[發明專利]一種公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件及其鑄造方法

有效

• 申請號: 202011243893.4
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112481559B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 馬明臻;施志林;蔡正清;康松;張山;尹大偉;張新宇;劉日平
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C22C45/10
• 分類號: C22C45/10;C22C1/00;C22B9/04;B22D21/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 趙琪

本發明提供了一種公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件及其鑄造方法，涉及塊體非晶合金技術領域。本發明提供的鑄造方法，包括以下步驟：將鋯基非晶合金原料置于經過表面防污染處理的坩堝中，進行真空感應熔煉，得到合金熔體；將所述坩堝中的合金熔體通過重力澆注到鑄型中，進行冷卻，得到鋯基塊體非晶合金鑄件；所述鑄型設置于真空感應熔煉爐內。本發明通過采用重力鑄造方式能夠制備得到公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件，本發明提供的鑄造方法出品率高，保證鋯基塊體非晶合金的非晶形成能力，獲得的鋯基塊體非晶合金鑄件具有良好的力學性能和較高的致密度。

技術領域

本發明涉及塊體非晶合金技術領域，具體涉及一種公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件及其鑄造方法。

背景技術

塊體非晶合金具有優異的理化性能，但由于缺少成熟的成型加工技術使其優勢無法得到充分的發揮，這一直是制約塊體非晶合金工程應用的瓶頸，特別是制造公斤級大尺寸塊體非晶合金構件，至今還沒有成熟的制備技術，這是需要亟待攻克的難題。鑒于非晶合金的亞穩態結構特性，其成型過程需要在真空環境下進行。因此，無法用傳統的焊接或鍛造來進行公斤級的大尺寸塊體非晶合金構件的加工制造，只能通過真空鑄造技術來實現。鋯基塊體非晶合金的優良性能和極高的非晶形成能力以及低的臨界冷卻速率，是現有非晶合金體系中可以用真空鑄造技術進行制造工程應用產品的新型高性能結構材料。

但要獲得公斤級重量的塊體非晶合金鑄件并非易事，隨著鑄件尺寸的增大，會出現冷卻能力變小，從而導致非晶形成能力降低、晶化趨勢增大、溫度場的分布復雜以及充型過程的澆不足或因非晶合金熔體粘滯性較大使氣體難于逸出而形成氣孔缺陷等一系列需要克服的理論與工程實際的具體問題。這也是迄今為止，難以獲得大尺寸塊體非晶合金鑄造成型技術的根本原因所在。

傳統塊體非晶合金鑄造成型過程中存在以下技術問題：

(1)由于非晶合金的形成要求合金熔體應具有很高的純度，以避免異質形核的發生。為了保持合金熔體的純度或潔凈度，通常都是采用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐進行合金熔化，但由于水冷銅坩堝的冷壁效應，大量功率耗在水上，最大超過55％，從而使熔體升溫緩慢，合金熔體的過熱度最大能達到60℃左右，無法滿足鑄造充型完整的需要。

(2)使用陶瓷坩堝或石墨坩堝真空感應熔煉爐進行合金熔化，會帶來坩堝壁材料與非晶合金熔體發生反應而污染非晶合金熔體，易產生異質形核效應，降低非晶合金的形成能力。雖然在現有的真空壓鑄設備上也使用陶瓷坩堝或石墨坩堝，但因為爐料較少，僅在100～150克之間，加之采用高頻感應快速加熱，壓鑄的鑄件尺寸僅為1～2毫米的薄壁件，以此可以抵消坩堝產生異質形核效應對非晶形成能力的影響，但真空壓鑄不能鑄造公斤級以上的大尺寸塊體非晶合金鑄件。另外，由于真空壓鑄的鑄型澆注系統和補縮冒口的尺寸過大，使得其工藝出品率小于15％(見圖1所示小齒輪壓鑄件，工藝出品率僅為12.3％)，原材料浪費嚴重。

(3)在非晶合金熔煉過程中，通常先對真空感應熔煉爐進行抽真空，當達到操作工藝規定的真空條件，然后充入適量的氬氣進行保護以防止非晶合金熔體的氧化。但在澆鑄成型過程中，由于非金合金熔體的粘度比較大，在重力鑄造或高速壓鑄過程中，都會造成合金熔體中的氣體難于逸出或卷入氣體的不利情況，使鑄件形成氣孔缺陷。

發明內容

本發明的目的在于提供一種公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件及其鑄造方法，本發明通過采用重力鑄造方式能夠制備得到公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件，本發明提供的鑄造方法出品率高，保證鋯基塊體非晶合金的非晶形成能力，獲得的鋯基塊體非晶合金鑄件具有良好的力學性能和較高的致密度。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種公斤級以上重量的高致密性鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造方法，包括以下步驟：

將鋯基非晶合金原料置于經過表面防污染處理的坩堝中，進行真空感應熔煉，得到合金熔體；