CN102029381A - 一种块体金属玻璃或其复合材料工件的加工成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种块体金属玻璃或其复合材料工件的加工成型方法，用于对材料为块体金属玻璃或其复合材料的工件进行加工成型，该方法具体包括如下步骤：坯料选择工序，模压工序，热处理工序，修型工序。本方法制备工艺简单，操作流程短，可以批量生产形状复杂度高、综合性能优异的块体金属玻璃或其复合材料工件产品，提高了产品的生产效率、降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于块体金属玻璃或其复合材料工件制造成型技术领域，特别涉及一种制备块体金属玻璃工件的方法。
背景技术
金属玻璃(metallic glass)又称为非晶态合金(amorphous alloy)、非结晶金属(non-crystalline metal)、玻璃化金属(glassy metal)等等，因其固态时具有短程有序、长程无序的特殊结构在许多方面具有比常规多晶合金更优异的性能，在应用上，大块非晶材料的高强度、高耐蚀性以及优异的电磁特性将在机械、化工、电子和生物工程等行业中呈现广阔的应用前景。上世纪80年代末和90年代初，日本东北大学的lnoue研究小组首先报道了一些多组元合金系在适当的成分范围内表现出很强的非晶形成能力，非晶形成的临界冷却速率可降至100K/s以下，因此通过简单的熔体水淬或铜模铸造制备出了厘米级的块体金属玻璃，而传统的非晶合金由于需要超过106K/s的极高的临界冷却速度只能制备厚度或直径不超过50μm的粉末、条带、细丝或薄膜。目前已开发出的大块非晶合金体系有La基、Mg基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基、Cu基、Ce基等十余种多组元体系，最低临界冷却速率已降至0.1K/s，最大块体金属玻璃已超过Φ100mm。新型块体金属玻璃的出现也给金属玻璃复合材料的发展带来了机遇。当前阻止块体金属玻璃的工程应用的主要障碍是其室温脆性和难以加工性。为了解决这一问题，一个行之有效的方法是在块体非晶材料中引入第二相，以阻止单一切变带的快速扩展。例如在Zr基块体金属玻璃材料中添加WC，ZrC以及Ta，W等第二相颗粒或纤维，使塑性应变明显提高而强度并未明显降低。
块体金属玻璃或其复合材料现有的生产方法主要有熔体水淬法、电弧熔化铜模铸造法、高压铸造法和粉末烧结等。其中水淬法是将熔融态合金淬水冷却后制得块体金属玻璃，由于冷却介质原因，不能形成结构复杂件；铜模铸造法和高压铸造法均采用金属模具冷却，可以制备出棒状、板状和一些结构比较简单的块体金属玻璃铸件，但由于金属玻璃需要一定的冷却速率，所以金属模具材料的选择受到一定的限制，以致于许多具有复杂形状工件的模具很难被加工制造出来。粉末烧结法很难制得高密度胚料，一般只有理论密度的90-95％，而且带有较多的孔隙，使其机械性能降低。这些工艺所制备出来的产品都存在一定的局限性或不足，需要特殊的设备成本很高，不能生产形状复杂度比较高的产品，不适合工业生产。同时，块体金属玻璃材料室温条件下断裂行为表现为脆性断裂，机械加工性能较差，无法通过常规的加工工艺获得精密复杂形状的工件，从而制约了块体金属玻璃材料在实际工业领域中广阔的应用。因此，寻找一种低成本和高效率的二次加工成型工艺和方法成为能否实现块体金属玻璃或其复合材料进入实际大规模广泛应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种块体金属玻璃或其复合材料材料工件的加工成型方法，解决目前块体金属玻璃或其复合材料加工成型过程中所面临的形式单一、产品尺寸和形状受块体金属玻璃临界尺寸的限制，加工设备复杂，不适合批量工业化生产或生产成本过高等问题。
为实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：
一种块体金属玻璃或其复合材料工件的加工成型方法，具体步骤如下：
(1)坯料选择工序：根据工件机械性能的需求选择力学性能合适的块体金属玻璃或其复合材料坯料，机加工所需尺寸的板坯；
(2)模压工序：根据工件的要求制成定型模腔，将块体金属玻璃或其复合材料毛坯加热到其过冷液态区中的适当温度保温后，通过液压机、锻床或轧机进行加压，压强大于50MPa，使毛坯成型；
(3)热处理工序：工件热处理，将经过模压定型的块体金属玻璃或其复合材料工件重新加热到该组分的过冷液态区间保温1-10分钟，然后浸在冷水或冷油中，进行淬火；
(4)修型工序：将经过淬火的块体金属玻璃工件的边缘进行打磨，磨去不规整的部分，成为成品。
本发明中所述的金属玻璃或其复合材料可以为Zr基、Ti基、Cu基、Ni基或Fe基的金属玻璃或其复合材料。
本发明中所述的坯料可以为通过水淬法、熔体浇铸法、熔体吸铸法、热等静压粉末烧结法或者电火花(放电等离子)粉末烧结法等其中任一方法制备的简单几何形状的片状、棒状或块状的坯料。
本发明中加热步骤中的升温速率可以为5K/min-100K/min，根据加工的工件所需机械性能不同而加以选择。
本发明中所述的块体金属玻璃或其复合材料的过冷液态区指块体金属玻璃的玻璃转变温度和晶化温度之间的区间。上述温度利用差示扫描量热法(DSC)或者是热机械分析(TMA)测定出。
本发明中所采用的模具可以为玻璃、陶瓷、金属或合金中的一种或多种组合，在符合非晶合金工件金相组织要求范围之内，工件成形为近无余量精确成型。其中：非晶合金工件的金相组织可能是完全非晶态、非晶与晶态组成的复合态以及合金进行热处理(晶化处理)而获得的完全纳米晶态。
本发明中块体金属玻璃或其复合材料中非晶相的存在可以通过X射线衍射方法(XRD)来确定。完全非晶合金的X射线衍射图的特征是具有一个宽化的弥散衍射峰，而典型的晶体结构的合金衍射图谱上对应的是尖锐的布拉格衍射峰，其复合材料的衍射图的特征是宽化的弥散衍射峰上存在第二相的布拉格衍射峰。
本发明的工作原理是：由于块体金属玻璃或其复合材料中非晶相的存在，使材料升温至过冷液态区处于过冷液态，粘度很低，形变呈现出粘滞流变(viscous flow)的特点，材料在外力的作用下发生显著的塑性变形，甚至表现出超塑性行为。非晶合金从非均匀变形向均匀变形转变的温度依赖于应变速率，而均匀形变通常发生在低应变速率和温度接近或高于玻璃转变温度Tg下(＞0.7Tg)。在加压均匀变形时坯料中不会出现裂纹，同时消除了坯料中的缺陷，提高了成型工件的密度。
本发明热压成型后的块体金属玻璃工件通过热处理增加块体金属材料的自由体积而改善其韧性和塑性从而提高工件的综合机械性能一适应各类工业领域应用。
本发明提出的方法便于工业化批量生产，机械化程度高，材料毛坯来源广泛，工艺简单，可以消除铸造过程中缺陷，根据不同的工业用途仅仅只需要更换模具就可以加工出形状各异用途不同的块体金属玻璃工件，生产成本低，效率高。模压成型的模具可采用金属、陶瓷、石膏等各种材料，选择广泛，价格低廉，可根据市场需求及时调整产品类型。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所述，本实施例以Zr55Cu30Al10Ni5(原子百分比)块体金属玻璃工件的加工成型方法为例，具体步骤如下：
(1)坯料选择工序：
将吸铸得到的Zr55Cu30Al10Ni5块体金属玻璃机加工所需尺寸的板坯；
(2)模压工序：根据工件的要求制成定型模腔，将块体金属玻璃毛坯以20K/min升温速率为加热到其过冷液态区中的430℃保温后，通过液压机以1×10-2s-1的应变速率进行加压成形，压强大于50MPa，使毛坯成型；
(3)热处理工序：将经过模压定型的块体金属玻璃工件先逐步加压到100-400MPa稳定的压力，然后升温到选定的处于金属玻璃材料该组分的过冷液态区间的430℃保温2分钟后降温，降温过程中继续保压，维持2分钟撤掉压力。然后浸在冷水进行淬火；
(4)修型工序：将经过淬火的块体金属玻璃工件的边缘进行打磨，磨去不规整的部分，成为成品。
实施例2：
本实施例以Zr55.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni10(原子百分比)块体金属玻璃复合材料工件的加工成型方法为例，具体步骤如下：
(1)坯料选择工序：
将吸铸得到的Zr55.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni10块体金属玻璃复合材料机加工所需尺寸的板坯；
(2)模压工序：根据工件的要求制成定型模腔，将块体金属玻璃毛坯以20K/min升温速率为加热到其过冷液态区中的440℃保温后，通过液压机以1×10-2s-1的应变速率进行加压成形，压强大于50MPa，使毛坯成型；
(3)热处理工序：将经过模压定型的块体金属玻璃工件先逐步加压到100-400MPa稳定的压力，然后升温到选定的处于金属玻璃材料该组分的过冷液态区间的440℃保温2分钟后降温，降温过程中继续保压，维持2分钟撤掉压力。然后浸在冷水进行淬火；
(4)修型工序：将经过淬火的块体金属玻璃工件的边缘进行打磨，磨去不规整的部分，成为成品。
上述实例仅用于对本发明进行说明，并不构成权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他实质等同手段，均在本发明权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种块体金属玻璃或其复合材料工件的加工成型方法，用于对材料为块体金属玻璃或其复合材料的工件进行加工成型，该方法具体包括如下步骤：
（1）坯料选择工序：
根据工件机械性能的需求选择力学性能合适的块体金属玻璃或其复合材料坯料，机加工所需尺寸的板坯；
（2）模压工序：
将所述金属玻璃或其复合材料板坯加热到其过冷液态区中的适当温度并保温一段时间后，通过液压机、锻床或轧机进行加压，使毛坯成型；
（3）热处理工序：
将经过模压定型的块体金属玻璃或其复合材料工件重新加热到其过冷液态区间保温一段时间，然后浸在冷水或冷油中进行淬火；
（4）修型工序：
将经过淬火的工件边缘进行打磨修型，即成为成品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的块体金属玻璃或其复合材料的过冷液态区指块体金属玻璃的玻璃转变温度和晶化温度之间的区间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，玻璃转变温度和晶化温度通过差示扫描量热法（DSC）或者热机械分析（TMA）测出。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述的金属玻璃为Zr基、Ti基、Cu基、Ni基或Fe基的金属玻璃。
5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述的坯料为通过水淬法、熔体浇铸法、熔体吸铸法、热等静压粉末烧结法或者电火花粉末烧结法其中任一方法制备的片状、棒状或块状坯料。
6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述的块体金属玻璃或其复合材料中非晶相的存在可以通过X射线衍射方法（XRD）来确定。
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