專利名稱：一種塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到非晶合金及非平衡凝固材料板材的連續(xù)制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
非晶合金也稱金屬玻璃，是具有獨特原子組成結(jié)構(gòu)、兼有金屬和玻璃特性的一類固體材料。非晶合金的組成原子呈遠(yuǎn)程無序、近程有序排列；其內(nèi)部不存在晶界、位錯、層錯等晶體缺陷；物理、化學(xué)及力學(xué)性能保持各向同性；熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)態(tài)，在晶化溫度以上將發(fā)生晶態(tài)結(jié)構(gòu)相變，但在晶化溫度以下能長期穩(wěn)定存在。塊體非晶合金則具有高的熱穩(wěn)定性和大的玻璃形成能力，合金熔體即使在0. 1 數(shù)百K/s的緩慢冷卻速度下也能形成非晶相，用金屬型鑄造的方法可以獲得三維尺寸達(dá)毫米級以上的非晶單相塊體材料。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，塊體非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)、物理及化學(xué)等性能。如晶態(tài)合金中難以獲得的高強度及高比強度、大彈性極限、低彈性模量，優(yōu)異的耐腐蝕、耐磨損性能以及優(yōu)良的軟磁特性等。塊體非晶合金具有明顯的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶化前的寬過冷液相區(qū)，當(dāng)溫度處于過冷液相區(qū)間時，由于結(jié)構(gòu)弛豫和自由體積的變化，發(fā)生類似于氧化物玻璃的軟化現(xiàn)象，粘度急劇降低、表現(xiàn)出粘性流動特性，可以進行高精度超塑性變形及近凈形加工。因此，塊體非晶合金在航空航天、微機電、國防工業(yè)、信息技術(shù)、生體材料及體育用品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。普通非晶合金，非晶相的形成需要lOt/s以上的冷卻速度，如此大的冷卻速度使非晶合金只能制成薄帶、細(xì)絲及粉末等低維材料，有效厚度在100 μ m以下。1988年，Inoue 等人在多組元合金系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了過冷液體穩(wěn)定化現(xiàn)象，這些合金具有寬的過冷液相區(qū)和大的玻璃形成能力，用銅模鑄造法可以獲得非晶單相的塊體材料。此后，研究者在開發(fā)新型具有大非晶形成能力的合金成分方面進行了大量的工作，在眾多的合金系內(nèi)制備出塊體非晶合金，其中非晶形成臨界尺寸達(dá)到厘米級的合金系近20個，而ττ基、Pd基、Cu基、Mg基、Ni 基、La基等合金的非晶形成尺寸超過2厘米，臨界冷卻速度小于漲/s。具有大非晶形成能力的塊體非晶合金的開發(fā)，不僅使塊體非晶合金作為高新材料大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用成為可能， 也為采用一些高效率、低成本的普通金屬材料成型技術(shù)來大量制備塊體非晶合金提供了可行的前提條件。制備塊體非晶合金的方法，包括熔體水淬法、銅模鑄造法、電弧熔化鑄造法、高壓鑄造法、精密鑄造法及粉末固化法等，都是單件或小批量的非連續(xù)過程，生產(chǎn)效率低、成本高，限制了塊體非晶合金的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。塊體非晶合金板材可以用于高性能的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)件，也便于利用熱壓、熱擠壓、熱軋及吹塑等方法制造各種精密器件。利用連續(xù)成型技術(shù)大量制備長度無限制的非晶合金板帶，尤其是厚度超過毫米級的塊體非晶合金板材，一直是研究者不斷追求的目標(biāo)。單輥熔體急冷法簡稱單輥法，具有大的冷卻速度，可達(dá)lOt/s，通過改變噴嘴和冷卻輥的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了寬幅非晶薄帶的制備，寬度可以達(dá)到數(shù)百毫米。但單輥法中熔融金屬的流動速度主要是由噴嘴的孔徑、內(nèi)外的壓力差與凝固前端之間的粘性流動控制，為了獲得足夠的冷卻速度來確保熔融金屬凝固成非晶態(tài)，冷卻輥表面的轉(zhuǎn)動速度一般在30m/s以上，大轉(zhuǎn)動速度限制了非晶帶的厚度在20 μ m以下。降低冷卻輥的轉(zhuǎn)速，可以提高非晶帶材的厚度，對于非晶形成能力大的合金，用單輥法能獲得厚度為50-75 μ m的厚非晶帶，但冷卻輥低速運轉(zhuǎn)不利于形成穩(wěn)定的熔池及連續(xù)冷卻過程。目前，用單輥法制備的塊體非晶合金帶的厚度小于100 μ m。
雙輥熔體急冷法簡稱雙輥法，也是制備非晶薄帶的重要方法之一，基于雙輥法開發(fā)了多種連續(xù)制備塊體非晶合金板材的方法。專利CN 1486800A公開了一種大塊非晶合金連續(xù)鑄軋技術(shù)，在坩堝中熔化合金，然后將金屬液注入到兩個相對旋轉(zhuǎn)的水冷軋輥中，采用軋輥鑄軋制備塊體非晶板材、棒材及異形型材。美國專利US2006/(^60782A1公開了一種塊體非晶合金板材的連續(xù)鑄造裝置和方法，裝置采用多組相對旋轉(zhuǎn)的冷卻輥，制備的板坯厚度為0. 1 10mm，拉坯速度為0. 5 lOcm/s，但冷卻速度小于10°C /s，僅限于具有大玻璃形成能力的含Be的^ 基塊體金屬玻璃成型。理論上講，雙輥法對金屬熔體進行雙面冷卻， 冷卻能力大于單輥法，但由于雙輥法中金屬熔體與冷卻輥的有效作用距離短，實際的冷卻速度要小得多；鑄軋法提高了金屬熔體與軋輥的接觸距離，但是控制與軋輥接觸的凝固層厚度及工藝穩(wěn)定性一直是有待解決的難題。
根據(jù)塊體非晶合金的凝固特點，本課題組發(fā)明了一種石墨/水冷銅模復(fù)合式鑄型(ZL200920013438.8)，復(fù)合鑄型具有大的冷卻速度和凝固前沿大溫度梯度。利用石墨/水冷銅模復(fù)合式鑄型開發(fā)了塊體金屬玻璃水平連續(xù)鑄造的裝置和方法(ZL 200910011405. 4)，裝置包含兩個獨立的真空室，利用真空室間的氣壓差輔助合金成型，可以實現(xiàn)不同截面尺寸的棒線材、方坯、板材、管材及異形材料等的連續(xù)成型。合金的冷卻主要依靠水冷銅模，凝固的鑄坯由電機驅(qū)動的牽引桿拉動不斷輸出。
對于塊體非晶合金的連續(xù)成型過程，裝置的大冷卻速度是必要而且有益的，冷卻速度越大，鑄錠的非晶形成尺寸越大。本發(fā)明結(jié)合了塊體非晶合金連續(xù)鑄造板、帶材冷卻輥冷卻和鑄型冷卻的特點，其原理、結(jié)構(gòu)和方法尚未見公開報道。
本發(fā)明的原理是
1.金屬熔體在雙冷卻帶(或結(jié)晶器)上冷卻、凝固，冷卻能力強。金屬熔體經(jīng)流嘴進入冷卻帶(或結(jié)晶器)后，與冷卻帶表面接觸迅速冷卻，冷卻帶具有良好的導(dǎo)熱和蓄熱能力，使合金熔體獲得大的冷卻速度；成型的合金離開冷卻帶前一直被冷卻，合金與冷卻帶的接觸時間長，可高效的將板材內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，冷卻能力強，尤其適合大厚度板材的冷卻。
2.合金與冷卻帶之間無相對運動，合金發(fā)生非晶相變時凝固收縮小，合金與冷卻帶之間的界面熱阻小，可獲得大的冷卻速度。
3.冷卻帶用介質(zhì)冷卻，板材凝固釋放的熱量通過冷卻帶持續(xù)導(dǎo)出，實現(xiàn)連續(xù)冷卻。
4.合金被冷卻帶夾持并沿鑄造方向以一定的速度運動，冷卻帶不僅使合金熔體冷卻、凝固，也帶動凝固的板材運動、起到拉坯的作用，裝置的構(gòu)造簡單，同時解決了非晶合金凝固收縮小，容易在結(jié)晶器內(nèi)“凍住”的問題。
5.進入冷卻帶的合金冷卻、凝固的同時隨冷卻帶一起運動，冷卻帶前端不斷澆入熔融的合金，可以連續(xù)不斷地從冷卻帶的另一端拉出斷面形狀、尺寸不變的鑄坯，實現(xiàn)連續(xù)鑄造過程，獲得任意或特定長度的鑄件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種塊體非晶合金板、帶材連續(xù)鑄造裝置和方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種塊體非晶合金板、帶材連續(xù)鑄造裝置，包括坩堝、熱電偶、流嘴、冷卻帶或結(jié)晶器、驅(qū)動輥、定位輥、引錠頭、調(diào)速電機和切割機，在坩堝內(nèi)熔化母合金、調(diào)整澆注溫度和壓力；金屬液經(jīng)矩形截面的流嘴和結(jié)晶器澆注到冷卻帶之間冷卻、凝固，形成非晶合金板、帶材；調(diào)速電機帶動驅(qū)動輥轉(zhuǎn)動，使冷卻帶和凝固的非晶板、帶以一定速度同步運動，定位輥保持冷卻帶相互平行，冷卻帶內(nèi)部通水冷卻；板、帶材達(dá)到需要長度后，經(jīng)切割機切斷，獲得塊體非晶合金連續(xù)鑄造板、帶材。冷卻帶用導(dǎo)熱的金屬材料制作，如不銹鋼、鋁合金、銅合金等，較適合的材料有鉻銅、鈹銅、彌散強化銅合金、無氧銅合金；冷卻帶內(nèi)部通水冷卻，外表面進行拋光或鍍鉻處理；冷卻帶的間隙為0. 05 10cm，冷卻帶與板、帶材的接觸長度為5 500cm。冷卻帶內(nèi)設(shè)有驅(qū)動輥和定位輥，驅(qū)動輥保持同步轉(zhuǎn)動，使冷卻帶沿鑄造方向運動， 冷卻帶的運動速度為0. 01 50m/min ；定位輥至少一組，保持冷卻帶相互平行。坩堝和流嘴用不與塊體非晶合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的耐高溫材料制作，如高純石墨； 坩堝用感應(yīng)加熱或電阻加熱，使用溫度大于500°C ；坩堝放置在真空環(huán)境內(nèi)或用氣體和熔劑保護；流嘴的出口截面可以為矩形或其他異型，采用矩形時，寬度為0. 05 100cm，長度大于 0. 1cm。裝置可采用水平或垂直連續(xù)鑄造方式，垂直連續(xù)鑄造時要求裝置的高度大于所需塊體非晶合金連續(xù)鑄造板材的長度。使用上述塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置的方法，包括以下步驟a、合金熔化及保溫將引錠頭放入流嘴內(nèi)、引錠頭與流嘴(或結(jié)晶器)間密封；將熔煉好的母合金放入坩堝內(nèi)，快速加熱坩堝使母合金熔化，通過熱電偶測量金屬熔體溫度， 控制金屬熔體的溫度高于合金液相線溫度5°C以上，保溫一段時間，使金屬熔體溫度均勻； 在真空下熔化合金時，坩堝開始加熱前抽真空至所需的真空度；b、合金熔體澆注調(diào)整金屬熔體的溫度高于合金液相線溫度5 200°C，拉動引錠頭使其逐漸從流嘴內(nèi)脫離，金屬熔體在靜壓力或氣體壓力作用下經(jīng)過流嘴和結(jié)晶器流入冷卻帶之間；C、連續(xù)鑄造啟動調(diào)速電機，使驅(qū)動輥轉(zhuǎn)動，帶動冷卻帶沿鑄造方向以一定速度運動，固定輥使冷卻帶保持相互平行；進入冷卻帶的金屬熔體在和冷卻帶一起運動的同時冷卻、凝固形成非晶合金板、帶材；達(dá)到所需長度時，啟動切割機切斷非晶合金板、帶材，完成連續(xù)鑄造過程。本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點和積極效果1.冷卻帶與成型合金的接觸時間長，冷卻能力大，適合塊體非晶合金板、帶材的成型；2.冷卻帶與成型合金之間無相對運動，界面的熱阻小，鑄錠具有大的冷卻速度；3.合金的凝固與輸出在冷卻帶內(nèi)完成， 裝置結(jié)構(gòu)簡單；4.合金熔體在冷卻帶內(nèi)冷卻、凝固的同時沿鑄造方向運動，形成連續(xù)鑄造過程，獲得非晶合金連續(xù)鑄造板、帶材。


附圖是本發(fā)明的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1坩堝，2熱電偶，3流嘴，4結(jié)晶器，5冷卻帶，6驅(qū)動輥，7定位輥，8引錠頭，
9調(diào)速電機，10切割機。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。
利用本發(fā)明提出的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置和方法，制備厚度為10mm、寬度為50mm的基塊體非晶合金連續(xù)鑄造板材。
a、合金熔化及保溫選擇名義成分為Cu36Zr48Al8A^塊體非晶合金，按原子比配置合金原料，在真空電弧爐下熔煉得到母合金，用DTA測得合金的液相線溫度為870°C，測試時的加熱速率為20K/min ；坩堝1、流嘴3和結(jié)晶器4采用高純石墨制作，并置于真空室內(nèi)， 流嘴的的截面尺寸為10X50mm2，壁厚15mm，將引錠頭8放入流嘴內(nèi)、引錠頭與流嘴間密封； 將母合金放入坩堝內(nèi)，抽真空至10_3Pa，快速加熱坩堝使母合金熔化，通過熱電偶2測量、控制金屬熔體的溫度為920°C，保溫30min，使合金熔體溫度均勻；
b、合金熔體澆注調(diào)整坩堝1內(nèi)合金熔體的溫度為970°C，冷卻帶5內(nèi)的冷卻水流量為5L/min，真空室內(nèi)外的壓力差為0. 2Mpa，拉動引錠頭8使其逐漸從流嘴3內(nèi)脫離，金屬熔體在靜壓力和氣體壓力作用下經(jīng)過流嘴和結(jié)晶器流入冷卻帶之間；
C、連續(xù)鑄造啟動調(diào)速電機9，使驅(qū)動輥6轉(zhuǎn)動，帶動冷卻帶沿鑄造方向以20cm/ min的速度運動，固定輥7使冷卻帶保持相互平行；進入冷卻帶的合金熔體在與冷卻帶同步運動的同時冷卻、凝固形成板材；經(jīng)切割機10切斷后，獲得長度達(dá)為500mm，橫截面為 10X50mm2的連續(xù)鑄造板材；截取板材的兩端及中間部位，將試樣斷面磨平、拋光、腐蝕后， 用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用X射線衍射儀測定試樣的相結(jié)構(gòu)。試樣的顯微組織均勻，沒有發(fā)現(xiàn)具有明暗偏差的不同相結(jié)構(gòu)；X射線衍射譜呈典型的非晶合金所具有的大而寬的慢波峰，沒有明顯的對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)的尖銳衍射峰，板材具有非晶單相結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，包括坩堝(1)，熱電偶O)，流嘴(3)，結(jié)晶器 (4)，冷卻帶(5)，驅(qū)動輥(6)，定位輥(7)，引錠頭(8)，調(diào)速電機(9)，其特征在于坩堝(1) 和流嘴C3)用不與塊體非晶合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的耐高溫非金屬材料；坩堝用感應(yīng)加熱或電阻加熱，使用溫度大于500°C ；冷卻帶(5)用導(dǎo)熱的金屬材料；冷卻帶內(nèi)部通水或其它介質(zhì)冷卻，外表面進行拋光或鍍鉻處理；冷卻帶的間隙為0. 05 10cm，冷卻帶與成型金屬的接觸長度為5 500cm ；冷卻帶內(nèi)設(shè)有驅(qū)動輥(6)和定位輥(7)，調(diào)速電機(9)帶動驅(qū)動輥同步轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輥外的冷卻帶運動；定位輥至少一組，保持冷卻帶相互平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，其特征在于，流嘴和結(jié)晶器的截面為矩形，寬度為0. 05 10cm，長度大于0. Icm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，其特征在于，坩堝(1)和流嘴(3)采用高純石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，其特征在于，冷卻帶采用不銹鋼、鋁合金、銅合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，其特征在于，冷卻帶采用鉻銅、鈹銅、彌散強化銅合金、無氧銅合金。
6.使用權(quán)利要求1、2、3、4或5所述塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置的方法，其特征包括以下步驟a、合金熔化及保溫將引錠頭(8)放入流嘴(3)內(nèi)、引錠頭與流嘴間密封；將熔煉好的母合金放入坩堝(1)內(nèi)，快速加熱坩堝使母合金熔化，通過熱電偶( 測量金屬熔體溫度， 控制金屬熔體的溫度高于合金液相線溫度5°C以上，保溫使金屬熔體溫度均勻；在真空下熔化合金時，坩堝開始加熱前抽真空至所需的真空度；b、合金熔體澆注調(diào)整金屬熔體的溫度高于合金液相線溫度5 200°C，拉動引錠頭 (8)使其逐漸從流嘴(3)內(nèi)脫離，金屬熔體在靜壓力或氣體壓力作用下經(jīng)過流嘴進入結(jié)晶器(4)和冷卻帶(5)之間；結(jié)晶器用非金屬材料制作時，合金熔體在冷卻帶內(nèi)冷卻、凝固； 結(jié)晶器用金屬材料制作時，合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)成型，在冷卻帶內(nèi)冷卻；C、連續(xù)鑄造啟動調(diào)速電機(9)，使驅(qū)動輥(6)同步轉(zhuǎn)動，帶動冷卻帶以0.01 50m/ min的速度沿鑄造方向運動，固定輥(7)使冷卻帶保持相互平行；進入冷卻帶的合金被冷卻帶夾持運動的同時冷卻、凝固形成塊體非晶合金板材；板材達(dá)到所需長度時，啟動切割機 (10)，切斷板材，完成連續(xù)鑄造過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置，其特征在于采用水平或垂直連續(xù)鑄造方式，垂直連續(xù)鑄造時要求裝置的高度大于所需塊體非晶合金連續(xù)鑄造板材的長度。
全文摘要
一種塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造裝置和方法，屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征是結(jié)合了塊體非晶合金板材連續(xù)鑄造冷卻輥冷卻和鑄型冷卻的特點，合金的凝固和成型在兩個相互平行、同步運動的冷卻帶之間完成。熔煉后的母合金在坩堝內(nèi)熔化、保溫，以設(shè)定的溫度經(jīng)矩形截面的流嘴澆注到兩個相互平行的通水冷卻的冷卻帶之間冷卻、凝固，形成非晶板材，冷卻帶在驅(qū)動輥和定位輥的作用下帶動凝固的非晶板以一定的速度運動，完成連續(xù)鑄造過程。裝置的結(jié)構(gòu)簡單，冷卻速度大，金屬的凝固和拉坯在冷卻帶內(nèi)完成、工藝穩(wěn)定性好，鑄錠尺寸調(diào)整方便。利用本發(fā)明的裝置和方法可高效、連續(xù)地制備大厚度塊體非晶合金板材。
文檔編號B22D11/06GK102489677SQ201110442019
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者周秉文, 張興國, 房燦峰, 賈非, 郝海 申請人:大連理工大學(xué)