[发明专利]一种块体非晶合金超声电磁连续铸造装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及到一种非晶合金及非平衡凝固材料的连续铸造技术。

背景技术

非晶合金也称金属玻璃，是由金属熔体快速冷却得到的具有独特原子组成结构、兼有金属和玻璃特性的一类固体材料。与传统的金属材料相比，块体非晶合金具有优异的力学、物理及化学等性能。如晶态合金中难以获得的高强度及比强度、大弹性极限、低弹性模量，优异的耐腐蚀、耐磨损性能以及优良的软磁特性等。块体非晶合金具有明显的玻璃转变温度和结晶化前的宽过冷液相区，当温度处于过冷液相区间时，由于结构弛豫和自由体积的变化，发生类似于氧化物玻璃的软化现象，粘度急剧降低、表现出粘性流动特性，可以进行高精度超塑性变形及近净形加工。块体非晶合金的优异性能，使其在航空航天、国防装备、精密机械、信息产业、生体医用材料及体育用品等领域显示出广阔的应用前景。例如，利用Zr基块体非晶合金制作的新一代高尔夫球拍，可以获得更长的飞行距离；由Ni基和Zr基块体非晶合金制成的压力传感器的灵敏度是SUS630材料的3.8倍，用Ti基块体非晶合金管制得的科里奥利流量计传感管的灵敏度比SUS316不锈钢管高28.5倍；用高压喷射成形法制出了直径为1.7mm的Ni基块体非晶合金微小齿轮，并制造出直径2.4mm的世界上最小的微型齿轮电机；用块体非晶合金作大型飞机结构材料、变压器铁心材料、高精密线性电机的磁轭材料、燃料电池分离膜、微机械模具、纳米复写和高密度记录元件、生体材料等也取得了成功。

目前，块体非晶合金的制备技术主要有熔体水淬法、金属型铸造法、电弧熔化铸造法、高压铸造法等。包括粉末成型技术在内，制备块体非晶合金的方法多为单件的非连续过程。利用旋转液体纺线法、熔融金属抽出法及熔体急冷法等快速凝固技术连续制备出了非晶合金线材，通过改变喷嘴和冷却辊的结构设计，实现了Fe基宽幅非晶薄带的制备，宽度可以达到数百毫米。利用快速凝固技术连续制备的非晶合金多限于直径或厚度为微米级的丝材或带材。块体非晶合金出现后，提出了多种适合块体非晶合金的连续制备技术。

旋转盘铸造法是将合金熔体在一定的压力下喷注到铜盘表面开设的断面为半圆形的沟槽内，凝固成线状试样并被连续引出，获得了直径为1.5mm的块体金属玻璃线材。美国专利US2006/0260782A1提出一种块体非晶合金板材的连续铸造方法，冷却速度小于10℃/s，适用于具有大非晶形成能力的含Be的Zr基块体非晶合金成型。公开专利CN 1389317A提出一种立式块体非晶合金连续铸造方法，合金在坩埚中熔化后，流经设在坩埚下部的一个液流分散器使合金液分散成细小流股下落、浇入铸型、冷凝形成非晶。公开专利CN 1486800A提出一种大块非晶合金连续铸轧技术，在坩埚中熔化合金，然后将金属液注入到两个相对旋转的水冷轧辊中，采用轧辊铸轧制备大块非晶合金板材、棒材及异形型材。公开专利CN 1739886A介绍了一种块体非晶合金的热型连铸装置，装置采用立式半连铸方式，合金熔体在石墨铸型中凝固成型，然后进行喷水冷却，形成连续铸造过程。

根据块体非晶合金的凝固特点，申请人所在课题组发明了具有大冷却速度的石墨/水冷铜模复合式铸型[公开专利ZL200920013438.8]，并开发了块体非晶合金水平连续铸造的装置和方法[公开专利ZL 200910011405.4]。装置包含两个独立的真空室，利用真空室间的气压差辅助合金成型，可以实现不同截面尺寸的棒线材、方坯、板材、管材及异形材料等的连续成型，合金的冷却主要依靠水冷铜模，凝固的铸坯由电机驱动的牵引杆拉动不断输出。制备出直径为10mm，长600mm的Zr₄₈Cu₃₆Ag₈Al₈块体非晶合金棒材，连续铸造块体非晶合金的热性能及力学性能与铜模铸造法获得的样品性能一致，从连续铸造的原理上看，铸锭的长度没有限制，是否施加二次冷却水的试样的XRD图谱也没有显著差别，说明与普通金属材料连续铸造不同，在块体非晶合金的连续铸造过程中，二次冷却对铸锭内部的组织及结构影响很小。[Materials Letters，2011，65：2257-2260.]。