專利名稱：一種環狀大塊非晶零件射流離心轉模制造工藝及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種環狀的大塊非晶零件制造方法，將熔化的液態合金射入轉模中，利用離心力及轉模快速導熱形成非晶態的環狀零件，包括一組工藝和實現該工藝的裝置。
大塊非晶是指通過恰當的合金成分設計，獲得很強的合金本征非晶形成能力，然后再通過一定的工藝流程和手段制備出三維尺寸都在毫米以上量級的塊狀非晶。大塊非晶具有非凡的性能，例如高強度、高彈性、高耐磨和高耐蝕等，因此在很多領域都能得到應用。目前制備大塊非晶的方法有水淬、真空吸鑄、射流成型和定向凝固等幾種方法，制備的樣晶或零件多為園棒或板，由于受合金非晶形成能力的限制，非晶棒直徑或板的厚度通常比較小。利用以上所述的制備方法制造環狀大塊非晶零件還需要后續的工藝過程，例如通過非晶板的塑性變形或非晶棒機加工制備環狀非晶零件，這兩種方法都具有工藝復雜、成本高的缺點；更為嚴重的是，塑性變形的方法必須加熱非晶板，如果工藝控制不嚴很容易引起非晶的晶化，從而導致非晶零件報廢；將非晶棒加工成環狀零件，其環狀零件直徑受非晶棒直徑限制，由于合金非晶形成能力所限，非晶棒的直徑不可能很大，因此這種方法制備的環狀零件直徑也不可能很大，而且機加工導致大量合金成為廢屑，降低了材料利用率。日本東北大學材料研究所在大塊非晶的過冷液相區利用擠壓方法制備環狀齒輪零件(Acta Metallurgica V46，1998，p253-263)，這種方法用于具有寬的過冷溫度區間的大塊非晶效果較好，但對于過冷溫度區間較窄的大塊非晶，擠壓過程中溫度的撥動足以引起晶化而導致大塊非晶零件報廢，因此對工藝過程中溫度的控制要求十分嚴格，這將大大增加制造成本；更為重要的是，熱擠壓方法難以制備中空的大塊非晶環狀零件。
本發明的目的在于提供一種制備大塊非晶環狀零件的工藝和實現該工藝的裝置。以實現一次成形，減少工序，提高效率。
本發明的工藝構成包括合金熔化與保溫、液態合金噴注、液態合金在離心力作用下在轉模中成型凝固并形成環狀大塊非晶零件等三個主要工藝過程。工藝步驟如下將大塊非晶合金置于管狀坩堝中，坩堝內徑在5至40毫米之間，它取決于要制備的環狀大塊非晶零件的大小；利用感應加熱熔化大塊非晶合金，并過熱到合金熔點溫度以上10至300度范圍后保溫2至10分鐘。管狀坩堝底端開有小孔，它用做液態合金噴嘴孔，噴嘴孔直徑在0.5至5毫米，它取決于熔化合金量，噴嘴孔用一可轉動擋板密封；坩堝頂端與一氣壓源接通，當合金溶液被過熱到熔點溫度以上10至300度范圍并保溫2至10分鐘以后，轉動擋板，打開坩堝底端噴嘴孔，同時打開氣壓源節閥，熔化的合金液被壓力氣體壓出，噴入高速旋轉的金屬模型腔中，液態合金在離心力作用下形成環狀大塊非晶零件。環狀大塊非晶零件的直徑、厚度和寬度分別通過轉模尺寸和噴入的合金量控制。
本發明的設備由合金的熔化與噴注系統；組合轉模及轉動系統；真空及充氣壓力控制系統三部分組成。其合金的熔化與噴注系統由感應圈(2)、擋板(3)、轉動軸(4)、轉軸(5)、坩堝噴嘴孔(14)、電極(15)、坩堝(16)、接口(17)、氣閥(18)和一臺中頻電源組成，中頻電源與電極(15)相連。組合轉模及轉動系統由轉模腔體(6)、轉模基座(8)、電機(9)、轉軸(10)、組合轉模(12)、鏍釘(13)構成。充氣壓力控制系統由系統真空抽氣接口(1)、封閉腔體(7)、充氣接口(11)、腔體壁(19)及一組真空機組和一只壓力氣瓶組成，真空機組和壓力氣瓶均為工業標準件，壓力氣瓶作為惰性氣源儲存氬氣或氦氣，真空機組與真空抽氣接口(1)相連，壓力氣瓶與充氣接口(11)相連。
本發明的優點在于采用合金熔化后直接噴鑄一次成型，所以工序少，生產效率高，能高效率地制造環狀大塊非晶零件，而且環狀零件的直徑不受限制；非晶合金凝固過程中，由于離心力的作用，使得液態合金與旋轉的金屬模之間保持緊密的接觸，液態合金冷卻速度快，有利于形成大塊非晶；另外，本發明采用的方法和裝置結構特別簡單，不需要后續的塑性加工；將轉模結構和熔化噴鑄系統稍做改動，可以制造大塊非晶管。
下面結合附圖對本發明進一步說明。
圖1是本發明的環狀大塊非晶零件射流離心轉模制造裝置的核心結構剖面圖。(1)是系統真空抽氣接口，與真空機組相連。(2)是熔化合金的感應圈，由中空的銅管繞制而成，銅管中通循環冷卻水，感應圈與安裝在真空腔體上的電極相連。(3)是坩堝噴嘴的擋板，它一端緊貼坩堝噴嘴孔，對噴嘴孔起到密封作用；另一端與一轉動軸(4)相連，并隨轉動軸(4)的轉動而起到密封坩堝噴嘴孔和打開坩堝噴嘴孔的作用。(4)是可以左右轉動的軸，它一端與擋板(3)相連，另一端通過齒輪與轉軸(5)相連，通過轉動轉軸(5)帶動轉軸(4)的轉動，從而實現坩堝噴嘴孔的密封和打開動作。(6)為轉模腔體，它的直徑與高度決定了環狀大塊非晶零件的外環直徑與軸向高度。(7)是封閉腔體，該腔體保證了合金的熔化與噴注系統及組合轉模及轉動系統工作在真空或保護氣氛中。(8)是轉模基座，它由循環水冷卻，下端與轉軸(10)相連，上面安裝組合轉模(12)。(9)是電機，由它通過轉軸(10)帶動轉模轉動，通過調節電機的轉速來調節轉模轉速，從而調節離心力的大小。轉軸(10)通過腔體壁時采用動密封。(11)是真空腔體進氣接口，它與一惰性氣源相連，工作時當腔體真空抽到10-5托以后，可以通過進氣接口(11)充入惰性保護氣體。(12)是組合轉模，它通過鏍釘(13)被安裝在轉模基座(8)上，它的內腔尺寸決定了環狀大塊非晶零件的外環直徑與軸向高度。組合轉模(12)是可換部件，根據制造不同尺寸環狀大塊非晶零件的需要，更換不同內腔尺寸的組合轉模。(14)是坩堝噴嘴孔，它是一直徑在0.5至5毫米的小孔，開在坩堝的底端，并通過擋板(3)封閉或打開。噴嘴孔的直徑大小取決于液態合金量的多少或環狀大塊非晶零件的大小，零件小時噴嘴孔直徑取下限。(15)是電極，它一端通真空腔體內與感應圈(2)相連，另一端與中頻電源相連。(16)是坩堝，它的內徑在5至40毫米之間，取決于要制備的環狀大塊非晶零件的大小，零件大時內徑取上限。坩堝底端開有噴嘴孔(14)，上端與一惰性氣源相連。坩堝軸向與轉模軸向的傾斜角度為20°～50°。(17)是外接惰性氣源接口，通過接口(17)可以向坩堝內導入5至10個大氣壓的惰性氣體，實現液態合金噴注動作。(18)是氣閥，起到密封和導入高壓惰性氣體的開關作用。(19)是真空腔體壁，通過它形成一封閉的腔體(7)，它同時也是該裝置的骨架，各個部件通過它保持相對的連接關系。
本發明涉及的裝置，除了圖1所示的核心結構外，還包括一套真空機組，一臺中頻電源和一個高壓惰性氣源，它們可以采用標準工業設備。其中真空機組與真空抽氣接口(1)相連；中頻電源與電極(15)相連；高壓惰性氣源與充氣接口(11)相連。
權利要求
1.一種環狀大塊非晶零件射流離心轉模制造工藝，其特征在于工藝構成包括合金熔化與保溫、液態合金噴注、液態合金在離心力作用下在轉模中成型凝固并形成環狀大塊非晶零件等三個主要工藝過程；工藝步驟為將大塊非晶合金置于管狀坩堝中，坩堝內徑在5至40毫米之間，它取決于要制備的環狀大塊非晶零件的大小；利用感應加熱熔化大塊非晶合金，并過熱到合金熔點溫度以上10至300度范圍后保溫2至10分鐘。管狀坩堝底端開有噴嘴孔，噴嘴孔直徑在0.5至5毫米，它取決于熔化合金量，噴嘴孔用一可轉動擋板密封；坩堝頂端與一氣壓源接通，當合金溶液被過熱到熔點溫度以上10至300度范圍并保溫2至10分鐘以后，轉動擋板，打開坩堝底端噴嘴孔，同時打開氣壓源節閥，熔化的合金液被壓力氣體壓出，噴入高速旋轉的組合轉模型腔中，液態合金在離心力作用下形成環狀大塊非晶零件；環狀大塊非晶零件的直徑、厚度和寬度分別通過轉模型腔尺寸和噴入的合金量控制；大塊非晶合金熔化、保溫與噴注以及大塊非晶環狀零件的成型過程都是在惰性氣體保護下進行。
2.根據權力要求1所述的工藝，其特征在于制造特定尺寸的環狀大塊非晶零件需要的液態合金體積計算公式為V＝πβδH(D－δ)；制造特定合金的大塊非晶環狀零件需要的最低模具轉速計算公式為n=800dD]]>。
3.一種制造環狀大塊非晶零件射流離心轉模的設備，其特征在于由合金的熔化與噴注系統；組合轉模及轉動系統；真空及充氣壓力控制系統三部分組成；其合金的熔化與噴注系統由感應圈(2)、擋板(3)、轉動軸(4)、轉軸(5)、坩堝噴嘴孔(14)、電極(15)、坩堝(16)、接口(17)、氣閥(18)和一臺中頻電源組成，中頻電源與電極(15)相連；組合轉模及轉動系統由轉模腔體(6)、轉模基座(8)、電機(9)、轉軸(10)、組合轉模(12)、鏍釘(13)構成；充氣壓力控制系統由系統真空抽氣接口(1)、封閉腔體(7)、充氣接口(11)、腔體壁(19)及一組真空機組和一只壓力氣瓶組成，真空機組與真空抽氣接口(1)相連，壓力氣瓶與充氣接口(11)相連。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于合金熔化坩堝底端有一噴嘴孔(14)，在合金的熔化和保溫過程中噴嘴孔(14)采用可轉動擋板(3)封閉；坩堝頂端與一高壓5～10個大氣壓惰性氣源(17)相連接；組合轉模(12)由一組金屬模組成，組合轉模型腔(6)的尺寸控制大塊非晶零件直徑和軸向高度；組合轉模(12)通過轉模基座(8)與一轉軸(10)相連接；坩堝軸向與轉模軸向的傾斜角度為20°～50°，在合金的熔化和保溫過程中噴嘴孔(14)被擋板(3)關閉，噴鑄時，一旦氣壓閥(18)和噴嘴孔(14)被打開，就可完成連續的噴鑄過程；熔化的大塊非晶合金溶液從坩堝噴嘴孔噴出，直接注入高速旋轉的組合轉模中，并形成環狀大塊非晶零件。
全文摘要
本發明提供了一種制備大塊非晶環狀零件的工藝和實現該工藝的裝置。工藝構成:包括合金熔化與保溫、液態合金噴注、液態合金在離心力作用下在轉模中成型凝固并形成環狀大塊非晶零件等三個主要工藝過程。設備由合金的熔化與噴注系統;組合轉模及轉動系統:真空及充氣壓力控制系統三部分組成。本發明的優點在于實現一次成形,減少工序,提高效率。
文檔編號B22D25/00GK1334156SQ0012101
公開日2002年2月6日 申請日期2000年7月17日 優先權日2000年7月17日
發明者何國, 邊贊, 陳國良 申請人:北京科技大學