專利名稱：一種塊體非晶態(tài)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塊體非晶態(tài)合金的一種制備方法，具體地講，本發(fā)明涉及采用氣壓差鑄入法制備塊體非晶態(tài)合金。
非晶態(tài)合金具有許多優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，具有晶態(tài)金屬難以達(dá)到的高強(qiáng)度、高硬度、高延展性、高磁導(dǎo)率、高耐蝕性以及優(yōu)異的電性能、抗輻照能力和較好的催化及貯氫能力，因而在現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防、通訊等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是，非晶態(tài)合金的研究和應(yīng)用受到其樣品尺寸的限制，這是由于采用熔體急冷等制備方法制備非晶態(tài)合金時(shí)通常需要極大的冷卻速度(每秒十萬度以上)，這樣樣品在某一個(gè)方向上的尺寸必然很小，一般小于100μm。為此，有重要實(shí)際應(yīng)用的非晶態(tài)合金只能以薄帶、薄片、細(xì)絲或粉末的形式制備出來，使這種材料在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。制備出三維塊體非晶態(tài)合金已成為一項(xiàng)共同關(guān)注的世界難題。
近年來，在塊體非晶態(tài)合金的制備方面取得了突破性進(jìn)展。日本東北大學(xué)的A.Inoue首先在La基合金中制備出3mm厚的塊體非晶。隨后，美國(guó)加州理工學(xué)院的W.L.Johnson在Zr基合金中制備出14mm厚的塊體非晶。在近幾年中，以美、日、德為主的研究單位展開了大量深入的研究工作，因此近期在國(guó)際范圍掀起了一個(gè)塊體非晶態(tài)合金的研究熱潮。最近的性能測(cè)試結(jié)果表明，Zr基塊體非晶態(tài)合金不僅具有極高的抗拉強(qiáng)度，而且具有與常規(guī)高合金鋼相近的斷裂韌性。這是十分罕見的優(yōu)異性能，具有很大的應(yīng)用前景。非晶態(tài)合金一般具有很低的彈性模量，因此可用作高彈性材料。用塊體非晶態(tài)合金制造的高爾夫球桿端頭比目前采用的Ti合金性能優(yōu)越。塊體非晶態(tài)合金的另一優(yōu)點(diǎn)是易于加工。由于非晶態(tài)合金實(shí)際上是過冷液態(tài)，因此可采用一次近成型壓力加工工藝制造出形狀復(fù)雜的工件，工藝簡(jiǎn)便，成本低。另外，一些塊體非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的軟磁或硬磁性能，可用作磁記錄和磁頭材料，在通訊等方面有著很大的應(yīng)用前景。
目前，塊體非晶態(tài)合金的制備方法主要有水淬、模鑄、壓鑄、吸鑄等方法。水淬法是將熔化的母合金直接淬入冷卻介質(zhì)中，方法簡(jiǎn)單。但由于冷卻介質(zhì)的阻力作用，其冷卻速度較低，在很多合金系中都不易形成塊體非晶態(tài)合金。水淬法制備出的合金還有兩種嚴(yán)重的缺陷，一是形狀很難控制，二是表面有氧化現(xiàn)象。模鑄法是將熔化的母合金直接鑄入金屬模具中，可以顯著提高母合金的冷卻速度。但是由于母合金熔體與金屬模具內(nèi)的壓差接近，造成鑄入時(shí)流速慢，導(dǎo)致冷卻速度降低。另外，噴嘴內(nèi)的合金熔體氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。由于不同合金熔體氧化程度不同，使噴嘴底部開口直徑大小很難控制，而且制備出的塊體非晶也存在著表面氧化現(xiàn)象。壓鑄法和吸鑄法可以避免水淬法和模鑄法的缺點(diǎn)，但其制備裝置復(fù)雜，操作復(fù)雜，成本高。
本發(fā)明的目的在于提供一種塊體非晶態(tài)合金的制備方法，該方法可以有效地提高非晶形成能力。
本發(fā)明提供的制備方法，適用于塊體非晶態(tài)合金的制備，包括Zr系、Nd系等，其特征在于首先將純金屬組元在高純氬氣保護(hù)下置于電弧爐中，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化，反復(fù)熔化2～3遍，制成母合金；將母合金置于石英套簡(jiǎn)內(nèi)的石英噴嘴中，用夾具將其固定，并密封夾具；起動(dòng)真空抽氣系統(tǒng)，抽石英噴嘴和玻璃真空體內(nèi)的真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)，充入高純氬氣。反復(fù)抽真空、充氬氣2～3遍后，保持真空體內(nèi)的負(fù)壓為10-2～10-3Torr；起動(dòng)高頻感應(yīng)加熱裝置，通過高頻感應(yīng)線圈將母合金加熱熔化；熔化后，通過氫氣瓶上連接的電磁閥，控制澆鑄時(shí)間和氣體壓力，給石英噴嘴瞬時(shí)通入一定壓力(1.2～1.4kgf/cm2)的高純氬氣，由于石英噴嘴和真空體內(nèi)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)氣壓差，將母合金熔體高速瞬時(shí)鑄入銅模中，形成塊體非晶態(tài)合金。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于澆鑄溫度、澆鑄時(shí)間和氣體壓力。本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)1．解決了水淬法和模鑄法制備塊體非晶態(tài)合金時(shí)的氧化問題和石英噴嘴底部開口直徑大小不易控制的問題。通過反復(fù)進(jìn)行的抽真空和充高純氬氣，不但避免了母合金熔體的氧化，也解決了噴嘴開口大小難以控制的問題。
2．由于采用電磁閥控制氬氣壓力和氬氣充入時(shí)間，可以人為調(diào)節(jié)和控制氣體壓力和澆鑄時(shí)間。
3．由于石英噴嘴內(nèi)的母合金熔體采用石英導(dǎo)流管鑄入銅模中，不但造成射流集中、穩(wěn)定，而且減小了熔體澆鑄時(shí)的噴射阻力，提高了冷卻速度。
4．母合金熔化后，由于通過電磁閥給合金熔體瞬時(shí)施加一定壓力的氣體，造成石英噴嘴和真空體內(nèi)的瞬時(shí)氣壓差，使石英噴嘴內(nèi)的合金熔體高速噴射鑄入銅模中，提高了冷卻速度，從而提高了非晶形成能力。
5．由于真空體采用玻璃制造，所以可以通過透明的真空體清楚地觀測(cè)整個(gè)澆鑄過程，便于控制澆鑄過程，提高塊體非晶態(tài)合金制備的成功率。
6．整個(gè)制備方法成本低，工藝簡(jiǎn)單，便于操作。
總之，通過本發(fā)明所述方法可以有效地提高合金熔體的冷卻速度，成功地制備出塊體非晶態(tài)合金。采用本發(fā)明制備出的不含Be的Zr-Al－Ni-Cu塊體非晶態(tài)合金的部分力學(xué)性能已達(dá)到含Be的高爾夫球桿端頭用Zr-Ti-Cu-Ni-Be塊體非晶的力學(xué)性能。除上述實(shí)例以外，采用本發(fā)明還成功地制備出直徑是4mm的Nd60Al15Fe10Cu10Co5、Nd60Al15Fe10Co10Cu5和Nd60Fe20Cu10Al10等塊體非晶態(tài)合金。該方法成本低，工藝簡(jiǎn)單，便于控制和操作。下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附

圖1塊體非晶態(tài)合金的制備原理示意圖。
附圖2Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶態(tài)合金的X射線衍射譜。
附圖3Zr57Ti5Al10Cu20Ni8塊體非晶態(tài)合金的X射線衍射譜。
實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，1抽氣管(接真空抽氣系統(tǒng)和高純氬氣)，2夾具3石英套筒，4石英噴嘴，5高頻感應(yīng)線圈(接高頻感應(yīng)加熱裝置)，6石英導(dǎo)流管，7銅模，8可調(diào)底座，9底板，10玻璃真空體。
原材料為純金屬Zr、Al、Ni、Cu，其純度分別為Zr99.9％；Al99.9％；Ni99.5％；Cu99.9％。將原材料按Zr55Al10Ni5Cu30的原子百分比置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化，反復(fù)熔化2～3遍使合金均勻化，制成母合金。
將母合金通過本發(fā)明進(jìn)行制備，模具采用φ4×60和4×30×55的銅模。其中，澆鑄溫度為830℃～，氣體壓力為1.2kgf/cm2。
通過本發(fā)明可以成功地制備出尺寸為φ4×60和4×30×55的Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶態(tài)合金。
X射線衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
實(shí)施例2所用的純金屬為Zr、Ti、Al、Cu、Ni，其純度分別為Zr99.9％；Ti99.9％；Al99.9％；Cu99.9％；Ni99.5％。母合金的成分為Zr57Ti5Al10Cu20Ni8(原子百分比)。模具采用φ4×60和2×30×55的銅模。其中，澆鑄溫度為1110℃～，氣體壓力為1.3kgf/cm2。其余同實(shí)施例1。
通過本發(fā)明可以成功地制備出尺寸為φ4×60和2×30×55的Zr57Ti5Al10Cu20Ni8塊體非晶態(tài)合金。
X射線衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
比較例Zr基塊體非晶態(tài)合金已進(jìn)入應(yīng)用化階段。美國(guó)的W.L.Johnson應(yīng)用Zr-Ti-Cu-Ni-Be(Be含量超過20％)塊體非晶來生產(chǎn)高爾夫球桿端頭，帶來了巨大商業(yè)利潤(rùn)。由于Be是一種有毒金屬，含Be合金的生產(chǎn)帶來很大問題，所以我們采用本發(fā)明制備出不含Be的Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶態(tài)合金，用以代替美國(guó)的材料，并測(cè)定了其力學(xué)性能。通過本發(fā)明制備的Zr-Al-Ni-Cu塊體非晶和美國(guó)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be塊體非晶部分力學(xué)性能的結(jié)果如表1所示。
通過對(duì)比可以看出，兩者的力學(xué)性能是非常相似的?？梢姴捎帽景l(fā)明制備的不含Be的Zr-Al-Ni-Cu塊體非晶態(tài)合金的部分力學(xué)性能已達(dá)到含Be的Zr-Ti-Cu-Ni-Be塊體非晶的力學(xué)性能。
表1 塊體非晶態(tài)合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1．一種塊體非晶態(tài)合金的制備方法，適用于塊體非晶態(tài)合金的制備，包括Zr系、Nd系等，其特征在于首先將純金屬組元在高純氬氣保護(hù)下置于電弧爐中，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化，反復(fù)熔化2～3遍，制成母合金；將母合金置于石英套筒內(nèi)的石英噴嘴中，用夾具將其固定，并密封夾具；通過真空抽氣系統(tǒng)，抽石英噴嘴和玻璃真空體內(nèi)的真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)，充入高純氬氣，反復(fù)抽真空、充氬氣2～3遍后，保持真空體內(nèi)的負(fù)壓為10-2～10-3Torr；起動(dòng)高頻感應(yīng)加熱裝置，通過高頻感應(yīng)線圈將母合金加熱熔化；熔化后，通過電磁閥控制澆鑄時(shí)間和氣體壓，給石英噴嘴瞬時(shí)通入0.2～1.4kgf/cm2壓力的高純氬氣；由于石英噴嘴和真空體內(nèi)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)氣壓差，將母合金熔體高速瞬時(shí)鑄入銅模中。
2．按權(quán)利要求1所述塊體非晶態(tài)合金的制備方法，其特征在于采用玻璃真空體。
3．按權(quán)利要求1所述塊體非晶態(tài)合金的制備方法，其特征在于澆鑄時(shí)間和氣體壓力采用電磁閥控制。
4．按權(quán)利要求1、2所述塊體非晶態(tài)合金的制備方法，其特征在于氣體壓力為1.2～1.4kgf/cm2。
全文摘要
一種塊體非晶態(tài)合金的制備方法,其特征在于:將母合金置于石英套筒內(nèi)的石英噴嘴中;抽石英噴嘴和玻璃真空體內(nèi)的真空,充入高純氬氣,反復(fù)抽真空,充氬氣2～3遍后,保持真空體內(nèi)的負(fù)壓為10
文檔編號(hào)C22C45/00GK1300863SQ9912264
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者徐民, 孫文聲, 張風(fēng)軍, 全明秀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所