一种防止用作溅射靶材的脆性合金开裂的铸造方法技术

一种防止用作溅射靶材的脆性合金开裂的铸造方法，其主要是铸造出的脆性合金铸件为片状或板状，其厚度8‑15毫米、在垂直于厚度方向的平面内的尺寸在厚度的20倍以上；最终片状或板状铸件是通过液态合金的不断注入，铸件沿厚度方向逐渐增厚而形成的，铸造过程中片状或板状铸件的表面是水平的；浇注模具由含型腔的部件直接放置到底板上组合而成，通过合理设计底板和含型腔部件的形状、尺寸，实现上述沿厚度方向逐渐增厚而形成最终铸件的铸造方式；含型腔部件和底板由低导热系数的耐高温陶瓷材料制造。本发明专利技术可有效防止铸造过程中脆性合金铸件的开裂，铸件仅残存非常微量的凝固缩孔，机加工后可直接用作溅射靶材；方法简便易行，生产成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铸造
，特别涉及一种合金的铸造方法。
技术介绍
在物理气相沉积制备薄膜的过程中，高能离子束流轰击固体表面,从而使固体表面的原子由于物理溅射作用离开固体，然后沉积在基底表面形成薄膜,被轰击的固体是为薄膜的生长提供原材料的溅射源，称为溅射靶材，其组成材料主要包括各种纯金属、合金以及无机非金属材料(陶瓷)，常见的几何形态为圆片状和长方体板状。溅射靶材通过物理气相沉积制备的薄膜主要应用在半导体、电子、信息产业，玻璃镀膜领域，高档装饰用品行业，以及提高材料耐磨、耐腐蚀的场合等等，其中在半导体、电子、信息产业中的应用最为广泛，例如：集成电路(电极互连线膜、阻挡层薄膜、接触薄膜、光盘掩膜、电容器电极膜、电阻薄膜等)，信息存储(硬盘、磁头、光盘等)，平面显示器(液晶显示器、等离子体显示器、场致发光显示器、场发射显示器)，激光存储器，电子控制器件，磁性器件等。在各种各样的溅射靶材中，有一类用脆性合金制作的溅射靶材，这些脆性合金包括具有非晶成分的合金(所制作的靶材为晶态，但溅射和物理气相沉积后形成非晶薄膜)、金属间化合物、金属-非金属中间相化合物、金属间化合物和/或金属-非金属中间相化合物含量较高的合金。鉴于这些材料的脆性，目前用它们制作的溅射靶材均通过粉末固结的方法生产。由于较高的粉末价格以及粉末固结方法中工序较多，导致粉末固结法生产的这类溅射靶材成本很高，因此用熔铸方法生产这类靶材以降低生产成本就显得很有意义。目前，在金属、合金溅射靶材的生产中，常用的铸造方法包括铸锭法和铸板法，前者为液态金属、合金沿锭的轴线方向不断累积而形成最终的铸件；后者为液态金属、合金沿平行于板的表面方向不断累积而形成最终的铸件，称之为竖直浇注法。然而，无论铸锭法还是铸板法，铸件在高度方向(即竖直方向)上尺寸较大，导致铸件冷却过程中沿着这一方向上温差较大，从而造成高的热应力。当铸锭法和铸板法用来铸造脆性合金时，铸件通常发生开裂。对于已经在钢铁和有色金属(例如：铝及铝合金)生产中获得广泛应用的板坯连铸技术，由于凝固的材料中沿铸造板坯前进方向存在明显的温度梯度，由此产生的热应 力会导致铸造的脆性板坯开裂，所以板坯连铸技术一般不适合铸造脆性合金。现今的文献中也报导过一些成功铸造脆性合金的方法。通过设计浇注模具的模壳几何形状，精选制造模壳的材料，并优化模壳的预热制度，采用从下往上的竖直浇注方法，成功铸造出由铬的硅化物组成的脆性合金的铸件，可用来制作高电阻溅射靶材[压电与声光，31(5)(2009)661-663]。将多次真空自耗熔炼的液态钛铝合金，离心浇注到一个矩形模具中，此模具预热到200℃以上，并用石棉等作为保温材料使模具在浇注过程中保持一定的温度，运用此铸造方法成功获得脆性的钛铝合金矩形板坯铸件(中国专利技术专利申请201310624968.7)，可用来制作溅射靶，用于电子、半导体工业上沉积薄膜。值得注意的是，这两项技术中均未指出制造浇注模具所用的材料以及模具的结构细节，中国专利技术专利申请201310624968.7中没有指出铸造过程中板坯的位向(即板坯表面水平、竖直、还是与水平或竖直面呈一定角度)，这些是确保脆性铸件不开裂的关键。
技术实现思路
为了克服铸件较大的高度(即竖直方向的尺寸)所引起的较大温差，从而造成的高的热应力导致脆性合金铸件的开裂和板坯连铸过程中沿铸造板坯前进方向的温度梯度产生的热应力导致的脆性合金铸造板坯的开裂，本专利技术提出了一种简便易行、生产成本低的可防止用作溅射靶材的脆性合金开裂的铸造方法。本专利技术所采用的技术方案主要是：1.铸造出的脆性合金铸件为片状或板状，其厚度8-15毫米、在垂直于厚度方向的平面内的尺寸在厚度的20倍以上；2.最终板状或片状铸件是通过液态合金的不断注入，铸件沿厚度方向逐渐增厚而形成的，铸造过程中片状或板状铸件的表面是水平的，称之为“水平浇注”；3.浇注模具由含型腔部件直接放置到底板上组合而成；4.含型腔部件和底板由低导热系数的耐高温陶瓷材料制造。所述用作溅射靶材的脆性合金包括具有非晶成分的合金、金属间化合物、金属-非金属中间相化合物、金属间化合物和/或金属-非金属中间相化合物体积 分数超过50％的合金；所述低导热系数的耐高温陶瓷材料包括熔点高于1500℃、导热系数低于50W/m K的氧化物(如：氧化铝、氧化镁)、碳化物(如：碳化硅)和氮化物(如：氮化硼、氮化硅)陶瓷。为实现上述技术方案，本专利技术的铸造方法具体步骤如下：(1)浇注模具组件的制造：用低导热系数的耐高温陶瓷材料的粉末，通过粉浆浇注的方法，制造浇注模具的组件：底板和含型腔部件。所述底板为平板状，上、下表面平行；所述含型腔部件的结构、尺寸符合两个要求：含型腔部件放置到底板上时，与底板表面紧密配合，在接触面上含型腔部件的面积小于底板的面积；含型腔部件放置到底板上并且底板水平放置时，型腔在高度等于片状或板状铸件厚度的位置的水平截面以下的部分，与片状或板状铸件水平放置时，形状和尺寸一致。(2)浇注模具的组合：依据铸造脆性合金的特性，对底板或含型腔部件，选择加热到200-600℃或不加热；然后，将含型腔部件放置到底板上，构成组合浇注模具，型腔与底板的上表面形成液态合金的浇注空间。(3)组合浇注模具的放置：将组合浇注模具送入真空感应熔炼炉内部，位于组合浇注模具下部的底板水平放置在熔炼坩埚的下方。(4)脆性合金的水平浇注：将组成用作溅射靶材的脆性合金的各元素按成分配比加入到陶瓷坩埚或水冷铜坩埚中，在真空感应熔炼炉中将所加原料熔化，获得液态的合金，保温10-15分钟使液态合金成分均匀，将液态合金浇注到上述组合浇注模具中，这样依据步骤(1)中含型腔部件的型腔结构，以及步骤(3)中组合浇注模具下部的底板水平放置，浇注过程中铸件将沿厚度方向逐渐增厚，同时铸件表面是水平的，以此方式逐渐形成最终形状和尺寸的板状或片状铸件。(5)铸造后铸件的处理：铸件逐渐完成凝固，并且其温度不断降低，当铸件温度降低到400-800℃时，将含有铸件的组合浇注模具从真空感应熔炼炉内取出，铸件在空气中冷却到50-200℃，从模具中取出板状或片状铸件。本专利技术的原理主要是：一、水平浇注带来的铸件小的厚度和浇注模具材料低的导热系数确保铸件内部温度场最大限度的均匀性，减小导致铸件开裂的热应力。二、垂直于厚度方向的平面内的尺寸远大于厚度，这一点保证了铸件用于制作溅射靶材的足够尺寸。三、液态合金对于制造含型腔部件和底板的陶瓷材料的不浸润以及液态合金高的表面张力，使得浇注到型腔中的液态合金不会从含型腔部件与底板之间的微小缝隙中漏出。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、本专利技术的铸造方法为从敞口的浇注模具的上方加入液态合金，与现有的从下往上竖直浇注和离心浇注脆性合金的方法相比，简便易行。2、浇注模具的成本低，用于制造浇注模具的材料是常规的耐高温陶瓷材料，价格低廉；同时浇注模具制造容易。3、获得的铸件按照从底部到顶部的顺序准定向凝固，不需要补缩冒口就可最大限度地避免凝固缩孔，不仅使铸件中残存非常微量的孔隙，机加工后可直接用作溅射靶材，而且节省了用于形成冒口的材料。附图说明图1是本专利技术实施例1浇注圆片状铸件的示意简图；图2是本专利技术实施例1含圆形型腔部件与底板组合构成浇注模具示意简图；图3是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种防止用作溅射靶材的脆性合金开裂的铸造方法，其特征在于：铸造出的脆性合金铸件为片状或板状，其厚度8‑15毫米、在垂直于厚度方向的平面内的尺寸在厚度的20倍以上；最终片状或板状铸件是通过液态合金的不断注入，铸件沿厚度方向逐渐增厚而形成的，铸造过程中片状或板状铸件的表面是水平的；浇注模具由含型腔的部件直接放置到底板上组合而成；含型腔部件和底板由低导热系数的耐高温陶瓷材料制造，具体包括以下步骤：(1)浇注模具组件的制造：用低导热系数的耐高温陶瓷材料的粉末，通过粉浆浇注的方法，制造浇注模具的组件：底板和含型腔部件；所述底板为平板状，上、下表面平行；所述含型腔部件的结构、尺寸符合两个要求：含型腔部件放置到底板上时，与底板表面紧密配合，在接触面上含型腔部件的面积小于底板的面积；含型腔部件放置到底板上并且底板水平放置时，型腔在高度等于片状或板状铸件厚度的位置的水平截面以下的部分，与片状或板状铸件水平放置时，形状和尺寸一致；(2)浇注模具的组合：依据铸造脆性合金的特性，对底板或含型腔部件，选择加热到200‑600℃或不加热；然后，将含型腔部件放置到底板上，构成组合浇注模具，型腔与底板的上表面形成液态合金的浇注空间；(3)组合浇注模具的放置：将组合浇注模具送入真空感应熔炼炉内部，位于组合浇注模具下部的底板水平放置在熔炼坩埚的下方；(4)脆性合金的水平浇注：将组成用作溅射靶材的脆性合金的各元素按成分配比加入到陶瓷坩埚或水冷铜坩埚中，在真空感应熔炼炉中将所加原料熔化，获得液态的合金，保温10‑15分钟使液态合金成分均匀，将液态合金浇注到上述组合浇注模具中，这样依据步骤(1)中含型腔部件的型腔结构，以及步骤(3)中组合浇注模具下部的底板水平放置，浇注过程中铸件将沿厚度方向逐渐增厚，同时铸件表面是水平的，以此方式逐渐形成最终形状和尺寸的板状或片状铸件；(5)铸造后铸件的处理：铸件逐渐完成凝固，并且其温度不断降低，当铸件温度降低到400‑800℃时，将含有铸件的组合浇注模具从真空感应熔炼炉内取出，铸件在空气中冷却到50‑200℃，从模具中取出铸件。...

【技术特征摘要】
1.一种防止用作溅射靶材的脆性合金开裂的铸造方法，其特征在于：铸造出的脆性合金铸件为片状或板状，其厚度8-15毫米、在垂直于厚度方向的平面内的尺寸在厚度的20倍以上；最终片状或板状铸件是通过液态合金的不断注入，铸件沿厚度方向逐渐增厚而形成的，铸造过程中片状或板状铸件的表面是水平的；浇注模具由含型腔的部件直接放置到底板上组合而成；含型腔部件和底板由低导热系数的耐高温陶瓷材料制造，具体包括以下步骤：(1)浇注模具组件的制造：用低导热系数的耐高温陶瓷材料的粉末，通过粉浆浇注的方法，制造浇注模具的组件：底板和含型腔部件；所述底板为平板状，上、下表面平行；所述含型腔部件的结构、尺寸符合两个要求：含型腔部件放置到底板上时，与底板表面紧密配合，在接触面上含型腔部件的面积小于底板的面积；含型腔部件放置到底板上并且底板水平放置时，型腔在高度等于片状或板状铸件厚度的位置的水平截面以下的部分，与片状或板状铸件水平放置时，形状和尺寸一致；(2)浇注模具的组合：依据铸造脆性合金的特性，对底板或含型腔部件，选择加热到200-600℃或不加热；然后，将含型腔部件放置到底板上，构成组合浇注模具，型腔与底板的上表面形成液态合金的浇注空间；(3)组合浇注模具的放置：将组合浇注模具送入真空感应熔炼炉内部，位...

【专利技术属性】
技术研发人员：林耀军，王建华，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13