锆基非晶净化熔炼装置及熔炼方法

技术领域

本发明属于合金熔炼技术领域，具体涉及一种锆基非晶净化熔炼装置以及熔炼方法。

背景技术

锆基非晶是目前商用块体非晶合金中最常用的配方。在实际的锆基非晶母合金生产过程中，一般采用海绵锆作为锆源原料来生产，但是市售品海绵锆的氧含量比较高， 使用高氧原料制成的非晶母合金铸锭会导致后续产出的锆基非晶制品氧含量同样极高，从而影响制品性能，使制品微观缺陷增多、变脆、易折断。为了解决海绵锆原料氧含量过高的问题，现有技术中通常是在熔炼中进行改善，通过在熔炼的过程中，向熔融锆基非晶熔体中加入微量稀土元素，例如钇元素、镧元素等，在熔体中与氧元素直接反应生成不融的氧化物（氧化钇等），氧化物杂质浮在熔体表面，待冷却后去除母合金锭表面的氧化皮即可。

现有技术中添加除氧剂的工艺久已有之，但是对于锆基非晶合金的熔炼生产来说略显不足。原因在于，熔炼过程中生成的氧化物渣，以氧化钇来说，一般以5-100μm尺寸大小的颗粒悬浮在合金熔体中，只有数量达到一定程度的熔渣才有足够的浮力浮于熔体表面，无法到达熔体表面的氧化物渣只能以颗粒的形式继续悬浮在熔体内，无法排除。这种无法上浮的氧化物颗粒，密度与锆基非晶熔融态的密度非常相近，故难以采用物理捞渣等传统冶炼工艺中的除渣方法与熔体分离。残留的氧化物颗粒杂质在锆基非晶母合金中形成异质点，加工成非晶制品后即形成力学薄弱点，导致非晶制品性能下降、易折断。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于锆基非晶除杂的锆基非晶净化熔炼装置以及相适配的熔炼方法，旨在解决锆基非晶熔炼过程中除渣后不能完全除尽的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种锆基非晶净化熔炼装置，与真空熔炼炉相适配使用，包括净化机构、动力控制机构以及净化电源；

所述净化机构包括阴极板、阳极板以及净化电源，所述阴极板通过阴极连接线与所述净化电源相连接，所述阳极板通过阳极连接线与所述净化电源相连接；

所述阴极板为石墨板，所述阳极板为高温合金板；

所述阴极板与所述阳极板相对设立，且两板之间通过绝缘连接部固定连接，所述绝缘连接部上设有伸缩杆，所述伸缩杆与所述动力控制机构相连，通过调节所述动力控制机构来调节所述阴极板及所述阳极板的高度；

所述真空熔炼炉包括炉体及设于炉体顶部的炉盖，所述炉盖的顶部开设炉顶部，所述伸缩杆贯通所述炉顶部，在熔炼炉外部与所述动力控制机构相连；所述阴极连接线以及所述阳极连接线贯通所述炉顶部，在熔炼炉外部与所述净化电源相连。

本发明提供的锆基非晶净化熔炼装置采用电化学方法进行二次除杂，通过研究发现的锆基非晶合金在高温熔融状态下，微小颗粒的氧化物杂质存在电离现象，因此本发明在精炼阶段引入外加电场，阴极板吸附悬浮在熔体内的极细小氧化物颗粒，从而达到深度净化锆基非晶熔体的目的。

优选地，所述真空熔炼炉内设有熔炼装置，所述熔炼装置包括熔炼坩埚以及设于熔炼坩埚外侧的感应加热线圈，所述感应加热线圈通过贯通炉体的线圈连接部与设于炉体外部的转动手柄固定相连；

所述阴极板与所述阳极板的长度为伸入坩埚底部后，所述绝缘连接部仍位于所述熔炼坩埚外部。

阴极板和阳极板均设为耐热材料，但是绝缘连接部由于无法采用耐热的金属材料，故设计阴极板与阳极板的长度，使绝缘连接部不与高温熔体接触，保持一定距离，避免高温。

优选地，所述真空熔炼炉内设有成型装置，所述成型装置为铜铸模具，所述铜铸模具设有进浇口和成型型腔。

优选地，所述炉盖上设有两个及两个以上的观察窗；所述炉体上设有进气孔和排气孔。观察窗用于肉眼直接观察熔炼情况，也可用于置入捞渣工具。炉体上所设的进气孔和排气孔用于连接抽真空装置和进气装置，用于抽真空、通过惰性气体以及排气。

本发明中还提供了一种与上述锆基非晶净化熔炼装置相适配的锆基非晶净化熔炼方法，包括如下步骤：

将待熔炼的原料放入熔炼坩埚内，关闭炉盖，抽真空、充入惰性气体；

开启感应加热线圈进行加热熔炼，熔炼前净化机构中的阴极板和阳极板设于熔炼坩埚外；

原料熔炼均匀后，操作动力控制机构，带动伸缩杆将阴极板和阳极板送至熔炼坩埚底部；

开启净化电源，设电压为6-30V，时间设为30s-3min；

净化完毕后，操作动力控制机构，带动伸缩杆将阴极板和阳极板提起至熔炼坩埚上方，至无熔液滴至坩埚内，再使其归至原位；

关闭感应加热线圈，将净化后的熔液倒入下方模具内，冷却后取出。

优选地，加热熔炼中，所述感应线圈加热的最终温度为高于待熔炼原料熔点220-250℃。

优选地，所述阴极板与所述阳极板长度相同、相对设置的面积相同；所述阴极板的厚度为所述阳极板的2-3倍。

优选地，所述阴极板与所述阳极板设为网孔状或者条爪状。

优选地，所述阴极连接线、所述阳极连接线以及所述绝缘连接部由隔热材料包裹。

本发明中提供的锆基非晶净化熔炼装置利用电化学方法，能够对锆基非晶熔体内的微小悬浮氧化物杂质颗粒进行吸附，从而去除，达到进一步净化锆基非晶熔体的目的。

通过本发明中提供的熔炼方法处理后的锆基非晶母合金铸锭氧化物杂质含量明显降低，由该母合金压铸制成的锆基非晶制品性能更稳定、产品力学性能更佳。

附图说明

图1为本发明实施例中配有锆基净化熔炼装置真空熔炼炉的结构示意图；

图2为图1中锆基净化熔炼装置的结构示意图；

图3为经本发明实施例中配有锆基净化熔炼装置真空熔炼炉熔炼得到的锆基非晶母合金铸锭金相显微镜（500倍）下形态；

图4为未经二次净化处理的锆基非晶母合金铸锭金相显微镜（500倍）下形态；

附图标号说明：

101、动力控制机构；102、伸缩杆；103、炉顶部；104、第一观察窗；105、阴极连接线；106、阳极连接线；107、第二观察窗；108、炉盖；109、净化电源；110、阴极板；111、阳极板；112、感应加热线圈；113、熔炼坩埚；114、线圈连接部；115、转动手柄；116、炉体；117、进浇口；118、型腔；119、铜模；120、进/排气孔；121、绝缘连接部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本发明的描述中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a，b，或c中的至少一项（个）”，或，“a，b，和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a，b，c，a-b（即a和b）, a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。

另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。

本发明实施例提供了一种配有锆基非晶净化熔炼装置的真空熔炼炉，其示意图如附图1、附图2所示。

具体地，配置有锆基非晶净化熔炼装置的真空炉，包括净化装置、熔炼装置以及成型装置。

净化装置包括净化机构、动力控制机构以及净化电源。净化机构包括阴极板110、阳极板111以及净化电源109，阴极板110通过阴极连接线105与净化电源109相连接，阳极板111通过阳极连接线106与净化电源109相连接。

本实施例中采用的阴极板110为石墨极板，阳极板111位镍基高温合金板，两者熔点均在锆基非晶熔点之上，置于锆基非晶熔体内不熔化。

本实施例中，阴极板110与阳极板111长度相同、相对设置的面积相同。不同之处在于，阴极板110的厚度为阳极板111的2倍，更利于电化学吸附的进行。在实际使用中，可根据熔体的多少进行设定，阴极板厚度为阳极板厚度的2-3倍为宜。

若进一步设计，为增大阴极板和阳极板与熔体的接触面积，可将阴极板与阳极板在尺寸不变的前提下设为网孔状或者条爪状，配合动力控制机构带动阴极板及阳极板旋转效果更佳。

阴极板110与阳极板111相对设立，且两板之间通过条状的绝缘连接部121固定连接，绝缘连接部121上设有伸缩杆102，伸缩杆102与动力控制机构101相连，通过调节所述动力控制机构101来调节阴极板110及阳极板111的高度。

如附图2所示，阴极连接线105、阳极连接线106以及绝缘连接部121由隔热材料包裹，以免在使用过程中发生熔化断裂。

真空熔炼炉还包括炉体116及设于炉体顶部的炉盖108，炉盖108的顶部开设炉顶部103，伸缩杆102贯通炉顶部103，在熔炼炉外部与动力控制机构101相连。阴极连接线105以及阳极连接线106贯通炉顶部103，在熔炼炉外部与净化电源109相连。为保证真空熔炼炉的密封性以及操作的便利性，对外开闭的部分设于同一处更便利，贯通的部分可使用密封材料，如密封圈等进行柔性封闭。

真空熔炼炉内的熔炼装置包括熔炼坩埚113以及设于熔炼坩埚外侧的感应加热线圈112，感应加热线圈112通过贯通炉体的线圈连接部114与设于炉体外部的转动手柄115固定相连，利用转动手柄控制线圈及坩埚的位置，便于操作人员在外部将熔炼完成的熔液倒入成型装置内。阴极板110与阳极板111的长度为伸入坩埚113底部后，绝缘连接部121仍位于熔炼坩埚113外部

真空熔炼炉内的成型装置为铜铸模具119，铜铸模具119设有进浇口117和成型型腔118。真空炉炉盖上设有两个观察窗，第一观察窗104与第二观察窗107，便于操作人员在外部肉眼直接观察内部熔炼状态，也可用于置入捞渣工具，随时调整熔炼工艺。炉体116上还设有进/排气孔120，用于抽真空、通过惰性气体以及排气。

利用本实施例中提供的熔炼装置进行锆基非晶熔炼的方法如下：

S01，将待熔炼的锆基非晶原料放入熔炼坩埚113内，关闭炉108盖，由进/排气孔连接抽真空装置抽真空，抽真空完毕后充入惰性气体氩气，使熔炼炉内为氩气气氛。

S02，开启感应加热线圈112进行加热熔炼，熔炼前净化机构中的阴极板110和阳极板111吊设于熔炼坩埚113上端，不与熔炼坩埚接触，感应线圈加热的最终温度为高于待熔炼原料熔点220-250℃。

S03，锆基非晶原料熔炼均匀后，通过观察窗观察浮渣情况，若有浮渣则从任一观察窗伸入捞渣网迅速将浮渣捞走，然后操作动力控制机构101，带动伸缩杆102将阴极板110和阳极板111送至熔炼坩埚113底部。

S04，开启净化电源109，设电压为12V，时间设为1min，阴极板110与阳极板111吸附微小氧化物颗粒。

此步骤中净化时间需严格控制，时间长，极板可能升温熔化，锆基非晶熔液也会老化。

S05，净化完毕后，操作动力控制机,101，带动伸缩杆102将阴极板110和阳极板111提起至熔炼坩埚113上方，至无熔液滴至坩埚内，再使其归至原位。

S06，关闭感应加热圈112，将净化后的熔液倒入下方模具119内，冷却后取出，制得母合金锭。

附图3经实施例中得到的锆基非晶母合金铸锭金相显微镜（500倍）下形态，对比地，附图4为未经二次净化处理的锆基非晶母合金铸锭金相显微镜（500倍）下形态。从上述金相测试可以看出，经过二次净化处理的锆基非晶铸锭，杂质数量明显减少。

将经过二次净化后的母合金铸锭与未经过二次净化的母合金铸锭分别打样制成长度为100mm、宽度10mm、厚度为1mm的板条状样件，进行三点弯曲试验，经过二次净化后的母合金铸锭制成的样件，弯曲强度达到2000-2700MPa，而未经二次净化处理的母合金铸锭制成的样件，弯曲强度仅为1200-1800MPa。对比三点弯曲强度，二次净化处理过的铸锭的压铸样件，强度稳定性明显要好，方差明显小于未经处理的铸锭压铸的试样条三点弯曲强度的方差。

从上述实施例可以看出，通过本发明中提供的熔炼方法处理后的锆基非晶母合金铸锭氧化物杂质含量明显降低，由该母合金压铸制成的锆基非晶制品性能更稳定、产品力学性能更佳。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。