[發(fā)明專利]含鋯非晶合金的坩堝式感應(yīng)熔煉制備方法及坩堝式感應(yīng)熔煉裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110760057.1
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113652561A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳光耀;李重河;余飛海;侯新梅;侯笑;楊宇辰;魯雄剛
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué);北京科技大學(xué)
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C45/10;F27B14/04;F27B14/08;F27B14/10
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發(fā)明公開了一種含鋯非晶合金的坩堝式感應(yīng)熔煉制備方法及坩堝式感應(yīng)熔煉裝置，本發(fā)明利用BaZrO₃耐火材料坩堝為容器，在惰性氣體保護下，將配比的非晶合金原料進行真空感應(yīng)熔煉制備。本發(fā)明所提供的鋯基非晶合金制備方法能通過控制初始合金原料的氧含量、真空條件、以及加熱熔融時間以顯著降低鋯基非晶合金的含氧量；也簡化了非晶合金的制備流程，均勻的熱場可有效消除非晶合金成分偏析現(xiàn)象；同時坩堝式感應(yīng)熔煉降低能耗、減少污染，符合綠色冶金的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種含鋯非晶合金的坩堝式感應(yīng)熔煉制備方法及設(shè)備，屬于金屬材料和冶金技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用于制備鋯基非晶合金技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

非晶合金材料具有良好的物理化學(xué)性能，由于其沒有晶體結(jié)構(gòu)和位錯缺陷，強度遠高于普通晶態(tài)金屬材料，為制備新型高強度合金提供了一條新的途徑，在航天航空、汽車、精密制造、電子通訊與計算機、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

鋯基非晶合金因其具有較強的玻璃/非晶形成能力和較寬的過冷液相區(qū)，以及優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注，并得到了廣泛的應(yīng)用。如：很高的彈性極限值，極高的彈性比功；較高的強度、硬度、較低的楊氏模量等。鋯基合金從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時，體系吉布斯自由能會發(fā)生變化：ΔG＝ΔH-TΔS，其中ΔG為體系的吉布斯自由能、ΔH為體系焓值變化、ΔS為體系熵值變化。如果合金自液相發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變時的ΔG很小，則轉(zhuǎn)變過程中的熱力學(xué)驅(qū)動力就小，不容易發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變，更容易形成非晶。多組元會使ΔS提高，原子的密集隨機堆垛會使ΔH降低，并增加固/液界面能。原子間大的負混合熱和較大的原子半徑差都會使原子的密集程度增加而降低ΔH。這是目前大多數(shù)非晶采用3個以上組元的原因。

由于非晶合金的形成能力以及非晶合金的性能對氧含量較為敏感，即使少量的氧含量都會對與非晶形成能力(GFA)產(chǎn)生較大影響，因此在制備過程中，對于制備環(huán)境和原材料的純度要求較高。氧的主要來源有：原料自身、熔煉氣氛、熔煉接觸容器(坩堝等)。目前，由于鋯基非晶合金中含有高活性金屬Zr元素，其制備需在真空條件下進行；工業(yè)中熔煉法常采用真空感應(yīng)熔煉爐，真空電弧爐和水冷銅坩堝爐等作為加熱熔煉裝置。但是由于真空電弧爐和水冷銅坩堝爐易造成非晶合金的成分偏析而影響合金使用性能，以及為解決成分偏析需采用多次熔煉而導(dǎo)致的能耗過高等問題而引起的能源浪費。因此需要尋找一種熔煉鋯基非晶合金的新方法。

目前，基于降低能耗、節(jié)約成本，可以使用氧化物耐火材料坩堝作為熔煉鋯基非晶合金的熔煉容器，但是在高溫熔融狀態(tài)下，鋯的化學(xué)活性很高，常見氧化物耐火材料，如氧化鋁，氧化鎂，鎂鋁尖晶石，氧化鋯和氧化硅等在高溫下均會與非晶合金熔體發(fā)生劇烈反應(yīng)，從而污染合金熔體，因此并不適用于作為熔煉非晶合金的反應(yīng)容器。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種含鋯非晶合金的坩堝式感應(yīng)熔煉制備方法及坩堝式感應(yīng)熔煉裝置，使用BaZrO₃耐火材料坩堝并結(jié)合真空感應(yīng)熔煉技術(shù)制備含鋯非晶合金。將組成含鋯非晶合金的純金屬原料放入BaZrO₃耐火材料坩堝中，置于真空感應(yīng)熔煉爐中，采用真空感應(yīng)熔煉工藝，通過控制初始合金原料的氧含量、真空條件、以及加熱熔融時間，以顯著降低含鋯非晶合金的含氧量；本發(fā)明簡化了非晶合金的制備流程，均勻的熱場可有效消除非晶合金成分偏析現(xiàn)象；本發(fā)明通過坩堝式感應(yīng)熔煉同時降低能耗、減少污染，符合綠色冶金的要求。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種含鋯非晶合金的坩堝式感應(yīng)熔煉制備方法，利用BaZrO₃坩堝耐火材料制成坩堝容器，在惰性氣體的保護下，以組成含鋯非晶合金的純金屬為原料，利用紅外測溫儀，測定金屬熔體的熔煉溫度，經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉設(shè)備，真空感應(yīng)熔煉含鋯的非晶合金。

優(yōu)選地，所述非晶合金原料的純度不低于99％，且含氧量不大于0.6at.％。

優(yōu)選地，所述的BaZrO₃坩堝耐火材料的制備方法，其步驟如下：