CN102529191B - 一种非晶合金制品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶合金制品，包括非晶合金形成的基体和异质材料形成的异质体，所述异质体与所述基体相连且所述异质体的一部分暴露在所述基体外面，所述异质体具有适于机加工的硬度。本发明还公开了一种非晶合金制品的制造方法，包括：将具有预定形状、适于机加工且由异质材料形成的异质体放入模具中并进行定位；将非晶合金加热到其玻璃转化温度以上并注入模具内以与所述异质体连接复合成型，其中所述异质体的一部分暴露到所述非晶合金外面；和以大于所述非晶合金的临界冷却速率的预定冷却速度进行冷却得到非晶合金制品。根据本发明实施例的非晶合金制品可以大大降低机加工的成本，解决了非晶合金难于加工的问题和异质体与非晶合金复合产生的热变形问题，具有广泛的应用前景。

Description

一种非晶合金制品及其制造方法

技术领域

本发明属于非晶合成材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种非晶合金制品及其制造方法。

背景技术

非晶合金出现于上个世纪六十年代，最初的非晶合金由于临界尺寸(形成非晶的最大尺寸)只能达到微米级，而难以得到实际应用，但由于其优异的材料性能被科技人员广为研究，并不断开发大临界尺寸并适于工业化生产的非晶合金，其临界尺寸逐渐从微米级发展到毫米级甚者可达到厘米级，通常情况下把临界冷却速率小于500℃/s，临界尺寸大于1mm的非晶合金称为大块非晶合金，大块非晶合金的出现为工业化生产提供了可能。

非晶合金尤其大块非晶合金由于具有玻璃态的属性和大的过冷液相区，因此而具有优异的流动性和成形性。但是，非晶合金一旦成型，由于其高的硬度和亚稳态的微观组织结构，便很难进行二次成型和二次加工，其中锆基非晶合金和铜基非晶合金硬度可达到维氏硬度500MPa以上，对于铁基非晶合金或镍基非晶合金硬度更高达800MPa，甚至1000Mpa以上，因此非晶合金的物理化学属性为制造更为复杂的非晶零部件增加了困难，也为非晶合金设计和应用的灵活性制造了麻烦。

在现有专利中，公开了非晶合金和其他材质的复合连接的方法，但是非晶合金与其他材质连接尤其复杂形状异质件连接，由于成型过程中热冲击的影响和两种材料膨胀系数的差异，很容易引起异质件的变形，从而难于实现异质件中的结构在整个零部件中的准确定位，甚至引起异质件结构的变形。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种非晶合金制品，该非晶合金制品成本低，制备简单且精度高。

根据本发明实施例的非晶合金制品，包括：非晶合金形成的基体和异质材料形成的异质体，所述异质体与所述基体相连且所述异质体的一部分暴露在所述基体外面，所述异质体具有适于机加工的硬度并且具有在所述基体与所述异质体连接后通过机加工所形成的机加工特征。

根据本发明实施例的非晶合金制品，解决了非晶合金难于加工的问题，也解决了异质体上结构的定位精度和尺寸精度问题。

本发明的另一个目的在于提出一种非晶合金制品的制造方法。

根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法，包括如下步骤：将具有预定形状、适于机加工且由异质材料形成的异质体放入模具中并进行定位；将非晶合金加热到其玻璃转化温度以上并注入模具内以与所述异质体连接复合成型，其中所述异质体的一部分暴露到所述非晶合金外面；以大于所述非晶合金的临界冷却速率的预定冷却速度进行冷却得到非晶合金毛坯；和对所述非晶合金毛坯中的异质体进行机加工，获得非晶合金制品。

根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法，解决了非晶合金难于加工的问题，又解决了异质体上结构的定位精度和尺寸精度问题，并且大大降低机加工的成本，提高了加工效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的非晶合金制品结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

由于成型过程中热冲击的影响和两种材料膨胀系数的差异，如果将非晶合金与复杂形状(例如螺纹孔等形状)异质件连接以制备具有复杂形状的非晶合金制品时很容易引起异质件的变形，从而难于实现异质件中的结构在整个零部件中的准确定位，甚至引起异质件结构的变形。鉴于此，本发明首先提出了将非晶合金与可机械加工的异质体连接后通过对其中的异质体进行机械加工来形成预定形状以制备具有复杂形状的非晶合金制品。

下面，首先参考图2描述根据本发明实施例的非晶合金制品。

根据本发明实施例的非晶合金制品包括非晶合金形成的基体2和异质材料形成的异质体1，异质体1与基体2相连且异质体1的一部分暴露在基体2外面，其中异质体1具有适于机加工的硬度且具有在基体2与异质体1连接后通过机加工所形成的机加工特征。

根据本发明实施例的非晶合金制品，解决了非晶合金难于加工的问题，也解决了异质体上结构的定位精度和尺寸精度问题。

在本发明的一些实施例中，异质体1设在基体2内。具体地，异质体1的硬度小于维氏硬度4GPa。异质体1可以为塑料、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金中的一种或多种的组合。

优选地，异质体1经过表面处理。异质体1由铝合金制成且所述表面处理为微弧氧化处理。进一步地，异质体1的至少位于与基体2接触的表面上设有保护层(未示出)。具体地，所述保护层为电镀层、绝缘防腐油漆层、树脂层、微弧氧化层和阳极氧化层中的至少一种。

优选地，所述非晶合金的化学组成为：Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e，其中M表示选自Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素的至少一种，a、b、c、d和e表示各元素的原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100。可选地，所述非晶合金中含有杂质元素，其中以原子百分数计，所述杂质元素的含量不高于2％。

在本发明的一些实施例中，所述机加工为攻丝、钻孔和切削中的一种或多种的组合。

下面，参考图1描述根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法的流程。

根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法概括而言主要包括提供具有预定形状且适于机加工的异质体、使非晶合金与所述异质体连接复合成型的毛坯、以及对毛坯件中的异质体进行机加工以形成非晶合金制品。

需要理解的是，根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法适用于制备任意非晶合金材料的制品，尤其适用于具有足够的强度和硬度或耐腐蚀性强的非晶合金，同时考虑到非晶合金工业条件的可制造特性及制造成本，因此优选化学组成为Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e(其中M表示选自Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素中的至少一种，a、b、c、d和e分别表示各元素的原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100)的非晶合金。在上述锆基非晶合金中可以含有杂质元素，其中以原子百分数计，所述杂质元素的含量不高于2％。

具体而言，根据本发明实施例的非晶合金制品的制造方法包括以下步骤：

a)将具有预定形状、适于机加工且由异质材料形成的异质体放入模具中并进行定位。

为了有效地解决非晶合金体的机械加工问题，可以将具有预定形状的异质体与非晶合金进行复合以形成复合体，此后通过对复合体中的异质体进行机械加工来得到具有特定形状的非晶合金制品。为此，首先将具有预定形状、适于机加工且由异质材料形成的异质体放入模具中并进行定位。

关于异质体的材质，需要理解的是，通常机加工刀具材料的硬度在维氏硬度4GPa以上，当被加工材料的维氏硬度小于4GPa时，有利于机加工的正常进行。基于此，本发明中优选所述异质体材料维氏硬度小于4GPa。此外，从耐腐蚀性、成本、加工难易度等观点出发，本发明中所述异质体的材质优选为塑料、铝合金、铜合金、镁合金、锌合金中的至少一种，尤其优选具有高切削特性的铅锌铜。

关于异质体的形状没有特殊的要求。考虑到异质体在与非晶合金材料连接过程中，尤其在热连接，如焊接、熔体嵌入成型、热压成型过程中，由于两种材料的热膨胀系数不同，通常会产生异质体的变形，甚至会造成异质体中结构的破坏，而且异质体的形状越复杂体积或面积越大则变形情况越大而且难于校正，因此，本发明中的异质体形状可以尽量简单、体积或面积小。此外，关于形成具有预定形状的异质体的方法没有特殊的限制，可以根据异质体的具体形状和材质采用已知的方法来制备。此外，由于非晶合金与异质材料连接时通常会由于电势差的不同产生电化学腐蚀，从而会影响连接强度，甚至破坏非晶合金的结构或外观。基于此，优选对所述异质体与非晶合金之间进行绝缘和防腐处理。优选地，可以在将异质体放入模具中之前对其进行钝化处理或在所述异质体表面设置保护层，所述保护层可以为电镀层、绝缘防腐油漆层、树脂层、微弧氧化层和阳极氧化层中的一种。此外，对于易腐蚀的异质体，通过涂层处理可以起到防腐作用，提高连接效果。油漆和树脂具有防腐特性，各类油漆均有此特性，例如天然漆，各种清漆，调和漆等；树脂如不饱和聚酯，乙烯基酯，环氧/酚醛，聚酰亚胺树脂，聚丙烯(PP)/聚碳酸酯(PC)等。

b)将非晶合金加热到其玻璃转化温度以上并注入模具内以与所述异质体连接复合成型，其中所述异质体的一部分暴露到所述非晶合金外面。

所述非晶合金材料的铸入方法没有特殊限制，例如采用普通压铸设备即可完成铸入操作，在铸入过程中使所述异质体的一部分从所述非晶合金内露出。

由此，便可完成非晶合金毛坯的制作，因为非晶合金流动性好并具有优异的复写性，熔融的非晶熔体可以很好的将所述异质体包裹将所述异质体植入非晶合金内。

c)以大于所述非晶合金的临界冷却速率的预定冷却速度进行冷却得到非晶合金制品毛坯。

所述预定冷却速度没有特殊限制，可根据所选非晶合金材料的临界冷却速率进行合适调整。

d)对所述非晶合金毛坯中的异质体进行机加工，获得非晶合金制品。

具体地，所述机加工可以为攻丝、钻孔、切削中的一种或多种组合。由此，便可制得所需非晶合金制品，所述非晶合金制品连接有易于加工的异质体，解决了直接对非晶合金制品加工困难的问题。此外，由于异质体上的结构是在非晶合金和异质体复合连接后进行加工成型的，因此，即使异质体在于非晶合金复合连接过程中产生机械变形，也不会影响到异质体上的结构，解决了异质体上结构的定位精度和尺寸精度问题。

下面通过具体实施例描述本发明。

实施例1

在本实施例中，选用材质为7075的铝合金作为异质体的制备材料，选择合金成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料。

首先，将铝合金加工成直径为5mm、长度为4mm的作为异质体的铝合金圆柱1(如图2所示)，对铝合金圆柱1表面进行微弧氧化，然后将铝合金圆柱1放入模具中并定位。

此后，将成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料进行熔融，并采用压铸设备铸入定位有铝合金圆柱1的模具腔内，使其与铝合金圆柱1复合成型获得非晶合金毛坯。

接着，将复合成型的非晶合金毛坯从模具中取出，如图2所示，得到由作为异质体的铝合金圆柱1和作为基体的非晶合金2形成的非晶合金制品。

将根据本发明实施例所得非晶合金制品放到机加工台上进行定位，采用M3白钢丝锥，在铝合金圆柱1为中心进行攻丝加工，由于铝合金的硬度较低，只有维氏硬度1.5GPa，因此，一次性攻丝数量可达到1000个，并且单孔加工时间仅为10S，并丝孔的位置精度取决于定位精度。而相比于此，成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料的硬度为维氏硬度5GPa，若直接对其采用M3白钢丝锥钻孔，一次性攻丝数量仅为10个，并且单丝加工时间为60S。

实施例2

在本实施例中，选用材质为PC塑料作为异质体的制备材料，选择合金成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料。

首先，将PC塑料加工成直径为5mm、长度为4mm的塑料圆柱1以作为异质体(如图2所示)，然后塑料圆柱1放入模具中并定位。

此后，将成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料进行熔融，并采用压铸设备铸入定位有塑料圆柱1的模具腔内，使其与塑料圆柱1复合成型获得非晶合金毛坯。

接着，将复合成型的非晶合金毛坯从模具中取出，如图2所示，得到由作为异质体的塑料圆柱1和非晶合金2形成的非晶合金制品。

将根据本发明实施例所得非晶合金制品放到机加工台上进行定位，采用M3碳素钢9SiCr丝锥，在塑料圆柱1为中心进行攻丝加工，由于塑料的硬度较低，因此，一次性攻丝数量可达到8000个，并且单丝加工时间仅为5S，而且丝孔的位置精度取决于定位精度。而相比于此，成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料的硬度为维氏硬度5GPa，若直接对其采用M3白钢丝锥攻丝，一次性攻丝数量仅为10个，并且单丝加工时间为60S。

实施例3

在本实施例中，选用材质为Zamak 3锌合金作为异质体的制备材料，选择合金成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料。

首先，将锌合金加工成直径为5mm、长度为4mm的圆柱1以作为异质体(如图2所示)，对锌合金圆柱1表面进行电镀镍层，然后将圆柱1放入模具中并定位。

此后，将成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料进行熔融，并采用压铸设备铸入定位有锌合金圆柱1的模具腔内，使其与锌合金圆柱1复合成型获得非晶合金毛坯。

接着，将复合成型的非晶合金毛坯从模具中取出，如图2所示，得到由作为异质体的锌合金圆柱1和非晶合金2形成的非晶合金制品。

将根据本发明实施例所得非晶合金制品放到机加工台上进行定位，采用M3白钢丝锥，在锌合金圆柱1为中心进行攻丝加工，由于锌合金的硬度较低，只有维氏硬度1GPa，因此，一次性攻丝数量可达到5000个，并且单孔加工时间仅为8S，而且丝孔的位置精度取决于定位精度。而相比于此，成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料的硬度为维氏硬度5GPa，若直接对其采用M3白钢丝锥攻丝，一次性攻丝数量仅为10个，并且单丝孔加工时间为60S。同时对加工好的带有丝孔的非晶合金制品进行5％的中性盐雾试验，测试时间为168小时，腐蚀失重0.1g。

对比例1

在本对比例中，选用材质为Zamak 3锌合金作为异质体的制备材料，选择合金成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料。

首先，将锌合金加工成直径为5mm、长度为4mm的圆柱1以作为异质体(如图2所示)，然后将圆柱1放入模具中并定位。

此后，将成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料进行熔融，并采用压铸设备铸入定位有锌合金圆柱1的模具腔内，使其与锌合金圆柱1复合成型获得非晶合金毛坯。

接着，将复合成型的非晶合金毛坯从模具中取出，如图2所示，得到由作为异质体的锌合金圆柱1和非晶合金2形成的非晶合金制品。

将根据本发明实施例所得非晶合金制品放到机加工台上进行定位，采用M3白钢丝锥，在铝合金圆柱1为中心进行攻丝加工，由于铝合金的硬度较低，只有维氏硬度1GPa，因此，一次性攻丝数量可达到5000个，并且单孔加工时间仅为8S，而且丝孔的位置精度取决于定位精度。而相比于此，成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料的硬度为维氏硬度5GPa，若直接对其采用M3白钢丝锥攻丝，一次性攻丝数量仅为10个，并且单丝孔加工时间为60S。

同时对加工好的带有丝孔的非晶合金制品进行5％的中性盐雾试验，测试时间为168小时，腐蚀失重1.5g。

对比例2

在本对比中，选用材质为7075的铝合金作为异质体的制备材料，选择合金成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料。

首先，将铝合金加工成直径为5mm、长度为4mm的铝合金圆柱1以作为异质体(如图2所示)，对铝合金圆柱1表面进行微弧氧化，然后将铝合金圆柱进行攻丝，获得M3的攻丝孔，然后将攻有丝孔的铝合金圆柱放入模具中并定位。

此后，将成分为Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇的非晶合金材料进行熔融，并采用压铸设备铸入定位有铝合金圆柱1的模具腔内，使其与铝合金圆柱1复合成型获得非晶合金毛坯。

接着，将复合成型的非晶合金毛坯从模具中取出，如图2所示，得到由作为异质体的铝合金圆柱1和非晶合金2形成的非晶合金制品。

对制备得到的合金制品中的孔位进行检查，发现孔位变形，而无法将M3的螺丝拧入。

根据上述实施例和对比例可知，根据本发明的非晶合金制品的制备方法，可以大大降低机加工的成本，提高加工效率，并且机加工的精度可以直接由加工时的定位精度所决定，而且消除了非晶合金与异质体在复合成型过程中的热变形导致的制品的不良，解决了非晶合金难于加工和现有复合技术产生的产品变形，同时改善了异质材料与非晶合金连接过程中产生的电化学腐蚀，具有广泛的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种非晶合金制品，其特征在于，包括：

非晶合金形成的基体；

异质材料形成的异质体，所述异质体与所述基体相连且所述异质体的一部分暴露在所述基体外面，

其中，所述异质体具有适于机加工的硬度且具有在所述基体与所述异质体连接后通过机加工所形成的机加工特征，

其中，所述非晶合金中含有杂质元素，其中以原子百分数计，所述杂质元素的含量不高于2％。

2.根据权利要求1所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体设在所述基体内。

3.根据权利要求1或2所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体的硬度小于维氏硬度4GPa。

4.根据权利要求1所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体为塑料、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求4所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体经过表面处理。

6.根据权利要求5所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体由铝合金制成且所述表面处理为微弧氧化处理。

7.根据权利要求4所述的非晶合金制品，其特征在于，所述异质体的至少位于与所述基体接触的表面上设有保护层。

8.根据权利要求7所述的非晶合金制品，其特征在于，所述保护层为电镀层、绝缘防腐油漆层、树脂层、微弧氧化层和阳极氧化层中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的非晶合金制品，其特征在于，所述非晶合金的化学组成为：Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e，其中M表示选自Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素的至少一种，a、b、c、d和e表示各元素的原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100。

10.根据权利要求1所述的非晶合金制品，其特征在于，所述机加工为攻丝、钻孔和切削中的一种或多种的组合。

11.一种非晶合金制品的制造方法，包括如下步骤：

将具有预定形状、适于机加工且由异质材料形成的异质体放入模具中并进行定位；

将非晶合金加热到其玻璃转化温度以上并注入模具内以与所述异质体连接复合成型，其中所述异质体的一部分暴露到所述非晶合金外面；

以大于所述非晶合金的临界冷却速率的预定冷却速度进行冷却得到非晶合金毛坯；和

对所述非晶合金毛坯中的异质体进行机加工，获得非晶合金制品。

12.根据权利要求11所述的非晶合金制品的制造方法，其特征在于，所述机加工为攻丝、钻孔、切削中的一种或多种组合。

13.根据权利要求11所述的非晶合金制品的制造方法，其特征在于，还包括在将所述异质体放入模具之前对所述异质体进行钝化或在所述异质体表面设置保护层。

14.根据权利要求13所述的非晶合金制品的制造方法，其特征在于，所述保护层为电镀层、绝缘防腐油漆层、树脂层、微弧氧化层和阳极氧化层中的至少一种。