專利名稱：一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法
技術領域：
本發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：
塊體非晶合金的特殊結構，賦予了這種合金比傳統的晶態材料具有更為優異的力學、物理和化學性能。其中受到人們廣泛關注的是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度、高硬度、高斷裂韌性、耐摩擦、耐腐蝕、抗輻射、無磁性等優良特性，使其作為一種新型的結構材料顯示了重要的潛在應用價值。
錯基塊體非晶合金(Zr-based bulk amorphous alloy)的優良性能和極高的玻璃形成能力以及低的臨界冷卻速率，是現有非晶合金體系中最具應用價值的高強度結構材料。但受其微觀結構特性影響，無法用常規的鍛造或焊接方法進行加工成形。雖然在過冷液相區Zr基塊體非晶合金具有優良的超塑性特點，但超塑性范圍很窄，工藝參數極難控制，而且對設備性能要求也很高。另外，在過冷液相區成形，也極易誘發非晶態的晶化轉變，使材料的力學性能發生劣化。由于Zr基塊體非晶合金成形制備技術相對于基礎研究的滯后，使其應用受到極大限制。特別是作為大尺寸結構件的制備成形技術到目前為止還鮮見報道。因此，Zr基塊體非晶合金的制備成形技術已成為制約其在工程應用中的瓶頸。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性，進行鑄造成形是實現低成本加工成形的有效技術途徑。但由于該合金體系中的Zr和Ti是化學活潑元素，在熔煉過程中會與陶瓷材料坩堝(如氧化鎂坩堝、氧化鋁坩堝、碳化硅坩堝等)發生反應而形成含Zr或Ti的化合物，導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)的力學性能。另外,在以往的錯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。發明內容本發明的目的在于提供一種生產效率高、制作成本低、可工業化生產的塊體鋯基非晶合金鑄件的鑄造成形方法。本發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合金液體與坩堝的反應。本發明的技術方案如下一、原材料本發明的鋯基塊體非晶合金鑄件的化學成分(at%)是Zr 35-45、Ti 11-16、Cu10-15、Ni 8-12、Be 16-25。上述原料為工業級純度的海綿鋯(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、寬和高三個方向的尺寸都要小于20mm，而鈹的三維尺寸要小于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，對上述原材料用超聲波在酒精介質中進行凈化處理,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，減少或消除熔煉和凝固過程中合金熔體的異質形核劑數量，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為鈹、鈦、鋯、銅、鎳，按上述順序將上述分好的原料份兩次重復布料裝入真空感應水冷銅坩堝懸浮熔煉爐的坩堝中，以保證合金熔化時在密度差的作用下，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加熱圈的磁力作用形成強烈對流，以便得到成分均勻的合金液體。布料時要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時與銅坩堝發生粘結。(3)然后合爐進行抽真空，當爐內的真空度達到4. 6X 10_3Pa時，充入O. 05MPa的氬氣保護，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熱，再將功率提高至80KW保持5分鐘，繼續將功率加至120KW保持5分鐘，此時金屬材料開始熔化，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到800°C以上，進行澆注時溫度要控制在800-1200°C的范圍內。最后即可獲得塊體非晶合金鑄件。
本發明與現有技術相比具有如下優點I、提高生產效率，用本申請專利技術生產I個2kg的鑄件所用時間為3. 5小時，比用非自耗電弧爐熔煉和中頻感應熔煉爐(非水冷銅坩堝)相結合的方法節省時間19. 5小時，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%，如果加上節省的時間及相應的人工費用，每公斤成本的降低幅度更大。3、本發明最大可制造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道，并可實現鑄造鋯基塊體非晶合金鑄件的工業化生產。4、本發明鑄造成形的鋯基塊體非晶合金鑄件的非晶形成能力、熱穩定性和力學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是本發明實施例I獲得的Zr35Ti16Cu12Ni12Be25鋯基塊體非晶合金角形鑄件圖。圖2是本發明實施例2獲得的Zr41Ti13Cu13.5Ni1QBe22.5鋯基塊體非晶合金環形鑄件圖。圖3是本發明實施例3獲得的Zr45Ti12Cu15Ni9Be19鋯基塊體非晶合金圓盤形鑄件圖。圖4是本發明實施例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是本發明實施例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是本發明實施例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力應變曲線。從圖4可以看出，本發明實施例所制備的塊體鋯基非晶合金的XRD曲線在2 Θ =38°附近有一個大的彌散峰，無任何晶態峰出現，是典型的非晶特征譜線，說明所制備非晶合金在XRD檢測精度內為完全非晶態。從圖5曲線可以看出，加熱速率為ΙΟΚ/min，本發明實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，其熱力學特征溫度如下表，證明了本發明制備的塊體非晶合金鑄件為完全非晶態。從圖6所示的應力-應變曲線可以看出，本發明實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純金屬材料制備的塊體非晶合金的熱力學特征參數。表I
權利要求
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，上述原料為工業級純度的海綿鋯、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、寬和高三個方向的尺寸都要小于20mm，而鈹的三維尺寸要小于5mm ； (2)熔煉前，對上述原材料用超聲波在酒精介質中進行凈化處理，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，； (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為鈹、鈦、鋯、銅、鎳，按上述順序將上述分好的原料份兩次重復布料裝入真空感應水冷銅坩堝懸浮熔煉爐的坩堝中，布料時要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時與銅坩堝發生粘結； (4)合爐進行抽真空，當爐內的真空度達到4.6X 10_3Pa時，充入O. 05MPa的氬氣保護，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，繼續將功率加至120KW保持5分鐘，此時金屬材料開始熔化，最后將功率加至140KW使合金熔體的溫度達到800°C以上，進行澆注時溫度要控制在800-1200°C的范圍內。
全文摘要
一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方法，其鑄件的化學成分的at%是Zr 35-45、Ti 11-16、Cu 10-15、Ni 8-12、Be 16-25，熔煉前對上述原材料用超聲波在酒精介質中進行凈化處理，再將每一種平均分成兩份，按其各自的密度，由下到上兩次重復布料裝入坩堝中，布料時要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防止原料銅熔化時與銅坩堝發生粘結；然后合爐進行抽真空，充入0.05MPa的氬氣保護，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到800°C以上。本發明生產效率高、制造成本低、最大可制造4kg以上的鑄件，可實現鋯基塊體非晶合金鑄件的工業化生產。
文檔編號C22C45/10GK102877010SQ20121036702
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者馬明臻, 劉日平, 張新宇, 馬德強 申請人:燕山大學