一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，包括紫铜内模，还包括上开口的不锈钢的外模，所述内模为分体式，内膜卡设于外模内且内模的底部与外模之间有间距，在内模与外模之间的空腔中填充有镓铟合金。所述外模的内侧垂直设置有定位卡槽，内模上的凸条卡设于定位卡槽内。内模分为对称的两部分，分型面上加工有安放密封条的密封槽，对称的两部分通过紧固螺栓联接。本实用新型整套模具由冷却和成型两部分组成，避免了冷却部分的重复加工，极大的节约了模具材料，模具结构合理，简单，操作方便，特别适宜加工大体积块体非晶。
【专利说明】一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具
【技术领域】
[0001]本实用新型属于块体非晶合金及其复合材料的制备领域。特别是一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具。
【背景技术】
[0002]非晶合金因其独特的内部结构而具有特殊的性能，具有广阔的应用前景，近年来一直是材料科学、凝聚态物理及力学领域的研究热点。非晶合金在成型时，需要较高的冷却速度抑制晶体形核、长大，因此，往往只能获得较小尺寸的非晶样品，这个问题严重限制了非晶合金的广泛应用。制备不同形状、尺寸的大体积块体非晶合金是各国学者一直在攻关的关键技术。
[0003]近年来，铜模铸造法一直是制备块体非晶所采用的主要方法，包括吸铸法、喷铸法、浇铸法等，其共同点是将熔融的液态金属快速注入具有一定形状内腔的铜模中，通过铜模的散热能力，使合金液快速冷却，得到块体非晶。这种铜模一般用纯铜制成，一般为左右分模的两个实心铜块，合模后形成型腔，为了保证充足的冷却能力，铜模的体积必须足够大。例如，常用的吸铸铜模，其外圆直径为100mm，高10(Tl20mm，重量约为7.5kg。
[0004]上述所用的铜模在使用时，存在的两个突出的问题:一是铜模为一个整体部件，具有一个固定尺寸的内腔，只能用来制备一种固定形状的块体非晶。要制备不同形状的块体非晶，必须要加工不同的铜模，而铜模本身用料多，因此制造成本高；二是要制备大体积(如1000mm3或更大尺寸)的块体非晶时，所需的铜模体积也相应增加，重量增大，不便于操作。针对第二个问题，人们在上述铜模的基础上，在铜模中通水冷却，即水冷铜模。水冷铜模能提供更强的冷却能力，但使模具的加工工艺变得复杂，同时，要求将冷却水引入电弧炉或感应炉的真空室，使用不便。而且，水冷铜模仍然存在上述的第一个问题。
实用新型内容
[0005]本实用新型要提供一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，以达到冷却能力可控、便于制备不同形状，且使用便捷、加工工艺简单，能够降低制备成本的目的。
[0006]为达到上述目的，本实用新型提供的一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，包括紫铜内模，其特征在于:还包括上开口的不锈钢的外模，所述内模为分体式，内膜卡设于外模内且内模的底部与外模之间有间距，在内模与外模之间的空腔中填充有镓铟合金。
[0007]在外模的内侧垂直设置有定位卡槽，内模上的凸条卡设于定位卡槽内。
[0008]内模分为对称的两部分，分型面上加工有安放密封条的密封槽，对称的两部分通过紧固螺栓联接。模具在使用时，先将密封橡胶条安放于密封槽内，用紧固螺栓将对称的两部分合模紧固即可。
[0009]与现有技术相比，本实用新型的优点是:
[0010]1、本实用新型将传统铜模的冷却和成型两相功能分解成独立的两部分，整套模具由冷却和成型两部分组成，避免了冷却部分的重复加工。本实用新型中外模和冷却介质提供制备非晶合金所需的冷却能力，所使用的紫铜内模仅具有成型功能，只要能够提供合适的内腔即可，不再是提供冷却能力的主体，因此任何外形都可接受，只要有能够与外模固定的凸条即可，所以紫铜内模体积、重量较小，在制备大体积(如1000mm3左右)的块体非晶时，仅为400g左右，极大的节约了模具材料。
[0011]2、如果用该模具制备不同形状、尺寸的块体非晶，只需更换纯铜(紫铜)制作的内模即可实现，而本实用新型提供的内模成本低，在多形状的多个时，其成本优势体现的更闻。
[0012]3、起冷却功能的部分一次性投入，其中的不锈钢外模形状简单，加工方便，可以多次重复使用；镓铟合金也为一次性投入，可以长期重复使用，通过改变镓铟合金的量就可以调节模具的冷却能力，适于制备多种形状的块体非晶合金。
[0013]4、制备不同形状、尺寸的块体非晶时，只需要更换成本较低的内模即可，而起冷却功能的部分一次性投入，外模和冷却介质不用更换。制备大体积非晶合金时，只需更改内模的型腔、在外模中加入更多冷却介质即可。
[0014]5、结构合理，简单，操作方便。本实用新型采用内模插入外模的固定方式，使得整套模具的使用极为方便，同时内模为分体机构，脱模方便，提高了工作效率。
[0015]6、适用范围广:特别适宜加工大体积块体非晶。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是整套模具的组装示意图；
[0017]图2是整套模具的局部剖视图；
[0018]图3是制备矩形片状非晶的内模示意图；
[0019]图4是制备矩形片状非晶的内模的横向剖视图；
[0020]图5是制备矩形片状非晶的内模的纵向剖视图；
[0021]图6是制备圆形片状非晶的内模示意图；
[0022]图7是制备圆形片状非晶的内模的横向剖视图；
[0023]图8是制备圆形片状非晶的内模的纵向剖视图；
[0024]图9是制备圆柱状非晶的内模示意图；
[0025]图10是制备圆柱状非晶的内模的横向剖视图；
[0026]图11是制备圆柱状非晶的内模的纵向剖视图；
[0027]图12是实施例1制备的块体非晶样品；
[0028]图13是实施例1制备的块体非晶的XRD图。
[0029]图中，1-外模，2-镓铟合金，3-内模，4-密封条，5-紧固螺栓，6_定位卡槽。
【具体实施方式】
[0030]参见图1，一种适于制备大块非晶合金及其复合材料的模具，包括紫铜内模3，还包括上开口的不锈钢的外模1，所述内模3为分体式，分为对称的两部分，分型面上加工有安放密封条4的密封槽，对称的两部分通过紧固螺栓5联接。在外模I的内侧垂直设置有定位卡槽6，内模3上的凸条卡设于外模I上的定位卡槽6内，在内模3与外模I之间的空腔中填充有镓铟合金2，内模3的底部与外模I之间有间距，这样底部的空间可以使镓铟合金2成为一个整体，保证铜模的散热均匀。
[0031]本实用新型在设计时，以制备最大体积为15000mm3的CuZr基非晶为参考，为了保证非晶合金的组织结构稳定，要求镓铟合金2在冷却过程中，其自身温度不超过50°C。将15000mm3 (重114g。通常吸铸非晶用料15?25g)、1300°C的液态Cu5tlZr5tl合金冷却到室温过程中，将释放48692.25J的热量，设液态合金的热量全部传递给镓铟合金2，需要6.19kg(970ml)的镓铟合金2，可保证模具的温度不超过50°C。同时测定时间，模具的冷却速率达到5.2X 102K/s，能够满足制备非晶合金对冷却速率的要求。
[0032]组装模具的方法是:模具在使用时，先将密封条4安放于内模3的定位卡槽6处，用紧固螺栓5将两半内模3合模紧固后，将紫铜内模3插入不锈钢外模I的定位卡槽6处固定，最后将镓铟合金2充入外模I。将整套模具置于熔料坩埚的下部，调节合适的浇铸位置。原料经电弧熔炼或感应熔炼后，快速喷入或浇入内模3。
[0033]实施例1:电弧熔炼法浇铸1000mm3 CuZrAlY非晶板
[0034]I)将纯度为99.8%的Zr，纯度为99.99%的Cu、Al、Y按照Cu45Zr45Al8Y2的名义成分配料100g，置于电弧炉中；
[0035]2)对电弧炉抽真空，真空度达到5 X 10_3Pa后充入氩气至0.8个大气压，先熔Ti吸氧，再将所配原料熔炼3飞次，确保成分均匀，得到纽扣状母合金锭。
[0036]3)参见图3、图4、图5，选择型腔尺寸为50 X 50 X 4mm3的内模3制备矩形片状非晶，将密封条4安放于内模3的定位卡槽6处，用紧固螺栓5将两半内模3合模紧固后，将紫铜内模3插入不锈钢外模I的定位卡槽6处固定,最后将4.5kg的镓铟合金2充入外模I。将组装好的模具放入真空室，调节合适位置，确保合金液能顺利浇入模具。
[0037]4)母合金放入浇铸坩埚，启动电弧将母合金再次熔化，熔炼I分钟后，关闭电弧瞬间，快速倾转坩埚，将液态合金浇进模具。
[0038]5)冷却数分钟后，打开真空室，取出模具，拧开紧固螺栓5，分开紫铜内模3，取出非晶合金样品。
[0039]参见图12和图13，所得样品经XRD检测，各个部位均未发现晶体相，样品为完全的非晶态结构。
[0040]实施例2:感应熔炼法浇铸7000mm3 CuZrTi非晶复合材料圆片
[0041]I)将纯度为99.8%的Zr，纯度为99.99%的Cu、Ti按照Cu6tlZr3tlTiltl的名义成分配料50g,放入内径60mm、深80mm的氧化镁i甘祸；
[0042]2)参见图6、图7、图8，选择型腔尺寸为Φ60mm、厚2.5mm的内模制备圆形片状非晶，将密封条4安放于内模3的定位卡槽6处，用紧固螺栓5将两半内模3合模紧固后，将紫铜内模3插入不锈钢外模I的定位卡槽6处固定,最后将3.5kg的镓铟合金2充入外模I。将组装好的模具放入真空室，调节合适位置，确保合金液能顺利浇入模具。
[0043]3)对感应炉抽真空，真空度达到5X 10_3Pa后充入氩气至0.8个大气压，启动高频电源将原料熔化，待合金完全熔化后，保温2min使其成分均匀。
[0044]4)倾转坩埚，将熔融合金液浇入模具型腔。
[0045]5)冷却数分钟后，打开真空室，取出模具，拧开紧固螺栓5，分开紫铜内模3，取出非晶合金样品。
[0046]所得样品经XRD检测，为晶体相与非晶相共存的复合材料。
[0047]实施例3:感应加热喷铸4000mm3 CuZrAlY非晶棒
[0048]I)将纯度为99.8%的Zr，纯度为99.99%的Cu、Al、Y按照Cu41Zr49Al8Y2的名义成分配料30g ;经电弧熔炼3飞次确保成分均匀，机械破碎后装入底部有喷嘴的石英管，然后将石英管安装到真空感应熔炼炉中。
[0049]2)参见图9、图10、图11，选择型腔尺寸为Φ 10mm、长60mm的内模3制备圆柱状非晶，将密封条4安放于内模3的定位卡槽6处，用紧固螺栓5将两半内模3合模紧固后，将紫铜内模3插入不锈钢外模I的定位卡槽6处固定,最后将2.5kg的镓铟合金2充入外模I。将组装好的模具放入真空室，调节合适位置，确保石英管喷嘴和模具型腔在同一垂线上。
[0050]3)对感应炉抽真空，真空度达到5X 10_3Pa后充入氩气至0.8个大气压，启动高频电源将母合金熔化，待合金完全熔化后。
[0051]4)打开氩气阀门，将液态合金喷入模具。
[0052]5)冷却数分钟后，打开真空室，取出模具，拧开紧固螺栓5，分开紫铜内模3，取出非晶合金样品。
[0053]所得样品经XRD检测，样品横截面上未发现晶体相，为完全的非晶态结构。
[0054]本实用新型的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，包括紫铜内模(3)，其特征在于:还包括上开口的不锈钢的外模(1)，所述内模(3)为分体式，内膜(3)卡设于外模(O内且内模(3)的底部与外模(I)之间有间距，在内模(3)与外模(I)之间的空腔中填充有镓铟合金(2)。
2.根据权利要求1所述的适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，其特征在于:在外模(I)的内侧垂直设置有定位卡槽(6)，内模(3)上的凸条卡设于定位卡槽(6)内。
3.根据权利要求1或2所述的适于制备大体积块体非晶合金及其复合材料的模具，其特征在于:内模(2)分为对称的两部分,分型面上加工有安放密封条(4)的密封槽,对称的两部分通过紧固螺栓(5)联接。
【文档编号】B22D27/04GK204075162SQ201420517062
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】李炳, 杨珂, 范新会, 王鑫, 陈建 申请人:西安工业大学