一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及专用模具
阅读：818发布：2023-01-19
专利汇可以提供一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及专用模具专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种大体积无 缺陷 非晶 合金 反重 力 铸造 方法及专用模具。本发明方法： 母合金 加热至高于合金 熔化 温度 后把合金注入到用于快速冷却的专用模具中，合金由模具底部沿反重力方向流动从而充满铸型；模具为底浇式开型，铸型中心线与竖直向上方向间夹 角 为大于等于零度小于等于九十度，铸型上端开排气槽与外界连通。本发明使合金熔体流动方向与气体排出方向相同，利于制备大体积无缺陷非晶、 纳米晶 及其 复合材料 板状、棒状材料或结构复杂铸件。制备样品内部及表面不存在气孔缺陷，提高了合金的致 密度 及表面光洁度。，下面是一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及专用模具专利的具体信息内容。
技术领域
本发明涉及非晶合金制备技术，具体为一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及 专用模具。
背景技术
块体非晶合金由母合金熔化后快速冷却制备得到，一般制备块体非晶合金的方法有： 水淬法、吸铸法、喷铸法、高压铸造法及浇注法。水淬法、吸铸法、喷铸法、高压铸造法 等方法都因模具或设备限制而存在不同的局限性。浇注法采用重力方向铸造，即熔体流动 方向与重力方向一致而熔体流动方向与气体排出方向相反，很容易在快速凝固过程中造成 铸件中残留气体而形成气孔，并且在铸件表面形成流痕，实验证明用此类方法制备的非晶 纳米晶合金在上述两个区域内力学性能明显变差。传统合金中采用的底浇注入法可使合金 于铸型底部注入型腔，合金充填型腔方向与气体排出方向基本一致，有利于制备无气泡、 夹杂等缺陷的合金零件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备大体积无缺陷非晶合金材料的方法及专用模具，制备 出各种形状，特别是具有大长宽比的大体积非晶合金，同时使制备的合金表面光滑内部无 气孔缺陷，具有高致密度。
本发明的技术方案是：一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及专用模具，将合 金加热熔化，熔融合金经由浇口杯和直浇道进入铸型，并沿反重力方向流动从而填充铸型， 模具冷却至室温，其特征在于：合金为非晶合金；其专用模具采用底浇式开型，铸型中心 线与竖直向上方向间夹角为大于等于零度小于等于九十度，铸型上端开排气槽与外部连通。
其具体步骤如下：
1)把母合金加热至熔化，保温；
2)把熔融合金注入到专用模具中；
3)合金熔体沿反重力方向流动充满铸型；
4)使模具冷却至室温从而制备得到块体非晶合金。
模具采用底浇式开型，铸型中心线与竖直向上方向间夹角为大于等于零度小于等于九 十度，铸型上端开排气槽与外部连通，模具浇口杯和竖浇道部位可套接导热率低的管件， 如陶瓷管或石墨管。模具浇口杯与竖浇道可作为分体外接件与模具连接使用。采用保温管 件或者外接浇注系统的模具，熔融合金注入型腔后立即倾斜模具或去除外接浇注系统，从 而减小模具冷却负担，保证型腔内合金的冷却效果；模具材料为一种或多种有机或无机的 介质的组合，如金属、砂、石膏等，模具组合方式可以是定型、可溃型、组合型中的一种。
本发明的原理是：母合金通过加热炉加热熔化，熔融母合金注入模具中。熔融合金快 速通过竖浇道充填模具，并从模具底部克服重力作用注入铸型，由于铸型尾部与外界由排 气孔连通，铸型内气体受到熔融合金的挤压由排气孔排出。由于熔融合金的流动方向和气 体排出的方向一致，快速凝固形成的块体非晶或纳米晶非平衡合金内部不存在气孔缺陷， 表面没有因为气体经过而留下的气体流痕，保证了非晶纳米晶合金的内部致密度及表面光 洁度。同时，竖浇道及浇口杯内合金为铸型内快速凝固合金提供静压力，保证铸型内合金 与铸型紧密贴合，从而保证了凝固冷却速度及合金表面光洁度。对于结构复杂件，本发明 采用大体积的排气槽兼做冒口，合金充满铸型后填充排气槽，由于排气槽位于铸型的上端， 其合金为铸型内合金提供静压力，保证了结构复杂件精确充型。
本发明的优点是：
1)采用熔融合金反重力方向充型法，使合金流动方向与气体排出方向一致，从而避 免了在块体非晶纳米晶内部产生气孔缺陷，同时避免了合金表面气体流痕的产生，特别利 于制备高致密度块体非晶纳米晶非平衡材料，提高了合金的力学性能。
2)采用模具反重力方向充型法，浇口杯及竖浇道及大排气槽内合金提供的静压力有 利于制备出具有大长宽比的大体积非晶纳米晶合金，同时保证铸型内合金与铸型紧密贴合， 从而保证了凝固冷却速度及合金表面光洁度，并有利于复杂铸件的制备。
3)利用简单的铸造工艺制备大体积高致密度非晶纳米晶合金，工艺简单利于操作， 避免了吸铸及高压铸造较为复杂的工艺，适用于工业批量生产。
附图说明
图1实施例3外接浇注系统的金属模具示意图；
图2重力方向铸造与反重力方向铸造制备的非晶合金棒材X射线探伤对比图，其中： 图片上方细长四根非晶棒材系本发明方法即反重力方向铸造法制备，图片下方四根短粗非 晶棒材为重力方向铸造得到，在重力方向铸造而得到的合金棒材中大部分都有明显的气孔 缺陷，而采用反重力铸造则可避免气孔缺陷。
本发明的技术方案是：一种大体积无缺陷非晶合金反重力铸造方法及专用模具，将合 金加热熔化，熔融合金经由浇口杯和直浇道进入铸型，并沿反重力方向流动从而填充铸型， 模具冷却至室温，其特征在于：合金为非晶合金；其专用模具采用底浇式开型，铸型中心 线与竖直向上方向间夹角为大于等于零度小于等于九十度，铸型上端开排气槽与外部连通。
其具体步骤如下：
1)把母合金加热至熔化，保温；
2)把熔融合金注入到专用模具中；
3)合金熔体沿反重力方向流动充满铸型；
4)使模具冷却至室温从而制备得到块体非晶合金。
模具采用底浇式开型，铸型中心线与竖直向上方向间夹角为大于等于零度小于等于九 十度，铸型上端开排气槽与外部连通，模具浇口杯和竖浇道部位可套接导热率低的管件， 如陶瓷管或石墨管。模具浇口杯与竖浇道可作为分体外接件与模具连接使用。采用保温管 件或者外接浇注系统的模具，熔融合金注入型腔后立即倾斜模具或去除外接浇注系统，从 而减小模具冷却负担，保证型腔内合金的冷却效果；模具材料为一种或多种有机或无机的 介质的组合，如金属、砂、石膏等，模具组合方式可以是定型、可溃型、组合型中的一种。
本发明的原理是：母合金通过加热炉加热熔化，熔融母合金注入模具中。熔融合金快 速通过竖浇道充填模具，并从模具底部克服重力作用注入铸型，由于铸型尾部与外界由排 气孔连通，铸型内气体受到熔融合金的挤压由排气孔排出。由于熔融合金的流动方向和气 体排出的方向一致，快速凝固形成的块体非晶或纳米晶非平衡合金内部不存在气孔缺陷， 表面没有因为气体经过而留下的气体流痕，保证了非晶纳米晶合金的内部致密度及表面光 洁度。同时，竖浇道及浇口杯内合金为铸型内快速凝固合金提供静压力，保证铸型内合金 与铸型紧密贴合，从而保证了凝固冷却速度及合金表面光洁度。对于结构复杂件，本发明 采用大体积的排气槽兼做冒口，合金充满铸型后填充排气槽，由于排气槽位于铸型的上端， 其合金为铸型内合金提供静压力，保证了结构复杂件精确充型。
本发明的优点是：
1)采用熔融合金反重力方向充型法，使合金流动方向与气体排出方向一致，从而避 免了在块体非晶纳米晶内部产生气孔缺陷，同时避免了合金表面气体流痕的产生，特别利 于制备高致密度块体非晶纳米晶非平衡材料，提高了合金的力学性能。
2)采用模具反重力方向充型法，浇口杯及竖浇道及大排气槽内合金提供的静压力有 利于制备出具有大长宽比的大体积非晶纳米晶合金，同时保证铸型内合金与铸型紧密贴合， 从而保证了凝固冷却速度及合金表面光洁度，并有利于复杂铸件的制备。
3)利用简单的铸造工艺制备大体积高致密度非晶纳米晶合金，工艺简单利于操作， 避免了吸铸及高压铸造较为复杂的工艺，适用于工业批量生产。
附图说明
图1实施例3外接浇注系统的金属模具示意图；
图2重力方向铸造与反重力方向铸造制备的非晶合金棒材X射线探伤对比图，其中： 图片上方细长四根非晶棒材系本发明方法即反重力方向铸造法制备，图片下方四根短粗非 晶棒材为重力方向铸造得到，在重力方向铸造而得到的合金棒材中大部分都有明显的气孔 缺陷，而采用反重力铸造则可避免气孔缺陷。
具体实施方式
实施例1
Zr-Al-Ni-Cu母合金按原子百分比配置为：Zr55-Al10-Ni5-Cu30，在真空状态下利用高频 感应电炉熔炼，并在惰性气体保护下浇铸，具体步骤为：
1.把按原子百分配比为Zr55Al10Ni5Cu30的母合金粗破碎后装入用于浇铸的石英坩锅中， 把盛有母合金的石英坩锅放置在高频感应电炉内，把用于快速凝固的铜模放置于真空腔体 内，位于石英坩锅下端；
2.预先调整石英坩锅浇铸嘴与铜模浇口杯的位置，保证浇铸过程中熔融合金完全流入铜 模内；
3.关闭真空炉体炉门，抽真空至5×10-3帕，充氩气保护；
4.启动高频感应电源，对母合金加热至熔化温度以上100～150℃，保温稍许；
5.转动转动杆，使石英坩锅中熔融合金完全浇铸到铜模中，合金由浇口杯、竖浇道至铜 模底部，熔体克服重力沿反重力方向流动充满铸型，同时充型的合金把铸型内的气体经由 铸型上端与外界连接的排气孔排出铸型，根据铜模的不同直径，可以制备出Φ3～10mm的 完全非晶棒材。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
合金熔炼及浇注方法同实施例1，铜模浇口杯及竖浇道套接保温石墨管，熔融合金经由 保温石墨管充型至铸型，保证了在浇口以及竖浇道中合金不会因为铜模快速冷却而凝固， 从而保证了充型完整性。
实施例3
合金熔炼及浇注方法同实施例1，浇口杯及竖浇道为石墨制外接件与铜模连通(如图2)， 熔融合金经由外接浇注系统反重力方向流动充型至铜模铸型后快速凝固形成完全块体非 晶。
实施例4
合金熔炼及浇注方法同实施例1，模具设计如实施例2或3，Zr-Al-Ni-Cu母合金制备出 非晶基体有纳米晶相析出的非晶/纳米晶复合材料。
Zr-Al-Ni-Cu母合金按原子百分比配置为：Zr55-Al10-Ni5-Cu30，在真空状态下利用高频 感应电炉熔炼，并在惰性气体保护下浇铸，具体步骤为：
1.把按原子百分配比为Zr55Al10Ni5Cu30的母合金粗破碎后装入用于浇铸的石英坩锅中， 把盛有母合金的石英坩锅放置在高频感应电炉内，把用于快速凝固的铜模放置于真空腔体 内，位于石英坩锅下端；
2.预先调整石英坩锅浇铸嘴与铜模浇口杯的位置，保证浇铸过程中熔融合金完全流入铜 模内；
3.关闭真空炉体炉门，抽真空至5×10-3帕，充氩气保护；
4.启动高频感应电源，对母合金加热至熔化温度以上100～150℃，保温稍许；
5.转动转动杆，使石英坩锅中熔融合金完全浇铸到铜模中，合金由浇口杯、竖浇道至铜 模底部，熔体克服重力沿反重力方向流动充满铸型，同时充型的合金把铸型内的气体经由 铸型上端与外界连接的排气孔排出铸型，根据铜模的不同直径，可以制备出Φ3～10mm的 完全非晶棒材。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
合金熔炼及浇注方法同实施例1，铜模浇口杯及竖浇道套接保温石墨管，熔融合金经由 保温石墨管充型至铸型，保证了在浇口以及竖浇道中合金不会因为铜模快速冷却而凝固， 从而保证了充型完整性。
实施例3
合金熔炼及浇注方法同实施例1，浇口杯及竖浇道为石墨制外接件与铜模连通(如图2)， 熔融合金经由外接浇注系统反重力方向流动充型至铜模铸型后快速凝固形成完全块体非 晶。
实施例4
合金熔炼及浇注方法同实施例1，模具设计如实施例2或3，Zr-Al-Ni-Cu母合金制备出 非晶基体有纳米晶相析出的非晶/纳米晶复合材料。
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