專利名稱：一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬的鑄造成形方法，特別是一種鋯基非晶合金的鑄造成形方法。
背景技術(shù)：
塊體非晶合金的特殊結(jié)構(gòu)，賦予了這種合金比傳統(tǒng)的晶態(tài)材料具有更為優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能。其中受到人們廣泛關(guān)注的是Zr系非晶合金體系中的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(l.咖22.5塊體非晶合金，由于Zr基塊體非晶合金的高強(qiáng)度、高硬度、高斷裂韌性、耐摩擦、耐腐蝕、抗輻射、無磁性等優(yōu)良特性，使其作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料顯示了重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。
錯(cuò)基塊體非晶合金(Zr-based bulk amorphous alloy)的優(yōu)良性能和極高的玻璃形成能力以及低的臨界冷卻速率，是現(xiàn)有非晶合金體系中最具應(yīng)用價(jià)值的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。但受其微觀結(jié)構(gòu)特性影響，無法用常規(guī)的鍛造或焊接方法進(jìn)行加工成形。雖然在過冷液相區(qū)Zr基塊體非晶合金具有優(yōu)良的超塑性特點(diǎn)，但超塑性范圍很窄，工藝參數(shù)極難控制，而且對(duì)設(shè)備性能要求也很高。另外，在過冷液相區(qū)成形，也極易誘發(fā)非晶態(tài)的晶化轉(zhuǎn)變，使材料的力學(xué)性能發(fā)生劣化。由于Zr基塊體非晶合金成形制備技術(shù)相對(duì)于基礎(chǔ)研究的滯后，使其應(yīng)用受到極大限制。特別是作為大尺寸結(jié)構(gòu)件的制備成形技術(shù)到目前為止還鮮見報(bào)道。因此，Zr基塊體非晶合金的制備成形技術(shù)已成為制約其在工程應(yīng)用中的瓶頸。為了克服塊體非晶合金成形難的問題，利用合金熔體的流動(dòng)性，進(jìn)行鑄造成形是實(shí)現(xiàn)低成本加工成形的有效技術(shù)途徑。但由于該合金體系中的Zr和Ti是化學(xué)活潑元素，在熔煉過程中會(huì)與陶瓷材料坩堝(如氧化鎂坩堝、氧化鋁坩堝、碳化硅坩堝等)發(fā)生反應(yīng)而形成含Zr或Ti的化合物，導(dǎo)致非晶形成能力降低和晶化相的析出，從而惡化鋯基塊體非晶合金(Zr-basedbulk amorphous alloy)的力學(xué)性能。另外,在以往的錯(cuò)基塊體非晶合金制備過程中，大都采用高純度(純度大于99. 99%)的鋯、鈦、銅、鎳和鈹金屬材料，增加了鋯基塊體非晶合金的制備成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)效率高、制作成本低、可工業(yè)化生產(chǎn)的塊體鋯基非晶合金鑄件的鑄造成形方法。本發(fā)明主要是采用真空水冷銅坩堝懸浮熔煉的鑄造成形方法，非晶合金液體與水冷銅坩堝壁幾乎不接觸，避免了鋯基塊體非晶合金熔煉時(shí)合金液體與坩堝的反應(yīng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一、原材料本發(fā)明的鋯基塊體非晶合金鑄件的化學(xué)成分(at%)是Zr 35-45、Ti 11-16、Cu10-15、Ni 8-12、Be 16-25。上述原料為工業(yè)級(jí)純度的海綿鋯(Zr)、海綿鈦(Ti)和純銅(Cu)、純鎳(Ni)以及鈹(Be)。為了保證熔煉過程合金成分的均勻性，上述金屬原材料的鋯、鈦、銅和鎳要求在長、寬和高三個(gè)方向的尺寸都要小于20mm，而鈹?shù)娜S尺寸要小于5mm。二、上述鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法( I)熔煉前，對(duì)上述原材料用超聲波在酒精介質(zhì)中進(jìn)行凈化處理,每種原料分別使用超聲波處理5分鐘，以去除材料表面所依附的灰分等物質(zhì)，減少或消除熔煉和凝固過程中合金熔體的異質(zhì)形核劑數(shù)量，保證非晶形成能力。
(2)將上述處理好的原材料每一種平均分成兩份，按其各自的密度，密度低的放在坩堝的最底部，依次將密度高的放在頂層，由下到上的布料順序?yàn)殁?、鈦、鋯、銅、鎳，按上述順序?qū)⑸鲜龇趾玫脑戏輧纱沃貜?fù)布料裝入真空感應(yīng)水冷銅坩堝懸浮熔煉爐的坩堝中，以保證合金熔化時(shí)在密度差的作用下，低密度的合金上浮，高密度的合金下降，借助于密度差和感應(yīng)加熱圈的磁力作用形成強(qiáng)烈對(duì)流，以便得到成分均勻的合金液體。布料時(shí)要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時(shí)與銅坩堝發(fā)生粘結(jié)。(3)然后合爐進(jìn)行抽真空，當(dāng)爐內(nèi)的真空度達(dá)到4. 6X 10_3Pa時(shí)，充入O. 05MPa的氬氣保護(hù)，開始加熱熔煉。首先在60KW的功率保持5分鐘，以保證原材料能被充分預(yù)熱，再將功率提高至80KW保持5分鐘，繼續(xù)將功率加至120KW保持5分鐘，此時(shí)金屬材料開始熔化，為了提高合金液的溫度，最后將功率加至140KW使合金熔體的溫度達(dá)到800°C以上，進(jìn)行澆注時(shí)溫度要控制在800-1200°C的范圍內(nèi)。最后即可獲得塊體非晶合金鑄件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I、提高生產(chǎn)效率，用本申請(qǐng)專利技術(shù)生產(chǎn)I個(gè)2kg的鑄件所用時(shí)間為3. 5小時(shí)，比用非自耗電弧爐熔煉和中頻感應(yīng)熔煉爐(非水冷銅坩堝)相結(jié)合的方法節(jié)省時(shí)間19. 5小時(shí)，效率提高了 557%。2、制造成本大幅度降低。僅原材料部分與使用高純鋯和高純鈦相比就可使每公斤制造成本降低228. 7%，如果加上節(jié)省的時(shí)間及相應(yīng)的人工費(fèi)用，每公斤成本的降低幅度更大。3、本發(fā)明最大可制造4. Ikg高基塊體非晶合金鑄件，目前還沒有這種大尺寸和重量的鋯基塊體非晶合金鑄件的報(bào)道，并可實(shí)現(xiàn)鑄造鋯基塊體非晶合金鑄件的工業(yè)化生產(chǎn)。4、本發(fā)明鑄造成形的鋯基塊體非晶合金鑄件的非晶形成能力、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能與高純度金屬原材料制造的Zr基塊體非晶合金件相比沒有降低。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I獲得的Zr35Ti16Cu12Ni12Be25鋯基塊體非晶合金角形鑄件圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2獲得的Zr41Ti13Cu13.5Ni1QBe22.5鋯基塊體非晶合金環(huán)形鑄件圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例3獲得的Zr45Ti12Cu15Ni9Be19鋯基塊體非晶合金圓盤形鑄件圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3獲得的非晶合金與高純金屬鋯制備的非晶合金的XRD圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3獲得的非晶合金與高純金屬鋯制備的非晶合金的DSC圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例I獲得的鋯基塊體非晶合金與高純金屬制造的鋯基塊體非晶合金在不同壓縮速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所制備的塊體鋯基非晶合金的XRD曲線在2 Θ =38°附近有一個(gè)大的彌散峰，無任何晶態(tài)峰出現(xiàn)，是典型的非晶特征譜線，說明所制備非晶合金在XRD檢測精度內(nèi)為完全非晶態(tài)。從圖5曲線可以看出，加熱速率為ΙΟΚ/min，本發(fā)明實(shí)施例所制備的塊體鋯基非晶合金在升溫過程中有明顯的吸熱/放熱過程，是典型的非晶特征曲線，其熱力學(xué)特征溫度如下表，證明了本發(fā)明制備的塊體非晶合金鑄件為完全非晶態(tài)。從圖6所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所制備的塊體鋯基非晶合金與高純度金屬原材料鑄造的塊體非晶合金鑄件的壓縮強(qiáng)度基本一致，但熔化效率得到提高而制備成本則顯著降低。表I是用高純金屬材料和工業(yè)純金屬材料制備的塊體非晶合金的熱力學(xué)特征參數(shù)。表I
權(quán)利要求
1.一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法，其特征在于 (1)該鋯基塊體非晶合金鑄件的化學(xué)成分的3七％是Zr35-45,Ti 11-16,Cu 10-15,Ni8-12、Be 16-25，上述原料為工業(yè)級(jí)純度的海綿鋯、海綿鈦和純銅、純鎳以及鈹，上述金屬原材料的鋯、鈦、銅和鎳要求在長、寬和高三個(gè)方向的尺寸都要小于20mm，而鈹?shù)娜S尺寸要小于5mm ； (2)熔煉前，對(duì)上述原材料用超聲波在酒精介質(zhì)中進(jìn)行凈化處理，每種原料分別使用超聲波處理5分鐘，以去除材料表面所依附的灰分等物質(zhì)，； (3)將上述處理好的原材料每一種平均分成兩份，按其各自的密度，密度低的放在坩堝的最底部，依次將密度高的放在頂層，由下到上的布料順序?yàn)殁?、鈦、鋯、銅、鎳，按上述順序?qū)⑸鲜龇趾玫脑戏輧纱沃貜?fù)布料裝入真空感應(yīng)水冷銅坩堝懸浮熔煉爐的坩堝中，布料時(shí)要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時(shí)與銅坩堝發(fā)生粘結(jié)； (4)合爐進(jìn)行抽真空，當(dāng)爐內(nèi)的真空度達(dá)到4.6X 10_3Pa時(shí)，充入O. 05MPa的氬氣保護(hù)，開始加熱熔煉，首先在60KW的功率保持5分鐘，再將功率提高至80KW保持5分鐘，繼續(xù)將功率加至120KW保持5分鐘，此時(shí)金屬材料開始熔化，最后將功率加至140KW使合金熔體的溫度達(dá)到800°C以上，進(jìn)行澆注時(shí)溫度要控制在800-1200°C的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法，其鑄件的化學(xué)成分的at%是Zr 35-45、Ti 11-16、Cu 10-15、Ni 8-12、Be 16-25，熔煉前對(duì)上述原材料用超聲波在酒精介質(zhì)中進(jìn)行凈化處理，再將每一種平均分成兩份，按其各自的密度，由下到上兩次重復(fù)布料裝入坩堝中，布料時(shí)要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時(shí)與銅坩堝發(fā)生粘結(jié)；然后合爐進(jìn)行抽真空，充入0.05MPa的氬氣保護(hù)，開始加熱熔煉，在60KW、80KW、120KW各保持5分鐘后將功率加至140KW使合金熔體的溫度達(dá)到800°C以上。本發(fā)明生產(chǎn)效率高、制造成本低、最大可制造4kg以上的鑄件，可實(shí)現(xiàn)鋯基塊體非晶合金鑄件的工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C45/10GK102877010SQ20121036702
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者馬明臻, 劉日平, 張新宇, 馬德強(qiáng) 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)