一种含钇锆基非晶合金材料的精炼方法
技术领域
本发明涉及一种含钇锆基非晶合金材料的精炼方法，属于非晶合金技术领域。
背景技术
目前，稀土Y氧化物的生成热焓值大约为1903.6kJ/mol，Zr的氧化物生成热焓值大约为1102.3kJ/mol，Y比Zr更容易跟氧结合，因此，稀土Y可以有效的吸收并消除实验过程中和母合金基体中的氧，最终清除金属熔体中的氧，但是形成的氧化钇浮渣易被卷入母合金基体中，在非晶样品中形成夹杂颗粒，进而影响样品的形貌与性能。
并且，实验采用的熔炼炉为真空感应熔炼炉，主要是因为其炉料选择简单，不需要预制电极、生产效率高、操作简单、电磁搅拌力大，成分一致性好等，但真空感应熔炼炉也有以下的先天缺陷：炉内渣与熔池混合在一起，采用氧化物坩埚难免会与金属产生反应，尤其是非晶合金中大量利用的锆、钛等活泼金属，感应熔炼炉基本没有脱硫脱磷等作用。
可见，一套适合加稀土元素钇的锆基非晶合金的精炼工艺，对提高锆基非晶合金的产品质量尤为重要。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种含钇锆基非晶合金材料的精炼方法，以提高非晶合金的产品质量，降低生产成本。
为实现上述目的，本发明提供一种含钇锆基非晶合金材料的精炼方法，包括如下具体步骤：
(1)按目标含钇锆基非晶合金材料的成分配比，计算并称取各种原材料；
(2)将覆有氧化钇涂层的铝硅尖晶石坩埚在700～800℃下烧结4～8h；
(3)先将上述坩埚清理干净，并向坩埚内加入各种原材料，再将坩埚放入真空感应熔炉中；
(4)先将真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到0.01-0.05Pa，然后向炉内充入体积百分比纯度为99.99％的氩气至0.01～0.03MPa后，再给真空感应熔炼炉送电；
(5)先将真空感应熔炼炉加热至炉料温度为1000℃～1200℃时，再对原材料进行精炼，精炼功率为90-120Kw，精炼时间为2～20min；
(6)精炼结束后，将所得含钇锆基非晶合金材料进行带电浇注。
进一步，所述的铝硅尖晶石坩埚主要由氧化铝和氧化硅按重量比78％和22％制成。
更进一步，所述的氧化钇涂层的制备过程如下：先将氧化钇与乙醇按体积比5：1混合，并搅拌均匀成浆料；然后将浆料均匀涂覆在坩埚内壁上，并静置1h；再将坩埚放入马弗炉中高温(1200-1400℃)烧结10-12h后，随炉冷却。
上述技术方案中，所用坩埚为覆有氧化钇涂层的铝硅尖晶石坩埚，该类型坩埚能有效提高坩埚的使用寿命，降低生产的成本，具体原因如下：在选用陶瓷坩埚的过程中，单纯从与非晶合金反应的角度，坩埚的稳定性如下：氧化钇坩埚＞氧化钙坩埚＞氧化锆坩埚＞氧化铝坩埚，目前氧化钇坩埚的体积做不大，故而优选氧化钙坩埚；但在实际使用过程中，加入了例如氧化硅、氧化镁、锆酸钡坩埚进行试用，发现稳定性好的坩埚存在使用寿命不佳的问题；例如最稳定的氧化钙坩埚，因为需要在无水环境中使用，否则就会粉化，不适合在华南地区这种潮湿环境中使用，在四五月份使用的氧化钙坩埚甚至出现了拆封后自然粉化坍塌的事故；例如锆酸钡坩埚，在使用了约10炉后破裂出现漏钢的问题，而且该坩埚成本昂贵，每公斤成本约20元，不适宜用来做锆合金的冶炼；最终本发明采用了氧化铝和氧化硅重量比分别为 78％和22％的铝硅尖晶石坩埚，结合自主研发的氧化钇涂层技术，使得铝硅尖晶石坩埚的使用寿命可以达到50-60炉，使用成本降低至0.78元/Kg，其综合性能非常优秀。
进一步，所述的坩埚口部嵌入氧化铝片作为挡渣板，该挡渣板距离坩埚口槽底部5-10mm，尺寸为60mm*40mm*15mm，能够对较大的漂浮物进行预先隔离，对熔汤起到一定的挡渣净化效果。
进一步，本发明在浇料流道上端安装有过滤装置，该过滤装置主要由过滤浇杯和ZrO2陶瓷过滤片组成，且ZrO2陶瓷过滤片嵌入到过滤浇口杯的内部，从而达到双重过滤的效果，能够对熔汤进行吸附过滤，使得含钇锆基非晶合金材料的质量得到改善。
优选的，真空感应熔炼炉的精炼功率为120Kw，精炼时间为3min。
优选的，真空感应熔炼炉的精炼功率为120Kw，精炼时间为9min。
上述真空感应熔炼炉的精炼参数，能够有效防止氧化钇颗粒团聚，提升锆基非晶的形成能力。
综上所述，本发明方法具有如下的技术优势：
1、采用覆有氧化钇涂层的铝硅尖晶石坩埚，提高了坩埚的使用寿命，降低了生产成本；
2、加设挡渣板和过滤装置，降低了含钇锆基非晶合金铸锭中的氧和浮渣的含量，同时提高了含钇锆基非晶合金压铸件的表面质量；
3、选取真空感应熔炼炉的精炼参数，提高了含钇锆基非晶合金产品的质量。
附图说明
图1为本发明实施例A-F制得的研磨样品图；
图2为本发明实施例A-F制得的铸锭样品内部夹杂物分析图；
图3为本发明铝硅尖晶石坩埚嵌入挡渣板的结构图；
图4为本发明铝硅尖晶石坩埚嵌入挡渣板的结构俯视图；
图5为本发明图4中C-C向的剖视图；
图6为本发明图5中Ⅰ处的放大示意图；
图7为本发明图4中Ⅱ处的放大示意图；
图8为本发明加挡渣板前后制得的铸锭样品中氧含量和损耗的统计图；
图9为本发明过滤装置的结构图；
图10为本发明过滤装置的剖视图；
图11为本发明使用过滤装置时铸锭样品过滤前后的SEM对比图；
图12为本发明在有、无陶瓷过滤膜的情况下铸锭样品的宏观形貌对比图；
图中：1、坩埚，2、挡渣板，3、过滤浇口杯，4、ZrO2陶瓷过滤片杯。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
首先，本发明方法对精炼参数进行优化。实施时，精炼含钇锆基非晶合金材料的具体步骤如下：
(1)按目标含钇锆基非晶合金材料的成分配比，计算并称取所需的各种原材料。
(2)将坩埚在700～800℃下烧结4～8h。
(3)先将上述坩埚清理干净，并向坩埚内加入各种原材料，再将坩埚放入真空感应熔炉中。
(4)实验采用真空感应熔炼炉，先将真空感应熔炼炉进行抽真空，使得炉内真空度达到 0.01-0.05Pa，然后向炉内充入体积百分比纯度为99.99％的氩气至0.01～0.03MPa后，再给真空感应熔炼炉送电。
(5)先将真空感应熔炼炉加热至炉料温度为1000℃～1200℃时，再对原材料进行精炼，精炼功率为90-120Kw，精炼时间为2～20min。
实施例A-F对应的精炼实验参数见表1，其中实施例A、B、C中，真空感应熔炼炉的精炼功率相同，均为90Kw，精炼时间依次延长，分别为3、9、15min；实施例D、E、F中，真空感应熔炼炉的精炼功率相同，均为120Kw，均为90Kw，精炼时间依次延长，精炼时间依次延长，分别为3、9、15min。
表1
(6)精炼结束后进行带电浇注。将实施例A-F分别制得含钇锆基非晶合金材料在压铸机上进行取样压铸，得尺寸：110mm﹡10mm﹡2mm的样条。然后对样件进行横向取样、镶样、研磨，研磨样品如图1所示，为后续的评估测试做准备。
对实施例A-F获得含钇锆基非晶合金样品的氧含量和损害率进行测试，测试结果如表2 所示，该测试能够评估本发明工艺改善的效果。
表2
并且，在扫描电镜下观察研磨样品内部的夹杂物颗粒数量、尺寸并进行综合评估，以得到更加全面的评测数据。如图2所示，从左到右、从上到下，依次是实施例A-F获得的样品内部夹杂物分析示意图，对所有结果分析后得到综合数据如表3。
表3
可知，实施例A、B、C三组结果从两个维度来比较均较实施例C、D、E三组差，两组间的区别在于精炼功率的选择，采用120Kw精炼时，熔池反应剧烈，温度较高，氧化钇颗粒物相应会被分散的更细一些，甚至分散为SEM无法捕捉到的尺寸，但同样采用该工艺会导致坩埚寿命下降，且浇炉时温度过高对模具有更为严重的冲蚀。横向对比分析实施例A、B、C和实施例C、D、E三组内的结果，除了实施例D组存在一定观测上的误差(其结果为0)，得出以下结论：增加精炼工艺时长至12分钟时，因为部分氧化物颗粒再次团聚导致，且过长的时间会增加坩埚内浮渣的形成量，颗粒物尺寸会再次增加。
综合考虑，按照实施例D、E两组参数进行精炼，即真空感应熔炼炉的精炼功率为120Kw，且精炼时间为3min，或者，真空感应熔炼炉的精炼功率为120Kw，且精炼时间为9min，本发明能够针对氧化钇颗粒物做出突出的改善效果。
其次，本发明方法对坩埚及排渣技术进行优化。实施时，本发明采用了氧化铝和氧化硅重量比分别为78％和22％的铝硅尖晶石坩埚，结合自主研发的氧化钇涂层技术，即氧化钇与乙醇按体积比5：1混合均匀成浆料，将浆料均匀涂覆在铝硅尖晶石坩埚内壁，并静置一小时，再将坩埚放入马弗炉中高温(1200-1400℃)烧结10-12小时，随炉冷却。经测试，该覆有氧化钇涂层的铝硅尖晶石坩埚的寿命可以达到50-60炉，同时，使得整个精炼过程的使用成本降低至0.78元/Kg，可见本发明采用的覆有氧化钇涂层的铝硅尖晶石坩埚的综合性能非常优秀。
并且，本发明对涂覆氧化钇的铝硅尖晶石坩埚的坩埚口进行改造，如图3-7所示，在坩埚1口部嵌入氧化铝片作为挡渣板2，该挡渣板2的放置位置距离坩埚1口槽底部5-10mm，尺寸为60mm*40mm*15mm，能够对较大的漂浮物进行预先隔离，对熔汤起到一定的挡渣净化效果。
如图8所示，本发明在铝硅尖晶石坩埚的坩埚口加入挡渣板2后，含钇锆基非晶合金材料铸锭的氧含量指标均值为371；而未加挡渣板时，含钇锆基非晶合金材料铸锭的氧含量指标均值为472。从数据上来看，加入挡渣板2能够有效的降低含钇锆基非晶合金材料铸锭的氧含量，当然挡渣板2会阻碍一部分熔汤进入铸锭模具中，从而影响到含钇锆基非晶合金材料的收率，这部分影响仅仅在1.4％左右。
再者，本发明方法对过滤等有利于非晶合金纯净化的措施进行优化。如图9-10所示，本发明在浇料流道的上端加入了一个过滤装置，该过滤装置主要由过滤浇杯3和ZrO2陶瓷过滤片杯4组成，并且ZrO2陶瓷过滤片杯4嵌入到过滤浇口杯3的内部，从而达到双重过滤的效果，能够对熔汤进行吸附过滤，使得含钇锆基非晶合金材料的质量得到改善。
如图11所示，由加入过滤装置前后铸锭样品内部表面形貌SEM图可知，本发明增加了过滤装置，使得铸锭样品内部的氧化物颗粒明显减少。并且，如图12所示，由铸锭样品的宏观形貌可知，右边未加入ZrO2陶瓷过滤片杯4进行过滤的铸件表面出现大块面级烧损现象，左边加入ZrO2陶瓷过滤片杯4进行过滤的铸件表面质量有明显改善。所以，本发明过滤装置能够有效的提升锆基非晶合金压铸件表面的质量。
上面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，上述具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
