[发明专利]含锆非晶合金的坩埚式感应熔炼制备方法及坩埚式感应熔炼装置

说明书

本发明公开了一种含锆非晶合金的坩埚式感应熔炼制备方法及坩埚式感应熔炼装置，本发明利用BaZrO₃耐火材料坩埚为容器，在惰性气体保护下，将配比的非晶合金原料进行真空感应熔炼制备。本发明所提供的锆基非晶合金制备方法能通过控制初始合金原料的氧含量、真空条件、以及加热熔融时间以显著降低锆基非晶合金的含氧量；也简化了非晶合金的制备流程，均匀的热场可有效消除非晶合金成分偏析现象；同时坩埚式感应熔炼降低能耗、减少污染，符合绿色冶金的要求。

技术领域

本发明涉及一种含锆非晶合金的坩埚式感应熔炼制备方法及设备，属于金属材料和冶金技术领域，应用于制备锆基非晶合金技术领域。

背景技术

非晶合金材料具有良好的物理化学性能，由于其没有晶体结构和位错缺陷，强度远高于普通晶态金属材料，为制备新型高强度合金提供了一条新的途径，在航天航空、汽车、精密制造、电子通讯与计算机、生物医学等领域有着广阔的应用前景。

锆基非晶合金因其具有较强的玻璃/非晶形成能力和较宽的过冷液相区，以及优异的力学性能而备受关注，并得到了广泛的应用。如：很高的弹性极限值，极高的弹性比功；较高的强度、硬度、较低的杨氏模量等。锆基合金从液态向固态转变时，体系吉布斯自由能会发生变化：ΔG＝ΔH-TΔS，其中ΔG为体系的吉布斯自由能、ΔH为体系焓值变化、ΔS为体系熵值变化。如果合金自液相发生结晶转变时的ΔG很小，则转变过程中的热力学驱动力就小，不容易发生结晶转变，更容易形成非晶。多组元会使ΔS提高，原子的密集随机堆垛会使ΔH降低，并增加固/液界面能。原子间大的负混合热和较大的原子半径差都会使原子的密集程度增加而降低ΔH。这是目前大多数非晶采用3个以上组元的原因。

由于非晶合金的形成能力以及非晶合金的性能对氧含量较为敏感，即使少量的氧含量都会对与非晶形成能力(GFA)产生较大影响，因此在制备过程中，对于制备环境和原材料的纯度要求较高。氧的主要来源有：原料自身、熔炼气氛、熔炼接触容器(坩埚等)。目前，由于锆基非晶合金中含有高活性金属Zr元素，其制备需在真空条件下进行；工业中熔炼法常采用真空感应熔炼炉，真空电弧炉和水冷铜坩埚炉等作为加热熔炼装置。但是由于真空电弧炉和水冷铜坩埚炉易造成非晶合金的成分偏析而影响合金使用性能，以及为解决成分偏析需采用多次熔炼而导致的能耗过高等问题而引起的能源浪费。因此需要寻找一种熔炼锆基非晶合金的新方法。

目前，基于降低能耗、节约成本，可以使用氧化物耐火材料坩埚作为熔炼锆基非晶合金的熔炼容器，但是在高温熔融状态下，锆的化学活性很高，常见氧化物耐火材料，如氧化铝，氧化镁，镁铝尖晶石，氧化锆和氧化硅等在高温下均会与非晶合金熔体发生剧烈反应，从而污染合金熔体，因此并不适用于作为熔炼非晶合金的反应容器。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种含锆非晶合金的坩埚式感应熔炼制备方法及坩埚式感应熔炼装置，使用BaZrO₃耐火材料坩埚并结合真空感应熔炼技术制备含锆非晶合金。将组成含锆非晶合金的纯金属原料放入BaZrO₃耐火材料坩埚中，置于真空感应熔炼炉中，采用真空感应熔炼工艺，通过控制初始合金原料的氧含量、真空条件、以及加热熔融时间，以显著降低含锆非晶合金的含氧量；本发明简化了非晶合金的制备流程，均匀的热场可有效消除非晶合金成分偏析现象；本发明通过坩埚式感应熔炼同时降低能耗、减少污染，符合绿色冶金的要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含锆非晶合金的坩埚式感应熔炼制备方法，利用BaZrO₃坩埚耐火材料制成坩埚容器，在惰性气体的保护下，以组成含锆非晶合金的纯金属为原料，利用红外测温仪，测定金属熔体的熔炼温度，经过真空感应熔炼设备，真空感应熔炼含锆的非晶合金。

优选地，所述非晶合金原料的纯度不低于99％，且含氧量不大于0.6at.％。

优选地，所述的BaZrO₃坩埚耐火材料的制备方法，其步骤如下：