Литье в медные формы из металлического стекла: анализ процесса и перспективы применения
Литье в медные формы из металлического стекла — это метод подготовки, в котором используется высокая теплопроводность медных форм для быстрого охлаждения расплавленных сплавов и формирования аморфных структур. Этот процесс прост и высокоэффективен, он служит важным направлением для исследования и применения металлических стекол. В данной статье будут представлены принципы процесса, рабочий процесс, характеристики и области применения.
1.История развития и процессы производства металлического стекла
1960-е годы: ленты из металлического стекла
Исследователи впервые получили аморфные ленты из металлического стекла путем быстрого охлаждения расплавленных сплавов. Это было достигнуто с помощью закалки расплава, при которой расплавленные сплавы распылялись на высокоскоростные вращающиеся охлаждающие колеса. Скорость охлаждения примерно 10⁵–10⁶ K/с подавляла кристаллизацию, что ознаменовало рождение металлического стекла.
1980-е годы: порошки и пленки из металлического стекла
Чтобы расширить сферу применения, ученые использовали механическое легирование и твердофазные реакции, в том числе высокоэнергетическое шаровое измельчение, для получения аморфных структур в твердом состоянии, что позволило производить порошки и пленки из металлического стекла.
1990-е годы: объемное металлическое стекло
Исследователи использовали литье в медные формы, используя высокую теплопроводность меди для быстрого охлаждения расплавленных сплавов. Это позволило успешно произвести объемное металлическое стекло толщиной в сантиметр, преодолев предыдущие ограничения «получения только тонких полос или порошков» и став вехой в этой области.
С 2010-х годов: исследование сложных геометрических структур
Достижения в области производственных технологий привели к внедрению аддитивных производственных процессов, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и плавление электронным пучком (EBM), с целью создания металлических стеклянных компонентов со сложными геометрическими структурами.
2.Что такое литье в медные формы из металлического стекла?
Литье в медные формы из металлического стекла — это процесс производства «металлического стекла» (также называемого объемными аморфными сплавами). Его принцип заключается в быстром заливании расплавленного сплава в медную форму с исключительно высокой скоростью охлаждения, что приводит к затвердеванию металла в течение чрезвычайно короткого промежутка времени. Это предотвращает образование традиционных кристаллических структур, вместо этого давая непосредственно неупорядоченную «аморфную» структуру. Материалы, произведенные таким образом, обладают высокой прочностью, большой твердостью и отличной коррозионной стойкостью.
3.Почему для литья металлического стекла используются медные формы?
Медь обладает исключительной теплопроводностью. При контакте с расплавленным металлом она быстро рассеивает тепло, обеспечивая необходимую высокую скорость охлаждения. Это быстрое охлаждение имеет решающее значение для формирования металлического стекла. Недостаточное охлаждение приводит к кристаллизации, что вызывает потерю «стеклоподобных» свойств.
4.Какие максимальные размеры могут быть достигнуты для компонентов из металлического стекла при использовании литья в медные формы?
Формирование размеров является ключевым направлением исследований. Например:
Исследования показывают, что оптимизация состава сплава и процесса обработки позволяет производить стержни из металлического стекла диаметром до 73 мм (согласно отчету AIP).
Для определенных составов (например, сплавов Cu-Zr-Al-Ag) объемные металлические стекла диаметром 25 мм были успешно изготовлены с помощью литья под давлением в медные формы.
Как правило, большие диаметры требуют более высоких скоростей охлаждения и представляют большие сложности при формовании.
5.Подробное объяснение процесса литье в медные формы из металлического стекла
Весь процесс состоит из трех основных этапов: плавление, быстрое литье и охлаждение/затвердевание.
(1) Начальный этап плавления
Высокочистые сплавы должны быть нагреты до полного плавления в индукционных или дуговых печах. Во время этого процесса расплав необходимо тщательно перемешивать, чтобы обеспечить однородный состав, поскольку локальные отклонения могут нарушить аморфное образование.
Одновременно плавление обычно проводится в вакууме или инертной атмосфере, чтобы минимизировать окисление и пористость. Контроль температуры имеет решающее значение: температура не должна быть слишком низкой, чтобы не затруднять плавкое разливание, и не слишком высокой, чтобы не увеличить риск окисления, и обычно поддерживается в пределах ±5–10 °C.
(2) Этап быстрого разливания
Расплавленный металл необходимо быстро впрыснуть в полость медной формы, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения. Более быстрая инжекция сокращает время контакта металла с формой, повышая эффективность охлаждения и подавляя кристаллизацию. Этот процесс обычно проводится в условиях инертного газа или вакуума, чтобы предотвратить окисление. Медная форма может потребовать предварительного нагрева или покрытия разделительным слоем для регулирования теплообмена и предотвращения переохлаждения поверхности, которое может вызвать кристаллизацию.
(3) Наконец, этап охлаждения и затвердевания
Высокая теплопроводность медной формы быстро охлаждает расплав в течение чрезвычайно короткого времени, образуя аморфную структуру. На этом этапе чрезвычайно важна равномерность скорости охлаждения. Если центральная область охлаждается слишком медленно, может произойти кристаллизация, что негативно повлияет на свойства материала.
Следовательно, требуется тщательная оптимизация конструкции формы, толщины полости и методологии заливки. Для больших или сложных отливок после охлаждения может быть применена мягкая отжига для снятия внутренних напряжений при сохранении стабильности аморфной структуры.
6.Какие дефекты могут возникнуть при литье металлических стекол в медные формы?
К распространенным проблемам относятся поверхностная кристаллизация и локальная кристаллизация.
Поверхностная кристаллизация: даже при высоких скоростях охлаждения на поверхности формы может происходить гетерогенное зарождение, вызывающее кристаллическое осаждение по краям.
Локальная кристаллизация: значительные различия в скорости охлаждения в разных областях медной формы, таких как углы или центральные зоны, могут привести к образованию мелких кристаллитов, что нарушает общую аморфную фракцию.
Эти проблемы ухудшают свойства материала, что требует строгого контроля процесса по температуре разливки, конструкции формы и условиям охлаждения.
7.Каковы отличительные характеристики металлических стекол, полученных методом литья в медные формы?
Сверхвысокая прочность и твердость: значительно превосходящие традиционные кристаллические сплавы.
Превосходная коррозионная стойкость: аморфная структура сводит к минимуму пути коррозии.
Характеристики обработки: подходит для небольших высокоточных конструкционных компонентов, хотя производство крупногабаритных деталей по-прежнему ограничено.
Структурная однородность: в условиях, успешно предотвращающих кристаллизацию, внутренняя микроструктура является исключительно однородной, что представляет значительную ценность в аэрокосмической, медицинской и прецизионной приборостроении.
8.Направления применения литье в медные формы из металлического стекла
(1) Электроника и энергетические системы
Металлическое стекло обладает выдающимися мягкими магнитными свойствами (низкая коэрцитивная сила, высокая проницаемость, низкие потери), что делает его пригодным для использования в компонентах энергетических систем, таких как сердечники трансформаторов, индукторы и двигатели.
Теоретическая основа: Иноуэ (2000) отметил, что отсутствие границ зерен и дислокаций в аморфной структуре снижает сопротивление при движении стенок магнитных доменов, что позволяет достичь низких энергетических потерь.
Ссылка: Inoue A. Стабилизация металлических переохлажденных жидкостей и объемных аморфных сплавов. Acta Materialia, 2000.
(2) Медицинские устройства и биоматериалы
Некоторые металлические стекла на основе циркония и титана обладают выдающейся коррозионной стойкостью и благоприятной биосовместимостью, что делает их пригодными для использования в хирургических лезвиях, ортопедических имплантатах и стоматологических инструментах.
Теоретическая основа: Greer (1995) отметил, что однородная, плотная поверхностная структура аморфных сплавов не имеет чувствительных к коррозии границ зерен, что обеспечивает превосходную коррозионную стойкость по сравнению с традиционными металлами, такими как нержавеющая сталь.
Ссылка: Greer A.L. Металлические стекла. Science, 1995.
(3) Аэрокосмическая и оборонная промышленность
Металлические стекла обладают исключительно высокой прочностью и пределом упругости (предел текучести до 2 ГПа, упругая деформация более 2%), что делает их идеальными легкими и высокопрочными материалами для структурных компонентов космических аппаратов, защитных деталей и высокоточных упругих элементов.
Теоретическая основа: Wang (2004) продемонстрировал, что прочность аморфных сплавов приближается к теоретическому пределу, достижимому за счет атомных связей — свойству, недостижимому в кристаллических сплавах.
Ссылка: Wang W.H. Объемные металлические стекла с функциональными физическими свойствами. Advanced Materials, 2004.
(4) Потребительская электроника и декоративные применения
Металлические стекла обладают высокой твердостью (500–600 HV), устойчивостью к царапинам и характерным металлическим блеском, что делает их подходящими для корпусов мобильных телефонов, ремешков для часов и роскошных декоративных компонентов.
Теоретическая основа: Джонсон (1999) отметил, что металлические стекла сохраняют износостойкость без дополнительных покрытий, а их оптическая отражательная способность и структурная компактность придают им высокую декоративную ценность.
Ссылка: Johnson W.L. Объемные стеклообразующие металлические сплавы: наука и технология. MRS Bulletin, 1999.
(5) Микро/нано-производство и применение в формообразовании
В области переохлажденной жидкости (между Tg и Tx) металлические стекла демонстрируют вязкое течение, сходное с термопластичными полимерами, что позволяет использовать их в микрошестернях, микрожидкостных чипах и формах для оптических микроструктур.
Теоретическая основа: Джонсон (1999) указывает, что металлические стекла демонстрируют снижение вязкости до диапазона 10⁶ Па·с при 0,6–0,7 Tg, что делает их пригодными для термопластичной формовки. Эта уникальная способность к термопластичной обработке позволяет заменить силиконовые или полимерные формы.
Ссылка: Johnson W.L. Bulk glass-forming metallic alloys: Science and technology. MRS Bulletin, 1999.
9.Заключение
Литье в медные формы из металлического стекла представляет собой эффективный подход к исследованию и применению аморфных сплавов. Благодаря своим отличительным свойствам и широким перспективам, этот процесс продвигает металлическое стекло в более высокотехнологичные области производства.
Услуги LVXUN по литью металлов
Помимо литье в медные формы из металлического стекла, технологии литья находят широкое применение в промышленном производстве. LVXUN специализируется на различных услугах по литью металлов, включая литье под давлением, литье под низким давлением, литье под действием силы тяжести и литье по выплавляемым моделям, удовлетворяя производственные потребности различных материалов и структурных компонентов. Благодаря современному оборудованию и обширному опыту в области обработки, мы предоставляем клиентам комплексные решения по литью от проектирования до готового продукта. Если вам требуются услуги по литью металла, вы можете в любое время загрузить чертежи деталей онлайн, чтобы получить профессиональные расценки и индивидуальные решения.
Часто задаваемые вопросы:
Для каких материалов подходит литье в медные формы из металлического стекла?
Этот процесс в первую очередь применим к металлическим стеклянным материалам, к которым относятся, в частности:
Металлическое стекло на основе алюминия
Металлическое стекло на основе титана
Металлическое стекло на основе кобальта
Металлическое стекло на основе магния
Эти материалы обладают выдающимися механическими свойствами и коррозионной стойкостью, что позволяет широко применять их в специализированных областях.
Есть ли различия между литьем в медные формы и такими процессами, как литье под давлением, литье под низким давлением, литье под действием силы тяжести или литье по выплавляемым моделям? В чем заключаются эти различия?
Хотя все они относятся к более широкой категории технологий литья, они значительно различаются по принципу, условиям процесса, подходящим материалам и свойствам деталей.
Литье в медные формы: быстрое впрыскивание расплавленного металла в медные формы. Характеризуется быстрым охлаждением и высокой точностью, подходит для небольших простых деталей из металлического стекла.
Литье под давлением: впрыскивание под высоким давлением в стальные формы. Обеспечивает высокую эффективность и точность, идеально подходит для массового производства деталей из металлов с низкой температурой плавления.
Литье под низким давлением: металл впрыскивается под низким давлением в формы, что обеспечивает стабильный поток металла и минимальную пористость. Подходит для средних по размеру конструкционных деталей.
Литье под действием силы тяжести: использует естественное охлаждение под действием силы тяжести, отличается простотой процесса и низкой стоимостью. Подходит для больших или простых деталей.
Литье по выплавляемым моделям: использует восковые модели для создания форм, обеспечивает высокую точность и возможность производства сложных тонкостенных деталей. Однако этот метод является дорогостоящим.
