè)溫裝置、紅 外傳感器、吸鑄閥、機(jī)械泵、鎢極棒、金屬模具、吸鑄控制器和熔化電流控制器，接管的一端 設(shè)置在電弧熔煉爐的側(cè)壁上，接管的另一端與機(jī)械泵連接，吸鑄閥裝在接管上，石英玻璃裝 在電弧熔煉爐的底部中心孔中，測(cè)溫裝置位于電弧熔煉爐的底部中心孔的下方，紅外傳感 器位于測(cè)溫裝置的下方，銅坩堝的上端面設(shè)有凹坑，銅坩堝的中心處設(shè)有與凹坑相通的階 梯形石墨管孔，石墨管裝在階梯形石墨管孔中，鎢極棒的鎢極端位于凹坑中，金屬模具由
兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半圓柱體構(gòu)成，金屬模具的中心軸線處設(shè)有模腔，模腔的內(nèi)徑為①2.5 。3. 5mm，金屬模具的長(zhǎng)度為200 300mm，金屬模具通過(guò)支撐墊裝在電弧熔煉爐中，銅坩堝的下端面與金屬模具和電弧熔煉爐的上端面連接，且石墨管的管孔與模腔正對(duì)，紅外傳 感器和吸鑄閥分別通過(guò)導(dǎo)線與吸鑄控制器連接，吸鑄控制器通過(guò)導(dǎo)線與熔化電流控制器連 接。 本發(fā)明方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一 首先將合金錠放入銅坩堝中的凹坑 底部；步驟二 電弧熔煉爐內(nèi)的真空度為5. OX 10—3 6. OX 10—3Pa ;步驟三熔化電流控制 器控制熔化電流為250 400A，熔化時(shí)間為2 3S ;步驟四當(dāng)合金錠底部的溫度達(dá)到液相 溫度以上時(shí)，合金錠熔化成合金液，這時(shí)，吸鑄控制器將吸鑄閥打開(kāi)，機(jī)械泵將電弧熔煉爐 內(nèi)腔中的氣體抽出，電弧熔煉爐的內(nèi)腔上、下之間形成負(fù)壓，合金液在負(fù)壓作用下被吸入金 屬模具的模腔中，當(dāng)合金液進(jìn)入模腔后，與模腔側(cè)壁接觸的合金液迅速冷卻并凝固在模腔 側(cè)壁上形成薄壁金屬凝殼，金屬凝殼的厚度為1mm以下，位于模腔中心未凝固的合金液在 壓差的作用下被吸出模具，模腔側(cè)壁上凝固的薄壁合金凝殼即為非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一、本發(fā)明的方法利用金屬模具，通過(guò)控制熔化電流，吸鑄閥的 開(kāi)啟，可以得到非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管，因此，本發(fā)明可制備壁厚小于lmm的薄壁管。由于本 發(fā)明采用電弧熔煉法熔化合金錠，因此，坩堝不會(huì)與非晶合金錠發(fā)生反應(yīng)。二、本發(fā)明的裝 置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用本發(fā)明的方法和裝置制備Ti基、Zr基等含活潑金屬的非晶合金管。


圖1是具體實(shí)施方式
一的結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖2是具體實(shí)施方式
四中的步驟四中位 于模腔4-1中心未凝固的合金液在壓差的作用下被吸出模具時(shí)的狀態(tài)圖；圖3是具體實(shí)施 方式四中的步驟四中模腔4-l側(cè)壁上凝固形成的薄壁合金凝殼的狀態(tài)圖；圖4是本發(fā)明 制備的多層復(fù)合非晶合金管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是合金錠17的成分為Zr41Ti14Ni1QCUl2Be23 時(shí)，得到的非晶合金細(xì)管的樣品外觀圖；圖6是合金錠17的成分為Ti4。Zr25Ni3CUl2Be2。時(shí)， 得到的非晶合金細(xì)管的樣品外觀圖；圖7是合金錠17的成分為Fe41C07Cr15M0l4C15B6Y2時(shí)， 得到的非晶合金細(xì)管的樣品外觀圖；圖8是合金錠17的成分為Zr41Ti14Ni10CUl2Be23時(shí)， 制成的非晶合金管截面的掃描電鏡圖；圖9是合金錠17的成分為Zr41Ti14Ni10CUl2Be23、 Ti4。Zr25Ni3Ci^Be2?；騀e4iCo7Ci^MoM(^B6Y2時(shí)，得到的非晶合金細(xì)管樣品的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 結(jié)合圖1 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括電弧熔煉爐 1、銅坩堝2、石墨管3、接管5、支撐墊6、石英玻璃7、測(cè)溫裝置8、紅外傳感器9、吸鑄閥10、 機(jī)械泵11、鎢極棒15、金屬模具4、吸鑄控制器12和熔化電流控制器13，接管5的一端設(shè)置 在電弧熔煉爐1的側(cè)壁上，接管5的另一端與機(jī)械泵11連接，吸鑄閥10裝在接管5上，石 英玻璃7裝在電弧熔煉爐1的底部中心孔中，測(cè)溫裝置8位于電弧熔煉爐1的底部中心孔 的下方，紅外傳感器9位于測(cè)溫裝置8的下方，銅坩堝2的上端面設(shè)有凹坑2-l，銅坩堝2的 中心處設(shè)有與凹坑2-1相通的階梯形石墨管孔2-2，石墨管3裝在階梯形石墨管孔2-2中， 鎢極棒15的鎢極端位于凹坑2-1中，金屬模具4由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半圓柱體構(gòu)成，金屬模 具4的中心軸線處設(shè)有模腔4-l，模腔4-l的內(nèi)徑為①2.5 。3. 5mm，金屬模具4的長(zhǎng)度 為200 300mm，金屬模具4通過(guò)支撐墊6裝在電弧熔煉爐1中，銅坩堝2的下端面與金屬 模具4和電弧熔煉爐1的上端面連接，且石墨管3的管孔與模腔4-l正對(duì)，紅外傳感器9和吸鑄閥10分別通過(guò)導(dǎo)線與吸鑄控制器12連接，吸鑄控制器12通過(guò)導(dǎo)線與熔化電流控制器 13連接。鴇極棒15通過(guò)導(dǎo)線與電源14連接，銅坩堝2通過(guò)導(dǎo)線與電源14連接，吸鑄控制 器12和熔化電流控制器13分別通過(guò)導(dǎo)線與電源14連接。熔化電流控制器13用以調(diào)節(jié)電 弧爐的熔化電流。測(cè)溫裝置8和紅外傳感器9用來(lái)檢測(cè)銅坩堝2上的凹坑2-1底部的合金 錠17的溫度。通過(guò)改變模腔4-l的內(nèi)徑、吸鑄閥門開(kāi)啟時(shí)間和熔化電流，可以得到不同外 徑和壁厚的非晶合金薄壁管。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的金屬模具4的模 腔4-l內(nèi)徑為①3mm，金屬模具4的長(zhǎng)度為250mm。本發(fā)明適合制備非晶合金薄壁管，模腔 4-l內(nèi)徑和金屬模具4的長(zhǎng)度為上述數(shù)值時(shí)，形成的非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管的效果最佳。其它 組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同 的是所述裝置還增加有密封墊16，金屬模具4的上端面設(shè)有環(huán)形槽4-2，密封墊16裝在環(huán) 形槽4-2中。這樣設(shè)計(jì)增加了銅坩堝2的下端面與金屬模具4的上端面的密封性。其它組 成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的步 驟一 首先將合金錠17放入銅坩堝2中的凹坑2-1底部，利用電弧將合金錠17熔化；步驟
二 電弧熔煉爐1內(nèi)的真空度為5.0X10—3 6.0X10—卞a;步驟三熔化電流控制器13控 制熔化電流為250 400A，熔化時(shí)間為2 3S ;步驟四當(dāng)合金錠17底部的溫度達(dá)到液相 溫度以上時(shí)，合金錠17熔化成合金液，這時(shí)，吸鑄控制器12將吸鑄閥IO打開(kāi)，機(jī)械泵11 將電弧熔煉爐1內(nèi)腔中的氣體抽出，電弧熔煉爐1的內(nèi)腔上、下之間形成負(fù)壓，合金液在負(fù) 壓作用下被吸入金屬模具4的模腔4-1中，當(dāng)合金液進(jìn)入模腔4-1后，與模腔4-1側(cè)壁接 觸的合金液迅速冷卻并凝固在模腔4-l側(cè)壁上形成很薄的金屬凝殼，金屬凝殼的厚度t為 lmm以下，位于模腔4-l中心未凝固的合金液在壓差的作用下被吸出模具，如圖2所示，模 腔4-l側(cè)壁上凝固的薄壁合金凝殼即為非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管18，如圖3所示。位于模腔 4-1中心未凝固的合金液凝固需要一定的時(shí)間，由于上、下腔體大的壓差和合金液良好的流 動(dòng)性使模具中合金液流速很大，因此，模具中心的合金液還未凝固就很容易被吸出模具，如 圖2所示。合金錠17的成分為Zi^TiMN^Ci^Be^at. % ) 、 Ti4。Zr25Ni3Cu12Be2。 (at. % )或 Fe41Co7Cr15M0l4C15B6Y2(at. % )。通過(guò)改變金屬模具4的模腔4_1內(nèi)徑，控制熔化電流和吸鑄 閥10的開(kāi)啟時(shí)間等工藝參數(shù)，可以得到不同外徑和lmm以下壁厚的非晶薄壁細(xì)長(zhǎng)管。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖1 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟四中金屬模 具4的材料為純銅。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和耐蝕性。其它步驟與具體實(shí) 施方式四相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不 同點(diǎn)在于本發(fā)明還包括步驟五將步驟四制備完成的非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管18再次裝入金 屬模具4的模腔4-l中，重復(fù)步驟二、三、四，即得到二層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管19。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六的不 同點(diǎn)在于本發(fā)明還包括步驟六將步驟五制備完成的二層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管19再 次裝入金屬模具4的模腔4-1中，重復(fù)步驟二、三、四，即得到三層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管 20。本發(fā)明通過(guò)改變金屬模具4的模腔4-l內(nèi)徑，控制熔化電流和吸鑄閥10的開(kāi)啟時(shí)間等
5工藝參數(shù)，可以得到多層復(fù)合非晶合金管。
本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例 (1)、選擇合金錠17的成分為Zi^TiMN^Ci^BeJat. % )、合金錠17的質(zhì)量為10 克，熔化電流300A，熔化時(shí)間2. 5S，電弧爐真空度為5. 5X10—3Pa，得到的非晶合金細(xì)管的樣 品外觀如圖5所示。圖7是Zr41Ti14Ni1QCUl2Be23非晶合金管樣品截面的掃描電鏡圖片，管外 徑為3mm，管壁為0. 5mm，從圖8可清晰見(jiàn)到，通過(guò)本發(fā)明裝置和方法制得的薄壁非晶管的管 徑均勻，內(nèi)徑圓整，管內(nèi)壁光滑。 (2)、選擇合金錠17的成分為Ti4。Zr25Ni3Cu12Be2。(at. % )，合金錠17的質(zhì)量為10 克，熔化電流270A，熔化時(shí)間2. 5S，電弧爐真空度為6. OX 10—3Pa，得到的非晶合金細(xì)管的樣 品外觀如圖6所示。 (3)、選擇合金錠17的成分為Fe41C07Cr15Mo14C15B6Y2 (at. % )，合金錠17的質(zhì)量為10 克，熔化電流350A，熔化時(shí)間2. 5S，電弧爐真空度為5. 0X10—3Pa，得到的非晶合金細(xì)管的樣 品外觀如圖7所示。 通過(guò)上述三個(gè)實(shí)例可明顯的看出采用本發(fā)明的裝置和方法，制備非晶合金 管的尺寸精度和表面質(zhì)量都得到了保證。從圖9中的X射線衍射圖譜中可明顯看出， Zr41Ti14Ni10Cu12Be23(圖9中a) 、Ti4。Zr25Ni3Cu12Be2。(圖9中b)或Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 (圖9 中c)合金管樣品均為非晶態(tài)。
權(quán)利要求
一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置，所述裝置包括電弧熔煉爐(1)、銅坩堝(2)、石墨管(3)、接管(5)、支撐墊(6)、石英玻璃(7)、測(cè)溫裝置(8)、紅外傳感器(9)、吸鑄閥(10)、機(jī)械泵(11)和鎢極棒(15)，接管(5)的一端設(shè)置在電弧熔煉爐(1)的側(cè)壁上，接管(5)的另一端與機(jī)械泵(11)連接，吸鑄閥(10)裝在接管(5)上，石英玻璃(7)裝在電弧熔煉爐(1)的底部中心孔中，測(cè)溫裝置(8)位于電弧熔煉爐(1)的底部中心孔的下方，紅外傳感器(9)位于測(cè)溫裝置(8)的下方，銅坩堝(2)的上端面設(shè)有凹坑(2-1)，銅坩堝(2)的中心處設(shè)有與凹坑(2-1)相通的階梯形石墨管孔(2-2)，石墨管(3)裝在階梯形石墨管孔(2-2)中，鎢極棒(15)的鎢極端位于凹坑(2-1)中，其特征在于所述裝置還包括金屬模具(4)、吸鑄控制器(12)和熔化電流控制器(13)，金屬模具(4)由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半圓柱體構(gòu)成，金屬模具(4)的中心軸線處設(shè)有模腔(4-1)，模腔(4-1)的內(nèi)徑為Φ2.5～Φ3.5mm，金屬模具(4)的長(zhǎng)度為200～300mm，金屬模具(4)通過(guò)支撐墊(6)裝在電弧熔煉爐(1)中，銅坩堝(2)的下端面與金屬模具(4)和電弧熔煉爐(1)的上端面連接，且石墨管(3)的管孔與模腔(4-1)正對(duì)，紅外傳感器(9)和吸鑄閥(10)分別通過(guò)導(dǎo)線與吸鑄控制器(12)連接，吸鑄控制器(12)通過(guò)導(dǎo)線與熔化電流控制器(13)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置，其特征在于所述金屬模 具(4)的模腔(4-1)內(nèi)徑為①3mm，金屬模具(4)的長(zhǎng)度為250mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置，其特征在于所述裝 置還包括密封墊(16)，金屬模具(4)的上端面設(shè)有環(huán)形槽(4-2)，密封墊(16)裝在環(huán)形槽 (4-2)中。
4. 一種利用權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形方法，其特征在于所述方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一 首先將合金錠(17)放入銅坩堝(2)中的凹坑(2-1)底部；步驟二電弧熔煉爐(1)內(nèi)的真空度為5.0X10—3 6.0X10—卞a;步驟三 熔化電流控制器(13)控制熔化電流為250 400A，熔化時(shí)間為2 3S ;步驟四當(dāng)合金錠 (17)底部的溫度達(dá)到液相溫度以上時(shí)，合金錠(17)熔化成合金液，這時(shí)，吸鑄控制器(12) 將吸鑄閥(10)打開(kāi)，機(jī)械泵(11)將電弧熔煉爐(1)內(nèi)腔中的氣體抽出，電弧熔煉爐(1)的 內(nèi)腔上、下之間形成負(fù)壓，合金液在負(fù)壓作用下被吸入金屬模具(4)的模腔(4-1)中，當(dāng)合 金液進(jìn)入模腔(4-1)后，與模腔(4-1)側(cè)壁接觸的合金液迅速冷卻并凝固在模腔(4-1)側(cè) 壁上形成很薄的金屬凝殼，金屬凝殼的厚度(t)為lmm以下，位于模腔(4-1)中心未凝固的 合金液在壓差的作用下被吸出模具，模腔(4-1)側(cè)壁上凝固的薄壁合金凝殼即為非晶合金 薄壁細(xì)長(zhǎng)管(18)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形方法，其特征在于所述步驟四 中金屬模具(4)的材料為純銅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形方法，其特征在于所述方法還 包括步驟五將步驟四制備完成的非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管(18)再次裝入金屬模具(4)的模腔 (4-1)中，重復(fù)步驟二、三、四，即得到二層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管(19)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形方法，其特征在于所述方法還包括步驟六將步驟五制備完成的二層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管(19)再次裝入金屬模具(4)的模腔(4-1)中，重復(fù)步驟二、三、四，即得到三層復(fù)合非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管(20)。
全文摘要
一種非晶合金薄壁細(xì)長(zhǎng)管成形裝置及方法，它涉及一種非晶合金管成形裝置及方法。本發(fā)明為解決現(xiàn)有制備非晶合金管材會(huì)出現(xiàn)薄壁處不能充型，感應(yīng)坩堝容易與非晶合金發(fā)生反應(yīng)的問(wèn)題。裝置由電弧熔煉爐、銅坩堝、測(cè)溫裝置、吸鑄閥、機(jī)械泵、鎢極棒、金屬模具、吸鑄控制器和熔化電流控制器組裝成具有模腔的成型裝置；方法放入合金錠；真空度為5.0×10-3～6.0×10-3Pa；熔化電流為250～400A；合金錠底部的溫度達(dá)液相溫度以上時(shí)，吸鑄控制器將吸鑄閥打開(kāi)，機(jī)械泵將電弧熔煉爐內(nèi)腔的氣體抽出，合金液進(jìn)入模腔后與側(cè)壁接觸的合金液在模腔側(cè)壁上形成很薄的金屬凝殼，中心未凝固的合金液被吸出模具。本發(fā)明用于細(xì)長(zhǎng)合金管的成形。
文檔編號(hào)B22D18/06GK101774009SQ20101003250
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者沈軍, 鄭偉, 魏先順, 黃永江 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)