一种非晶合金薄壁细长管成形装置及方法 【技术领域】
本发明涉及一种细长非晶合金管成形装置及方法。
背景技术
非晶合金由于不具有长程原子有序的微观结构，因而具有诸如高弹性极限、高强度、高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等优异的物理和化学性能。目前非晶合金管已经作为质量流量计的传感器部件得到了应用。非晶合金是一种快速凝固材料，制备非晶合金管材的方法主要有铜模铸造法、拔芯法和感应吸铸法等，铜模铸造法主要是将非晶合金液体注入带有型芯的模具中，从而快速凝固形成非晶合金管材，非晶合金管材模具的材质一般为纯铜，中国专利号为200710072125.5、公开日为2007年9月19日的发明专利公开了一种制备非晶合金管的方法，该专利属铜模铸造法，该专利虽具有工艺简单的特点，但是，由于模具和型芯均为铜，因此，取芯时存在型芯与非晶合金管难分离的问题。拔芯法是先将非晶合金液体充入带有型芯的模具中冷至室温，随后加热型芯，与型芯接触的非晶合金管内壁也被加热，当内壁的非晶合金达到过冷液相区温度时，由于非晶合金在过冷液相区内具有超塑性，很小的外力就可以将型芯拔出，同时该方法能保证非晶合金管材具有光滑的内壁。但是，铜模铸造法与拔芯法只适用于制备厚壁非晶合金管材，制备薄壁非晶合金管材(壁厚小于1mm)时，采用上述两种方法会出现薄壁处不能充型的问题。感应吸铸法是将液态非晶合金液从底部吸入冷态管状模具中，与模具壁相接触的非晶合金液体很快凝固从而形成管状凝壳，而模具中心处的非晶合金液体不能立刻凝固，当吸铸产生的合金液体流速达到一定值时，模具中心的非晶合金液体由于未得到凝固而被吸走，从而留下非晶合金管，感应吸铸法不存在薄壁充型的问题，因而能制备薄壁细长管。但是，感应吸铸法制备含有活泼金属的合金时，感应坩埚容易与非晶合金发生反应，且感应吸铸法的制备装置结构较复杂。
【发明内容】
本发明的目的是为解决现有制备非晶合金管材的方法主要有铜模铸造法、拔芯法和感应吸铸法，铜模铸造法与拔芯法制备薄壁非晶合金管材(壁厚小于1mm)时，会出现薄壁处不能充型；感应吸铸法制备含有活泼金属的合金时，感应坩埚容易与非晶合金发生反应的问题，提供了一种非晶合金薄壁细长管成形装置及方法。
本发明包括电弧熔炼炉、铜坩埚、石墨管、接管、支撑垫、石英玻璃、测温装置、红外传感器、吸铸阀、机械泵、钨极棒、金属模具、吸铸控制器和熔化电流控制器，接管的一端设置在电弧熔炼炉的侧壁上，接管的另一端与机械泵连接，吸铸阀装在接管上，石英玻璃装在电弧熔炼炉的底部中心孔中，测温装置位于电弧熔炼炉的底部中心孔的下方，红外传感器位于测温装置的下方，铜坩埚的上端面设有凹坑，铜坩埚的中心处设有与凹坑相通的阶梯形石墨管孔，石墨管装在阶梯形石墨管孔中，钨极棒的钨极端位于凹坑中，金属模具由两个对称设置的半圆柱体构成，金属模具的中心轴线处设有模腔，模腔的内径为Φ2.5～Φ3.5mm，金属模具的长度为200～300mm，金属模具通过支撑垫装在电弧熔炼炉中，铜坩埚的下端面与金属模具和电弧熔炼炉的上端面连接，且石墨管的管孔与模腔正对，红外传感器和吸铸阀分别通过导线与吸铸控制器连接，吸铸控制器通过导线与熔化电流控制器连接。
本发明方法是通过以下步骤实现的：步骤一：首先将合金锭放入铜坩埚中的凹坑底部；步骤二：电弧熔炼炉内的真空度为5.0×10-3～6.0×10-3Pa；步骤三：熔化电流控制器控制熔化电流为250～400A，熔化时间为2～3S；步骤四：当合金锭底部的温度达到液相温度以上时，合金锭熔化成合金液，这时，吸铸控制器将吸铸阀打开，机械泵将电弧熔炼炉内腔中的气体抽出，电弧熔炼炉的内腔上、下之间形成负压，合金液在负压作用下被吸入金属模具的模腔中，当合金液进入模腔后，与模腔侧壁接触的合金液迅速冷却并凝固在模腔侧壁上形成薄壁金属凝壳，金属凝壳的厚度为1mm以下，位于模腔中心未凝固的合金液在压差的作用下被吸出模具，模腔侧壁上凝固的薄壁合金凝壳即为非晶合金薄壁细长管。
本发明的优点是：一、本发明的方法利用金属模具，通过控制熔化电流，吸铸阀的开启，可以得到非晶合金薄壁细长管，因此，本发明可制备壁厚小于1mm的薄壁管。由于本发明采用电弧熔炼法熔化合金锭，因此，坩埚不会与非晶合金锭发生反应。二、本发明的装置结构简单，利用本发明的方法和装置制备Ti基、Zr基等含活泼金属的非晶合金管。
【附图说明】
图1是具体实施方式一的结构主剖视图；图2是具体实施方式四中的步骤四中位于模腔4-1中心未凝固的合金液在压差地作用下被吸出模具时的状态图；图3是具体实施方式四中的步骤四中模腔4-1侧壁上凝固形成的薄壁合金凝壳的状态图；图4是本发明制备的多层复合非晶合金管的结构示意图；图5是合金锭17的成分为Zr41Ti14Ni10Cu12Be23时，得到的非晶合金细管的样品外观图；图6是合金锭17的成分为Ti40Zr25Ni3Cu12Be20时，得到的非晶合金细管的样品外观图；图7是合金锭17的成分为Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2时，得到的非晶合金细管的样品外观图；图8是合金锭17的成分为Zr41Ti14Ni10Cu12Be23时，制成的非晶合金管截面的扫描电镜图；图9是合金锭17的成分为Zr41Ti14Ni10Cu12Be23、Ti40Zr25Ni3Cu12Be20或Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2时，得到的非晶合金细管样品的X射线衍射图谱。
【具体实施方式】
具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括电弧熔炼炉1、铜坩埚2、石墨管3、接管5、支撑垫6、石英玻璃7、测温装置8、红外传感器9、吸铸阀10、机械泵11、钨极棒15、金属模具4、吸铸控制器12和熔化电流控制器13，接管5的一端设置在电弧熔炼炉1的侧壁上，接管5的另一端与机械泵11连接，吸铸阀10装在接管5上，石英玻璃7装在电弧熔炼炉1的底部中心孔中，测温装置8位于电弧熔炼炉1的底部中心孔的下方，红外传感器9位于测温装置8的下方，铜坩埚2的上端面设有凹坑2-1，铜坩埚2的中心处设有与凹坑2-1相通的阶梯形石墨管孔2-2，石墨管3装在阶梯形石墨管孔2-2中，钨极棒15的钨极端位于凹坑2-1中，金属模具4由两个对称设置的半圆柱体构成，金属模具4的中心轴线处设有模腔4-1，模腔4-1的内径为Φ2.5～Φ3.5mm，金属模具4的长度为200～300mm，金属模具4通过支撑垫6装在电弧熔炼炉1中，铜坩埚2的下端面与金属模具4和电弧熔炼炉1的上端面连接，且石墨管3的管孔与模腔4-1正对，红外传感器9和吸铸阀10分别通过导线与吸铸控制器12连接，吸铸控制器12通过导线与熔化电流控制器13连接。钨极棒15通过导线与电源14连接，铜坩埚2通过导线与电源14连接，吸铸控制器12和熔化电流控制器13分别通过导线与电源14连接。熔化电流控制器13用以调节电弧炉的熔化电流。测温装置8和红外传感器9用来检测铜坩埚2上的凹坑2-1底部的合金锭17的温度。通过改变模腔4-1的内径、吸铸阀门开启时间和熔化电流，可以得到不同外径和壁厚的非晶合金薄壁管。
具体实施方式二：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的金属模具4的模腔4-1内径为Φ3mm，金属模具4的长度为250mm。本发明适合制备非晶合金薄壁管，模腔4-1内径和金属模具4的长度为上述数值时，形成的非晶合金薄壁细长管的效果最佳。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述装置还增加有密封垫16，金属模具4的上端面设有环形槽4-2，密封垫16装在环形槽4-2中。这样设计增加了铜坩埚2的下端面与金属模具4的上端面的密封性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式通过以下步骤实现的：步骤一：首先将合金锭17放入铜坩埚2中的凹坑2-1底部，利用电弧将合金锭17熔化；步骤二：电弧熔炼炉1内的真空度为5.0×10-3～6.0×10-3Pa；步骤三：熔化电流控制器13控制熔化电流为250～400A，熔化时间为2～3S；步骤四：当合金锭17底部的温度达到液相温度以上时，合金锭17熔化成合金液，这时，吸铸控制器12将吸铸阀10打开，机械泵11将电弧熔炼炉1内腔中的气体抽出，电弧熔炼炉1的内腔上、下之间形成负压，合金液在负压作用下被吸入金属模具4的模腔4-1中，当合金液进入模腔4-1后，与模腔4-1侧壁接触的合金液迅速冷却并凝固在模腔4-1侧壁上形成很薄的金属凝壳，金属凝壳的厚度t为1mm以下，位于模腔4-1中心未凝固的合金液在压差的作用下被吸出模具，如图2所示，模腔4-1侧壁上凝固的薄壁合金凝壳即为非晶合金薄壁细长管18，如图3所示。位于模腔4-1中心未凝固的合金液凝固需要一定的时间，由于上、下腔体大的压差和合金液良好的流动性使模具中合金液流速很大，因此，模具中心的合金液还未凝固就很容易被吸出模具，如图2所示。合金锭17的成分为Zr41Ti14Ni10Cu12Be23(at.％)、Ti40Zr25Ni3Cu12Be20(at.％)或Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2(at.％)。通过改变金属模具4的模腔4-1内径，控制熔化电流和吸铸阀10的开启时间等工艺参数，可以得到不同外径和1mm以下壁厚的非晶薄壁细长管。
具体实施方式五：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的步骤四中金属模具4的材料为纯铜。纯铜具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同点在于本发明还包括步骤五：将步骤四制备完成的非晶合金薄壁细长管18再次装入金属模具4的模腔4-1中，重复步骤二、三、四，即得到二层复合非晶合金薄壁细长管19。
具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六的不同点在于本发明还包括步骤六：将步骤五制备完成的二层复合非晶合金薄壁细长管19再次装入金属模具4的模腔4-1中，重复步骤二、三、四，即得到三层复合非晶合金薄壁细长管20。本发明通过改变金属模具4的模腔4-1内径，控制熔化电流和吸铸阀10的开启时间等工艺参数，可以得到多层复合非晶合金管。
本发明的应用实例：
(1)、选择合金锭17的成分为Zr41Ti14Ni10Cu12Be23(at.％)、合金锭17的质量为10克，熔化电流300A，熔化时间2.5S，电弧炉真空度为5.5×10-3Pa，得到的非晶合金细管的样品外观如图5所示。图7是Zr41Ti14Ni10Cu12Be23非晶合金管样品截面的扫描电镜图片，管外径为3mm，管壁为0.5mm，从图8可清晰见到，通过本发明装置和方法制得的薄壁非晶管的管径均匀，内径圆整，管内壁光滑。
(2)、选择合金锭17的成分为Ti40Zr25Ni3Cu12Be20(at.％)，合金锭17的质量为10克，熔化电流270A，熔化时间2.5S，电弧炉真空度为6.0×10-3Pa，得到的非晶合金细管的样品外观如图6所示。
(3)、选择合金锭17的成分为Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2(at.％)，合金锭17的质量为10克，熔化电流350A，熔化时间2.5S，电弧炉真空度为5.0×10-3Pa，得到的非晶合金细管的样品外观如图7所示。
通过上述三个实例可明显的看出：采用本发明的装置和方法，制备非晶合金管的尺寸精度和表面质量都得到了保证。从图9中的X射线衍射图谱中可明显看出，Zr41Ti14Ni10Cu12Be23(图9中a)、Ti40Zr25Ni3Cu12Be20(图9中b)或Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2(图9中c)合金管样品均为非晶态。