專利名稱：一種大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置和方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料制備技術領域，特別涉及一種大塊非晶合金及非平衡凝固材料的低成本連續制備技術。
背景技術：
非晶合金又叫金屬玻璃，大塊非晶合金具有比普通非晶合金更高的熱穩定性，合金熔體即使在0. I 幾百K/s的緩慢冷卻速度下也不發生結晶化凝固，從而使得非晶態的液相結構被凍結到固態，其三維尺寸可達毫米級以上。與晶態金屬材料相比，大塊非晶合金具有更為優異的力學、物理、化學性能及精密成型特性，在航空航天器件、精密機械、信息產業、生體材料、電子產品和微機電等領域都顯示出良好的應用前景。目前，在大塊非晶合金的成分設計領域取得了許多新的研究成果，已經發現的玻 璃形成能力達到厘米級的合金系近20個，其中Zr基、Pd基、Pt基、Mg基等大塊非晶合金的玻璃形成臨界尺寸超過了 2厘米。隨著研究的深入，臨界尺寸更大的大塊非晶合金材料正在被逐漸發現。大塊非晶合金的制備技術主要有熔體水淬法、金屬型鑄造法、電弧熔化鑄造法、高壓鑄造法、粉末成型法等。包括粉末成型技術在內，制備大塊非晶合金材料的方法多為單件的非連續過程。現有的非連續制備技術不能滿足大塊非晶合金材料迅速發展的需要。已知的非晶合金連續制備方法如旋轉液體紡線法和熔融金屬抽出法制備的非晶合金線材直徑較小，多在毫米級以下。改變噴嘴和冷卻輥的結構設計，可以實現Fe基寬幅非晶薄帶的制備，寬度可達到數百毫米，但厚度在幾十微米以下。旋轉盤鑄造法可連續制備直徑為Imm左右的大塊非晶合金線材。采用連續成型的方法制備出毫米尤其是厘米級大塊非晶合金材料，不僅是材料研究者重點關注的研究方向，也是滿足工業應用的迫切需求。相關研究人員已經在這方面進行了初步的探討，并提出了多種不同的技術方案。美國專利US2006/0260782A1介紹了一種大塊非晶合金板材的連續鑄造方法，采用0. 5 10cm/s的拉還速度,可制備厚度為0. I IOmm板還的，但冷卻速度小于10°C /s，該方法只適用于具有大玻璃形成能力的含Be的Zr基大塊非晶合金成型。公開號CN1389317A介紹了一種立式大塊非晶合金連續鑄造方法，熔化的金屬液通過設在坩堝下部的一個液流分散器分散成細小流股下落、澆入鑄型、冷凝形成非晶，并采用低熔點合金進行二次冷卻。公開號CN 1486800A介紹了一種大塊非晶合金連續鑄軋技術，金屬液通過注入到兩個相對旋轉的水冷軋輥連續冷卻成型，該方法可鑄軋出大塊非晶合金板材、棒材及異形型材。公開號CN 1739886A介紹了一種塊體非晶合金的熱型連鑄裝置，該裝置采用立式半連鑄方式，合金熔體在加熱石墨鑄型出口端金屬液的表面張力作用下所形成的自由面激冷成型，凝固的鑄錠通過牽引機構牽引出石墨鑄型而實現連續鑄造成型過程。公開號CN101024243A介紹了一種制備大塊非晶合金的熱型連鑄方法與裝置，該裝置采用水平連續鑄造方式，坩堝、導流與靜止容器、鑄型均使用石墨材料制作。公開號CN101543885A介紹了一種塊體金屬玻璃連續成型的裝置和方法，該方法采用氣體差壓的雙真空室，采用隔熱環連接加熱石墨鑄型與水冷銅模的復合鑄型來實現非晶合金連鑄，并采用氣體做為二次冷卻介質。由于非晶合金獨特的物理特性和不同于晶體合金的凝固特點，將連續鑄造技術直接應用到大塊非晶合金的制備技術領域，會面臨許多新問題。主要表現在以下幾個方面
I.大塊非晶合金多含有化學活潑性元素，而且形成非晶態對金屬熔體的純凈度要求高，合金的熔化和成型一般需要在真空或者惰性氣氛中進行；2.大塊非晶合金成型需要大的冷卻速度，而晶態合金連續鑄造過程中，一冷區(初期凝固部位)主要作用是形成初期凝固坯殼、使金屬成型，鑄坯的冷卻主要依靠二冷區的噴水冷卻來完成，而且一次冷卻與二次冷卻的間隔距離長，冷卻速度低，采用同樣的方法冷卻非晶合金時，導致初期形成的鑄坯發生晶化；3.非晶合金凝固過程基本不產生相變引起的凝固收縮，這使得鑄坯與鑄型間的摩擦阻力增大；4.水蒸氣不僅嚴重降低真空系統的真空度，還會與合金發生化學反應，降低合金的玻璃形成能力。只有有效地解決了這些技術難題，才能保證大塊非晶合金連續成型過程的順利進行。

發明內容
本發明的目的是為解決現有技術中存在的問題，提供一種大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置和方法。本方法利用嵌套鑄型所具有的較大冷卻速度，可以滿足大塊非晶合金的冷卻要求；嵌套鑄型保證金屬液的順利填充成型和鑄錠的順利拉出；通過輔助真空室來平衡主真空室的壓力，實現連續制備啟動階段的順利進行和二次冷卻的簡便有效控制，實現大塊非晶合金鑄錠的低成本連續制備。本發明的技術解決方案如下本發明的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置，包括相互連通的主真空室和輔真空室，在主真空室中設有一個熔化坩堝和一個保溫坩堝，在輔真空室上設有平衡壓氣體閥門，一個帶有加熱裝置的嵌套鑄型固定安裝在保溫坩堝的下部，嵌套鑄型由套管、內嵌管和水冷銅模組成，水冷銅模一端嵌入套管中或與套管同軸相鄰布置，內嵌管同軸嵌入套管和水冷銅模內，將套管和水冷銅模連接在一起，水冷銅模從輔真空室伸入主真空室中，其末端與主真空室壁固定，套管前端與保溫坩堝的下部固定，并與保溫坩堝連通；一個帶有封堵圈的引錠頭與牽引桿相連依次穿過輔真空室、嵌套鑄型進入位于主真空室的保溫坩堝中組成引錠裝置，在鑄錠弓I出線路上設有牽弓I裝置。在嵌套鑄型的水冷銅模端口與套管的軸向距離之間所對應的內嵌管的管壁設有凸起，在凸起位置包裹有隔熱墊；所述內嵌管為石墨管；所述嵌套鑄型中套管的長度在50 150mm之間,壁厚在5 25mm之間；內嵌管的長度60 250mm之間，壁厚在I 5mm之間，其凸起位置壁厚2 6mm之間；水冷銅模長度在50 200mm之間，壁厚在10 40mm之間；嵌套鑄型的內腔橫截面為圓形、方形、矩形或環形。所述的輔真空室保證了主真空室嵌套鑄型的有效密封，還有利于對鑄錠實施二次冷卻，二次冷卻裝置位于輔真空室的真空腔體之外。鑄錠被牽引出嵌套鑄型后可打開輔真空室蓋子，并充入惰性氣體，二次冷卻裝置從打開輔真空室蓋子的開口處噴灑二次冷卻水對鑄錠進行冷卻。、
所述引錠裝置的引錠頭前端放有耐高溫封堵圈，后端與牽引桿相連。在輔真空室的平衡壓力作用下，既可以保證保溫坩堝內金屬液的有效封堵，又可以保證拉坯時引錠頭引出金屬液形成鑄錠順利拉出。本發明的一種大塊非晶合金的連續制備方法，其特征在于a、將母合金或合金元素按照配比放入熔煉坩堝內，將帶有封堵圈的引錠頭連接到牽引桿上穿過水冷銅模和石墨內嵌管伸入到保溫坩堝內，開啟真空設備對主真空室和輔真空室同時抽真空，當真空度達到10-1 10_3Pa時，關閉主真空閥門和輔真空閥門，打開主保護氣體閥門和平衡壓氣體閥門，主真空室和輔真空室內充入0. I 0. 2Mpa壓力的惰性氣體；b、熔煉坩堝內的金屬熔體轉移到保溫坩堝內，通過坩堝保溫裝置控制金屬熔體的溫度保持在高于液相線溫度50 100°C，通過嵌套鑄型加熱裝置調整套管前端的溫度為高于合金液相線溫度20 80°C，同時開啟水冷銅模的冷卻水閥門；C、啟動牽引裝置產生拉坯、停止及反推模式的運動，帶動牽引桿或者鑄錠(先帶動牽引桿，當鑄錠被牽引出一定長度后直接帶動鑄錠)以0. 5mm/s 20mm/s的速度行進，金屬熔體依次流經內嵌管的熱端(嵌入套管一端)和冷端(嵌入水冷銅模一端)，并在水冷銅模嵌套端凝固成非晶合金，再被牽引裝置連續引出嵌套鑄型；d、鑄錠被拉出嵌套鑄型進入輔真空室后，再打開輔真空室蓋子，施加惰性保護氣體對鑄錠加以保護，防止氧氣的侵蝕，并對高溫鑄錠噴水施加二次水冷至室溫狀態，當鑄錠長度達到要求后，在定尺切割裝置上進行在線切割，得到大塊非晶合金連續制備鑄錠。上述技術方案的指導思想是I.制備非晶合金的關鍵是使非晶合金熔體在大于臨界冷卻速度的冷卻速度下進行液固轉變。純銅和石墨都具有較高的熱傳導率，而且純銅的熱傳導率為石墨的數倍以上，銅鑄型具有較大的蓄熱能力和傳熱系數，適合多數非晶態合金的成型，能獲得良好的冷卻效果，大塊非晶合金制備技術中的鑄型鑄造法中多采用可反復使用的銅鑄型；對銅鑄型進行通水冷卻，可以將鑄型吸收的熱量不斷向外部排出，防止鑄型升溫和影響非晶合金液體的冷卻；石墨鑄型易磨損和易受水侵蝕，不能反復使用，成本較高，通過薄壁石墨管和水冷銅模的嵌套配合使用，可有效降低成本和獲得形成非晶合金所需的最夠冷卻強度；石墨和銅都具有良好的機械加工特性，可以加工出光潔的成型表面以減小與成型金屬之間的摩擦，石墨本身還具有固體潤滑特性，有助于連續成型過程；薄壁石墨內嵌管嵌入套管和銅模內，既保證了嵌套鑄型的同軸對心，又保證了制備非晶合金所需要的大冷卻速度；通過改變鑄型的內壁形狀及尺寸，便于實現不同截而形狀及尺寸的材料的連續成型。2.連續制備過程要順利啟動須保證引錠頭與薄壁石墨內嵌管之間的縫隙不被滲入金屬液而使引錠頭卡死。在真空惰性氣體保護條件下的連鑄啟動時引錠頭的放置和控制方式直接決定了連續制備過程的成功與否。通過輔真空室來平衡主真空室室抽真空時嵌套鑄型內引錠頭的封堵圈所受到的大氣壓力，來輕松實現真空條件下耐高溫金屬液腐蝕的封堵圈對熔化金屬液的密封，有效防止金屬液滲入引錠頭和內嵌管之間的縫隙，避免引錠頭被卡住。連鑄啟動后，可以適時打開輔真空室蓋子，在惰性氣體保護下對鑄錠施加二次冷卻 水，而不會影響到主真空室內金屬熔體的熔化保溫和液體充型。本發明的有益效果是這種連續制備裝置采用在主真空室中用石墨薄壁內嵌管來同軸連接套管和水冷銅模，并通過尺寸公差配合來實現內嵌管、套管和水冷銅模的有效密封，在敞開的輔真空室內通過惰性氣體保護對所形成鑄錠施加二次冷卻水；一個帶有封堵圈的引錠頭與牽引桿相連并穿過嵌套鑄型進入氮化硼坩堝內，牽引桿靠一個牽引裝置驅動。連續制備的成型方法采用嵌套鑄型作為一次主冷卻，采用惰性氣體保護下的噴水冷卻作為二次輔助冷卻；輔真空室主要用于提供引錠頭封堵圈的平衡壓和方便施加二次冷卻。該連續制備成型的裝置和方法的嵌套鑄型具有較大的冷卻速度，可以滿足形成大塊非晶合金的非晶相變要求；通過打開輔真空室蓋子可以方便對鑄錠施加二次冷卻，有利于提高非晶合金的冷卻速度和穩定所形成的非晶合金鑄錠；金屬以液態形式通過薄壁石墨內嵌管，在薄壁管的水冷銅模嵌入端冷卻，套管和水冷銅模受金屬液侵蝕少，使用壽命長。內嵌管更換方便，并能實現不同截面尺寸的棒線材、板材、管材及異型材的連續成型。


圖I是本發明的大塊非晶合金鑄錠的水平連續制備裝置結構示意圖；圖2是本發明的大塊非晶合金鑄錠的垂直連續制備裝置結構示意圖；圖3是本發明的大塊非晶合金鑄錠的水平連續制備裝置的嵌套鑄型的結構示意圖；圖4是本發明的大塊非晶合金鑄錠的垂直連續制備裝置的嵌套鑄型的結構示意圖；圖5是本發明的大塊非晶合金鑄錠的水平連續制備裝置的引錠裝置的結構示意圖；圖6是本發明的大塊非晶合金鑄錠的垂直連續制備裝置的引錠裝置的結構示意圖；圖7是實施例I中鑄錠試樣的X射線衍射圖。圖中，I.氮化硼保溫坩堝，2.坩堝保溫裝置，3.嵌套鑄型加熱裝置，4套管，5.內嵌管，6.絕熱墊，7.水冷銅模，8.金屬熔體，9.鑄錠，10.第一熱電偶，11.第二熱點偶，12.熔煉坩堝，13.主真空閥門，14.主真空壓力表，15.主保護氣體閥門，16.輔真空壓力表，17.輔真空閥門，18.平衡壓氣體閥門，19.排水閥門，20.牽引裝置，21.定尺切割裝置，22.冷卻水，23.輔真空室蓋子，24.主真空室，25.輔真空室，26.封堵圈，27.引錠頭，28.牽引桿。
具體實施例方式本發明的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置根據鑄錠引出方向的不同，可分為水平連續制備裝置和垂直連續制備裝置，下面就兩種裝置分別給出實施例實施例I :圖I是一種大塊非晶合金鑄錠的水平連續制備裝置。它包括主真空室24和輔真空室25 ;氮化硼保溫坩堝I置于主真空室內，坩堝保溫裝置2對氮化硼保溫坩堝I進行保溫，第二熱電偶11用于測量氮化硼保溫坩堝I中的金屬熔體8的溫度；嵌套鑄型中的套管4、薄壁石墨內嵌管5、隔熱墊6和水冷銅模7前端也位于主真空室內，套管4與水冷銅模7同軸相鄰布置，且套管4與氮化硼保溫坩堝I相連通，并通過嵌套鑄型加熱裝置3來加熱，第一熱電偶10用于測量嵌套鑄型中套管4前端的溫度，薄壁石墨內嵌管同軸嵌入套管4和水冷銅模7內，水冷銅模通過輔真空室安裝在主真空室壁上；輔真空室用于平衡抽真空時與牽引桿28相連的引錠頭27上封堵圈26所受到的大氣壓力，來實現真空條件下耐高溫金屬液腐蝕封堵圈對金屬熔體8的密封，有效防止金屬液滲入引錠頭27和內嵌管5之間的縫隙，避免引錠頭被卡住；拉坯牽引裝置20置于真空室外，用于連續引出牽引桿28或者鑄錠9 ;定尺切割裝置21置于真空室外，對引出的鑄錠9進行在線切割；主真空閥門13、主保護氣體閥門15和主真空 壓力表14用于控制和測量主真空室內的氣氛和壓力，輔真空閥門17、平衡壓氣體閥門18和輔真空壓力表16用于控制和測量輔真空室內的氣氛和壓力，輔真空室排水閥門19用于連續制備啟動后輔真空室蓋子開啟后施加二次冷卻時腔體內冷卻水的排放控制。圖3是水平連續制備裝置嵌套鑄型的結構示意圖。套管4、內嵌管5、隔熱墊6和水冷銅模7構成的嵌套鑄型的內腔截面形狀可以是圓形、方形、環形以及其他形狀等，便于實現不同截面尺寸的棒線材、板材、管材及異型材的連續制備。冷卻水22用于冷卻水冷銅模6。圖5是水平連續制備裝置引錠裝置的結構示意圖。耐高溫金屬液腐蝕的封堵圈26位于引錠頭27伸入金屬熔體8 一端，引錠頭27與牽引桿28相連。下面介紹使用上述大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置進行連續制備的方法，制備直徑為IOmm的新型Cu-Zr基大塊非晶合金連續成型材料。步驟I :合金的選擇及母合金制備選擇具有大非晶形成能力的Zr-Cu-Al-Y合金系,合金原材料選用純金屬,Cu和Al的純度大于99. 999%, Y的純度大于99. 9%，Zr的純度大于99. 9%，Zr經過電弧重熔處理。按適當原子比配置合金原料，在真空電弧爐下熔煉合金，為保證合金的均勻性，母合金反復翻動、重熔5次以上。用DTA測得合金的液相線溫度為875°C，測試時的加熱速率為20K/min0步驟2 :大塊非晶合金鑄錠的連續制備成型使用本發明提出的大塊非晶合金鑄錠連續制備裝置，石墨套管的長度為60_，壁厚為13mm,水冷銅模的長度為70mm,壁厚約為23mm,石墨內嵌管的長度為100mm,壁厚為2_，其凸出位置壁厚4_。將母合金放入熔煉坩堝12內，將帶有引錠頭27和封堵圈26的牽引桿28經輔真空室和嵌套鑄型伸入到氮化硼坩堝內，開啟真空設備對主真空室和輔真空室同時抽真空，當真空度達到10_3Pa時，關閉主真空閥門13和輔真空閥門17，打開主保護氣體閥門15和輔平衡壓氣體閥門18，在真空室內充入壓力為0. IMPa的高純氬氣；開啟熔煉坩堝12的電源熔煉合金，合金熔化后轉移至氮化硼保溫坩堝I，并通過坩堝保溫裝置2控制熔體的溫度為970°C，調整嵌套鑄型的溫度為900°C，開啟水冷銅模的冷卻水閥門，冷卻水流量為10L/min，啟動牽引裝置20帶動牽引桿運動，采用拉停模式，其平均拉坯速度為lmm/s，金屬熔體在石墨內嵌管5內的水冷銅模7的嵌入端中凝固成過冷鑄錠后被連續引出鑄型，打開輔真空室的蓋子23，在氬氣的保護下，鑄錠在二次冷卻水作用下進一步冷卻至室溫，二次冷卻水的流量為15L/min，獲得厘米級直徑大塊非晶合金棒狀材料。 步驟3 :組織及相結構評價在連續制備鑄錠的中部截取一段試樣，經磨平、拋光、腐蝕后，用光學顯微鏡觀察顯微組織，用X射線衍射儀測定試樣的相結構。試樣的顯微單相均一組織；x射線衍射普呈典型的非晶合金所具有的大而寬的饅頭峰，沒有出現對應晶體結構的衍射峰，如圖7所示。試樣具有玻璃單相結構。實施例2 :圖2是一種大塊非晶合金鑄錠的垂直連續制備裝置；圖4是垂直連續制備裝置的嵌套鑄型的結構示意圖；圖6是垂直連續制備裝置的引錠裝置的結構示意圖。從附圖中可以看出垂 直連續制備裝置與水平連續制備裝置的原理、結構均相同，所不同的是鑄錠引出方向不同，使得嵌套鑄型位于真空室的下方，其軸線方向為垂直方向，套管的一端與保溫坩堝的底部相連，另一端與主真空室壁固定，水冷銅模一端嵌入套管中。采用垂直連續制備裝置進行大塊非晶合金鑄錠的連續制備的方法同實施例I。
權利要求
1.一種大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置，包括相互連通的主真空室和輔真空室，在主真空室中設有一個熔化坩堝和一個保溫坩堝，其特征是在輔真空室上設有平衡壓氣體閥門，一個帶有加熱裝置的嵌套鑄型固定安裝在保溫坩堝的下部，嵌套鑄型由套管、內嵌管和水冷銅模組成，水冷銅模一端嵌入套管中或與套管同軸相鄰布置，內嵌管同軸嵌入套管和水冷銅模內，將套管和水冷銅模連接在一起，水冷銅模從輔真空室伸入主真空室中末端與主真空室壁固定，套管前端與保溫坩堝的下部固定，并與保溫坩堝連通；一個帶有封堵圈的引錠頭與牽引桿相連依次穿過輔真空室、嵌套鑄型進入位于主真空室的保溫坩堝中組成弓I錠裝置，在鑄錠弓I出線路上設有牽弓I裝置。
2.根據權利要求I所述的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置，其特征是在嵌套鑄型的水冷銅模端口與套管的軸向距離之間所對應的內嵌管的管壁設有凸起，在凸起位置包裹有隔熱墊。
3.根據權利要求2所述的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置，其特征是所述嵌套鑄型中套管的長度在50 150mm之間，壁厚在5 25mm之間；內嵌管的長度60 250mm之間，壁厚在I 5mm之間，其凸起位置壁厚2 6mm之間；水冷銅模長度在50 200mm之間，壁厚在10 40mm之間。
4.根據權利要求3所述的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置，其特征是嵌套鑄型的內腔橫截面為圓形、方形、矩形或環形。
5.一種采用如權利要求I 4任一權利要求所述的大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置進行連續制備方法，其特征是 a、將母合金或合金元素按照配比放入熔煉坩堝內，將帶有封堵圈的引錠頭連接到牽引桿上穿過水冷銅模和石墨內嵌管伸入到保溫坩堝內，開啟真空設備對主真空室和輔真空室同時抽真空，當真空度達到KT1 10_3Pa時，關閉主真空閥門和輔真空閥門，打開主保護氣體閥門和平衡壓氣體閥門，主真空室和輔真空室內充入0. I 0. 2Mpa壓力的惰性氣體； b、熔煉坩堝內的金屬熔體轉移到保溫坩堝內，通過坩堝保溫裝置控制金屬熔體的溫度保持在高于液相線溫度50 100°C，通過嵌套鑄型加熱裝置調整套管前端的溫度為高于合金液相線溫度20 80°C，同時開啟水冷銅模的冷卻水閥門； C、啟動牽引裝置產生拉坯、停止及反推模式的運動，帶動牽引桿或者鑄錠以0. 5mm/s 20mm/s的速度行進，金屬熔體依次流經內嵌管的熱端和冷端，并在水冷銅模嵌套端凝固成非晶合金，再被牽引裝置連續引出嵌套鑄型； d、鑄錠被拉出嵌套鑄型進入輔真空室后，再打開輔真空室蓋子，施加惰性保護氣體對鑄錠加以保護，并對高溫鑄錠噴水施加二次水冷至室溫狀態，當鑄錠長度達到要求后，在定尺切割裝置上進行在線切割，得到大塊非晶合金連續制備鑄錠。
全文摘要
本發明涉及一種大塊非晶合金鑄錠的連續制備裝置和方法，其特征是制備裝置包含兩個相互獨立的真空室，主真空室主要用于合金熔化和成型，輔助真空室主要用于平衡壓力以便于拉坯和實施二次冷卻。制備裝置和方法的一次冷卻階段采用石墨管與水冷銅模式嵌套鑄型，為主要冷卻部位；二次冷卻階段采用惰性氣體保護的水冷卻或者自然冷卻方式，為輔助冷卻部位；其優點是具有大的冷卻速度，滿足大塊非晶合金成型的要求；2.結構簡單，便于實現真空惰性氣氛下的金屬連續成型控制與操作；3.適用性強，通過采用不同內腔形狀及尺寸的嵌套鑄型，可以實現多種截面形狀的鑄錠的連續成型，主要適用于大塊非晶合金的連續制備領域。
文檔編號B22D11/04GK102641999SQ20121013120
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月24日 優先權日2012年4月24日
發明者張濤, 王東 申請人:王東