專利名稱：一種基于真空吸鑄的非晶合金微細零件的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于非晶合金材料制備技術領域，具體涉及一種非晶合金微細零件的制備方法及裝置。
背景技術：
非晶合金是20世紀材料領域的重大發現，材料內部原子排列呈長程無序短程有序結構，沒有位錯和晶界等缺陷。這種獨特的結構使非晶合金材料具有許多優異的性能，如高強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、優異的軟磁性等，被廣泛地應用于軍事、微/納制造、體育器材、光通訊、光集成、激光、新型太陽能電池、高效磁性和輸電材料等領域。非晶合金是極具前途的新結構材料與功能材料，不僅有著很好的科學研究價值、而且還有巨大的市場前景。非晶合金具有高強度、高硬度、低的楊氏模量和自銳性等一系列優異的力學性能，廣泛應用于制備微細零件。微細零件指尺寸小的零件，通常是微米級或以下尺寸的零件，其結構需要顯微鏡來觀察。目前，非晶合金制作微細零件的制備通常采用熱壓成形，即利用其超塑性對其采用熱壓工藝進行成形。熱壓成形制作零件首先需要將原始材料制成非晶合金，再對非晶合金進行熱壓成形，此方法需要兩個步驟，缺一不可，需要耗費大量的時間與精力成本高，而且在熱壓成形的步驟上可能造成其二次氧化的問題，其工程價值被限制得不到充分的利用。
發明內容
本發明的目的之一在于提出一種基于真空吸鑄的非晶合金微細零件的制備方法，該方法無需先制成非晶合金再熱壓的兩個步驟，從而大大縮短加工工藝所需的時間和精力，而且避免了二次氧化的問題，適合于大批量生產。實現本發明的該目的所采用的具體技術方案如下:
一種非晶合金微細零件的制備方法，其利用真空吸鑄實現非晶合金微細零件的制備，該方法具體包括:將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內；準備用于制備非晶合金微細零件的硅模具，將該硅模具置于內部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中；將真空熔腔抽真空并充入保護氣，對非晶合金原材料進行熔煉，并通過降低銅模具內的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入硅模具內；脫模即可得到非晶合金微細零件。作為本發明的進一步優選，所述硅模具沿軸向置于距銅模具通孔上端的1/3-1/2處。作為本發明的進一步優選，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的通孔。
作為本發明的進一步優選，所述充入的保護氣為Ar。作為本發明的進一步優選，對所述非晶合金原材料可進行多次熔煉，以得到均勻的合金成分。作為本發明的進一步優選，所述脫模過程中，銅模具開模，將包括非晶合金微細零件的棒料取出，并將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面，再將露出的硅模具及其內部微細零件進行超聲清洗，腐蝕硅模具后即得到非晶合金微細零件。本發明的另一目的還在于提供一種非晶合金微細零件的制備裝置，其包括:真空吸鑄爐，其包括用于熔煉非晶合金原料的真空熔腔和與該真空熔腔相通的下型腔；置于所述下型腔中銅模具，其內部型腔為通孔，該銅模具通過所述通孔與真空熔腔相通；硅模具，其置于所述銅模具的通孔中，用于非晶合金微細零件的成型；在真空熔腔熔煉成非晶合金原料溶液通過該通孔吸入銅模具內的硅模具中成型，經脫模后即可得到所述非晶合金微細零件。作為本發明的進一步優選，所述作為本發明的進一步優選，所述硅模具沿軸向置于距銅模具通孔上端的1/3-1/2處。作為本發明的進一步優選，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的通孔。作為本發明的進一步優選，該裝置還包括用于將真空熔腔抽真空的機械泵和分子泵，用于進行熔煉的電焊機和電弧發生器。本發明中，可由硅片制作成若干中心有微零件形狀的硅模具，再用切割機將整個硅模具切割成若干小模具，將硅模具研磨成通孔。制備裝夾硅模具的銅模具:本發明中，銅模具由兩個半圓柱組成，每個半圓柱上有對應的螺紋，使用時將兩個半圓柱配合好再用緊固螺母將其緊固，銅模具外形與真空電弧吸鑄爐的模腔配合。銅模具內部型腔中設有裝夾硅模具的結構，硅模具在銅模具通孔內的位置可以為距銅模具上端1/2-1/3處的通孔內。使用時將兩個半圓柱分開，將硅模具放在裝夾位置，再將兩個半圓柱緊固好即可。吸鑄時熔融態的非晶合金被吸入銅模具型腔并充滿硅模具冷卻后形成零件，裝夾硅模具的銅模具能將非晶合金的原始材料直接制備成非晶合金微細零件，將傳統的熱壓成形工藝的兩個步驟簡化為一個步驟，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產，大大縮短了零件制備所需的時間和精力成本低。本發明中，在非晶合金微細零件的脫模清理中，先取出銅模具，將內部的包括非晶合金微細零件的棒料取出，將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面。將露出硅模具及其內部微細零件放入裝有KOH溶液的試管中，將試管放入超聲清洗儀中加快腐蝕硅模具的速度，最后將得到的非晶合金微細零件用酒精清洗干凈即可。本發明的制備方法將傳統的熱壓成形工藝的兩個步驟簡化為一個步驟，避免了二次氧化，能夠將非晶合金的原始材料直接制備成非晶合金微細零件，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產，大大縮短了零件制備所需的時間和精力成本低。該方法適用于多種非晶合金，制作出的零件外觀平整，尺寸精確，能提升非晶材料在工程上的應用價值。
圖1為真空吸鑄設備示意圖。圖2為銅模具的結構圖，(a)為內徑為6mm的銅模內腔具示意圖，(b)為內徑為3mm的銅模具內腔示意圖。圖3為對應于圖2的硅模具和銅模具的組裝示意圖，I為銅模具，II為硅模具。圖4為按照本制備方法得到的產品實物圖，Ca)為吸鑄零件完整圖，(b)為局部放大圖。圖中，I隔斷泵，2分子泵，3機械泵，4真空熔腔，5下型腔，6銅模具，7電弧發生器，8直流電焊機，9高壓Ar氣瓶，10非晶合金原始材料。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本實施例中選用一種典型的非晶合金微齒輪零件的制備對本發明進行描述，但該方法并不限定于此種非晶合金，也不限于此種零件或尺寸，其他任意種類的非晶合金及零件均適用于本發明的方法。本實施例中選用高純度的4種純金屬，即Zr、Cu、N1、Al作為非晶合金的原料。將原子百分比=Zr為55,Cu為30,Al為10,Ni為5的比例調配的Zr55Cu30Al10Ni5的總原料(例如如果總原料為30g，則其中Zr20.103g、Cu7.638g、Nil.083g、All.176g)，放入真空電弧爐溶腔4內。再制作非晶合金微齒輪零件的硅模具(例如該齒輪參數可以為M=0.lmm，Z=20)。可由硅片制作成若干中心有微零件形狀的硅模具，再用切割機將整個硅模具切割成若干小模具，將硅模具研磨成通孔。本實施例中最終硅模具優選外徑為6_，也可以為3_或其他尺寸，厚度0.5 Imm的圓柱形的硅片，該圓形硅片的中間是零件形狀的模具。通過該過程可以實現能大批量的生產各種所需的硅模具。本實施例中銅模具優選為長度200mm,外徑60mm的圓柱形。銅模具由兩個半圓柱組成，每個半圓柱上有對應的螺紋，使用時將兩個半圓柱配合好再用緊固螺母將其緊固，銅模具外形與真空電弧吸鑄爐的模腔配合，內部型腔內徑相應為可以為3_或6_，內部型腔中設有裝夾硅模具的結構。硅模具在銅模具通孔內的位置可以為距銅模具上端1/2-1/3處的通孔內，例如在銅模具上端的1/3處，銅模具的內型腔為圖2所示。將銅模具分開為兩個半圓柱體(內徑優選為6_，也可以為其他尺寸)，把該硅模具裝入，再將銅模具緊固為一個整體，把裝好硅模具的銅模具裝入下型腔5中。通過采用在銅模具中裝夾硅模具，并置于相應位置，可以使得將傳統的熱壓成形工藝的兩個步驟簡化為一個步驟即可制備得到非晶合金微細零件，適合于各種非晶合金而且可以大批量生產，大大縮短了零件制備所需的時間和精力成本低。制備時，首先把硅模具裝入銅模具內，將兩個半圓柱配合緊固好，再將裝好硅模具的銅模具裝入下型腔5，將配制好的原材料放入真空電弧爐溶腔4內。密封好真空腔，利用機械泵3和分子泵2將真空腔4內的空氣抽至內部的氣壓低于5xl0_3pa，然后在充入純度為99.999%的Ar氣使內部氣壓達到I個大氣壓，然后在抽去Ar氣，再充入Ar氣，反復洗腔2次，第三次充入Ar氣至I個大氣壓即可，此步驟的目的是不斷的稀釋真空腔內可能存在的空氣，防止后續融化過程中非晶合金被氧化。打開直流焊機8，先將Ti球熔煉2min，以吸收熔煉室內可能存在的氧化性氣體，為了得到均勻的合金成分，將非晶合金原料反復熔煉4 5次，以確保合金的成分趨于均勻。打開閥門III使銅模具6內的氣壓迅速降低，將非晶合金熔液吸入銅模6內得到內部的硅模具上的成型零件。取出銅模具，將內部的包括非晶合金微細零件的棒料取出，將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面。將露出硅模具及其內部微形零件放入裝有KOH溶液的試管中，將試管放入超聲清洗儀中加快腐蝕硅模具的速度，最后將得到的非晶合金微細零件用酒精清洗干凈即可。本實施例中的真空吸鑄設備包括真空熔腔4和下型腔5，其中非晶合金原始配料10置于真空熔腔4內，機械泵3配合隔斷泵I和分子泵2用于將真空熔腔4的空氣抽至氣壓低于5xl0_3pa真空。高溫電弧由直流電焊機8配合電弧發生器7產生，以用于熔化原始配料10。吸鑄時，機械泵3將模具中的空氣抽至負壓，將熔融狀態的原始配料10吸入銅模具6內的硅模具中，然后將銅模具6在下型腔5中由水冷卻。氣瓶9內裝有純度為99.999%的保護氣體Ar氣，用于作為反應的保護氣體。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種非晶合金微細零件的制備方法，其利用真空吸鑄實現非晶合金微細零件的制備，該方法具體包括: 將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內； 準備用于制備非晶合金微細零件的硅模具，將該硅模具置于內部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中； 將真空熔腔抽真空并充入保護氣，對非晶合金原材料進行熔煉，再通過降低銅模具內的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入下型腔中的硅模具內； 脫模后即可得到非晶合金微細零件。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其中，所述硅模具置于銅模具的通孔內且距通孔上端口的距離為通孔軸向長度的1/3-1/2。
3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述銅模具由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的內部型腔通孔。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的制備方法，其中，所述充入的保護氣為Ar。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的制備方法，其中，對所述非晶合金原材料可進行多次熔煉，以得到均勻的合金成分。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的制備方法，其中，所述脫模過程中，首先銅模具開模，將包括非晶合金微細零件的棒料取出，再將硅模具兩端棒料切除并研磨至露出硅模具兩端面，再將露出的硅模具及其內部微細零件進行超聲清洗，腐蝕硅模具后即可得到非晶合金微細零件。
7.一種非晶合金微細零件的制備裝置，其包括: 真空吸鑄爐，其包括用于熔煉非晶合金原料的真空熔腔(4)和與該真空熔腔相通的下型腔(5); 置于所述下型腔(5)中的銅模具(6)，其內部型腔為通孔，該銅模具(6)通過所述通孔與所述真空熔腔(4)相通； 硅模具，其置于所述銅模具(6)的通孔中，用于非晶合金微細零件的成型； 經所述真空熔腔(4)熔煉后的非晶合金原料溶液通過該通孔吸入銅模具(6)內的硅模具中成型，經脫模后即可得到所述非晶合金微細零件。
8.根據權利要求7所述的制備裝置，其中，所述硅模具置于銅模具的通孔內且距通孔上端口的距離為通孔軸向長度的1/3-1/2。
9.根據權利要求7或8所述的制備裝置，其中，所述銅模具(6)由兩半銅模具塊組成，各半銅模具塊上開有截面為半圓形的凹槽，兩半銅模具塊的凹槽組合形成銅模具的內部型腔通孔。
10.根據權利要求7-9中任一項或所述的制備裝置，其中，該裝置還包括用于將真空熔腔(4)抽真空的機械泵(3)和分子泵(2)，以及用于進行熔煉的電焊機(8)和電弧發生器(7)。
全文摘要
本發明公開了一種非晶合金微細零件的制備方法，包括將非晶合金所需的各種純金屬按比例配制成非晶合金原材料，并置于所述真空電弧吸鑄爐的真空熔腔內；準備用于制備非晶合金微細零件的硅模具，將該硅模具置于內部型腔為通孔的銅模具中，并將所述銅模具置于真空電弧吸鑄爐的下型腔中；將真空熔腔抽真空并充入保護氣，對非晶合金原材料進行熔煉，并通過降低銅模具內的氣壓使熔煉后的非晶合金熔液通過所述通孔由真空熔腔吸入硅模具內；脫模即可得到非晶合金微細零件。本發明還公開一種非晶合金微細零件的制備裝置。本發明采用真空吸鑄，克服了非晶合金熔體流動性差、充型困難的問題，制備的非晶合金微細零件質量高，無氣孔等缺陷。
文檔編號B22D18/06GK103170605SQ20131008088
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者史鐵林, 廖廣蘭, 朱志靖, 文馳, 張釗博, 楊璠 申請人:華中科技大學