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液态金属压铸装备

作者:admin 来源:原创 发表时间:2016-11-26
一、液态合金概述
液态金属又称非晶态合金,是指固态合金中原子的三维空间呈拓扑无序排列,并在一定温度范围内保持这种状态相对稳定的合金。
非晶合金由于其独特的长程无序、短程有序的结构,而具有优异的物理、化学及力学性能。1958年,Turnbull等讨论确定了液态过冷到玻璃态的影响,揭开了非晶态合金的研究序幕。1960年,Duwez等采用熔体快淬法首次制得Au-Si非晶态合金。一般来说,熔体快淬法需要非常高的冷却速率(105K/s以上),因此,非晶态合金的三维尺寸受到限制,只能制得很细或很薄的丝、片和粉末状的非晶态合金。为了克服非晶态合金的形状及尺寸的限制,几十年来寻求具有很强的非晶形成能力、制出大块状的非晶合金一直是非晶物理领域内科学家们追求的目标。许多研究者也已经在这方面作出了大量的有益探索。
我国学者也对大块非晶合金进行了研究。与传统的晶态合金相比,块状非晶的室温力学性能具有高的抗拉强度、低的弹性模量、弹性极限可达2% (晶态合金一般为0. 2% )、很高的冲击断裂性能等。另外,块状非晶还具有耐磨、抗疲劳、抗腐蚀和延展性优良等性质。
1993年, Johnson等发现了迄今为止非晶形成能力最好的锆基块状非晶合金,其直径最大达十几厘米,重量超过20kg,冷却速率在1K/s左右,制备工艺简单,合金性能优异,具有很大的应用潜力。
锆基合金系具有强大的玻璃形成能力(GFA)和宽大的过冷液相区,能够利用不太复杂的设备较为容易地制备出优良的块体非晶合金。同时,锆基块体非晶合金具有一系列优异的力学性能,对锆基非晶合金的研究最为广泛,包括适当添加合金元素对锆基非晶合金的GFA的影响、锆基玻璃合金的断裂机制、疲劳断裂特性和裂纹尖端扩展特性和锆基玻璃合金复合材料等方面。
综观国际上大块非晶合金的研究,其核心在于合金成分体系的竞争。大块非晶材料研制和应用方面的关键,在于寻求具有极大玻璃形成能力的大块非晶合金系统,以便可采用常规技术模铸或高压压铸技术成型。作为一种具有广泛应用前景的新型材料,大块非晶合金的研究具有极好的工程价值和较高的理论意义。大块非晶合金由于其内在特殊的结构,导致其具有高的强度与韧性、大的弹性极限、无加工硬化、高的疲劳抗力、耐蚀性及高硬度和耐磨性等特点,应用前景极为广阔。
新型块状非晶合金具有较强的非晶形成能力和较多的优异性能,制备工艺简单,应用前景广阔。经过十几年的发展和研究,块状非晶合金已取得了很大的进展,但无论是基础理论,还是微观结构、宏观性能及新材料探索方面,都还存在大量的问题有待解决。在各种块状非晶形成合金中,锆基块状非晶发现得最早,研究得也最完善。由于其形成能力强、制备方法比较简单而且强度。
二、锆基非晶合金制备方法
1 铜模铸造法
该法是目前制备块体非晶合金最常用的方法。将电弧熔炼用的水冷铜盘下连接铸造铜模,电弧熔炼用电磁感应加热。将金属液直接浇注到金属型(铜模)中使其快速冷却获得块体非晶合金,金属型冷却方式分为水冷和无水冷两种。
2 熔体水淬法
熔体水淬法属于直接凝固的一种,水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法结合使用。常用的包覆剂为 B2O3,它既是吸附剂,吸附熔体内的杂质颗粒,又是包覆剂,隔离合金熔体,避免其与冷却器壁直接接触而诱发非均匀形核。通过对金属熔体进行水淬就可以得到非晶态合金棒材或丝材。这种方法对与石英管壁有强烈反应的合金不适用。由于水的比热比铜高,导热性不如铜,因此,冷却效率比铜模要差。
三、锆基非晶合金压铸设备及应用
由于大块非晶合金在室温下无论是采用机加工还是塑性加工,其成形加工都十分困难,大大制约了大块非晶合金的应用。利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为,开发超塑性精密成形技术,是解决这一问题的有效方法之一。利用过冷液相区非晶合金的超塑性,对非晶合金进行热加工。随着加热速率的增加,将合金快速一次加热后,以不同加热速率二次加热,进入模具加工,以一定的冷却速率冷却。保证合金在加工后主要结构为非晶结构。
基于上述要求,非晶合金压铸首先要满足非晶合金的制备需求,通常要满足冷却速率大于临界冷却速率的同时,还应满足熔炼环境的高真空等要求。因此,持续高效的压铸工艺需要配备非晶合金的熔炼系统、压射系统以及模具的冷却系统。
压铸过程通过电弧或感应加热实现非晶合金母合金的熔炼,并制成合金锭,通过后期破碎等方式制成合金颗粒。将合金颗粒能过送料装置进为熔炼装置(图1),完成加料动作。开始抽真空,当真空度达到要求后,启动电磁感应熔炼,在短时间内实现合金的熔化,并稳定在所需要的温度附近。随后,将熔体送入压铸机入料口,压铸。合金在模具内以较快冷却速率凝固,获得非晶合金压铸件。
 

 
清华大学与力劲集团联合开发了一套非晶合金压铸单元。包括大块非晶合金的连续化的熔炼系统,包括感应加热装置、红外控温装置、加料装置、真空系统、自动加料取件系统压射系统等主要部分组成。(图2)
 

 
锆基块体非晶合金被用来制造耐磨、耐蚀、高强度的人造关节和接骨板等。而当前最流行的 iPhone 手机外壳,就是采用锆基非晶合金材料制作。随着块体非晶合金应用研究技术的发展,越来越多的用途和工艺将被开发出来。可以预见,非晶合金作为一种性能优异的工程材料,必将在本世纪获得更为广泛地应用。
 
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