CN103667646B - 一种非晶合金的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非晶合金的处理方法，将非晶合金与固体颗粒置于同一容器中混合，容器运动使非晶合金与固体颗粒进行摩擦和碰撞处理；其中，所述固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸大于1mm，且多维尺寸中最大尺寸小于30mm，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，且固体颗粒显微硬度大于等于4Gpa；摩擦和碰撞处理的时间大于1分钟。本发明提供的非晶合金的处理方法，不仅可以使非晶合金获得较高的机械强度，还可以显著改善非晶合金的塑性变形能力，同时具有较高的生产效率，有利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金制造技术领域，更具体地，本发明涉及一种非晶合金的处理方法。
背景技术
非晶合金自1960年被首次发现以来，一直是研究的热点。20世纪90年代采用多元合金化法，降低了非晶合金的临界冷却速度，实现了块体非晶合金的制备，使该类材料的工程应用成为可能。非晶合金具有短程有序、长程无序的结构，使其具有高强度、高弹性极限、抗磨损等优异的力学性能。但由于非晶合金没有晶粒，因此也就没有位错在晶体和晶界处的运动产生的塑性变形，这一特性一方面极大地影响非晶合金的应用范围，另一方面由于可能受产品使用安全的影响难以发挥材料高强度高弹性的优异特性，大大限制了非晶合金作为新一代结构材料的应用。
非晶合金塑性的提高、韧性的改善，目前普遍认为主要通过增加合金表面或内部的自由体积，产生更多的剪切带来实现。例如现有技术中有采用在非晶合金表面进行喷砂或喷丸的方式，以改善非晶合金的弯曲塑性变形的能力，取得良好的增塑和增韧效果。然而，喷砂或喷丸的工艺对于小型的产品生产效率低，对于大型的复杂结构产品，又难于实现均匀的喷射处理，甚至某些部位难于喷射到位。
发明内容
本发明解决了现有技术中采用喷砂或喷丸对非晶合金进行表面处理工艺中存在的小型产品生产效率低、大型复杂结构产品难以喷射均匀到位的技术问题，提出一种非晶合金的处理方法。
具体地，本发明的技术方案为：
一种非晶合金的处理方法，将非晶合金与固体颗粒置于同一容器中混合，容器运动使非晶合金与固体颗粒进行摩擦和碰撞处理；其中，所述固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸大于1mm，且多维尺寸中最大尺寸小于30mm，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，且固体颗粒显微硬度大于等于4Gpa；摩擦和碰撞处理的时间大于1分钟。
本发明提供的非晶合金的处理方法，通过先将非晶合金和固体颗粒置于容器中，然后通过容器运动使位于容器内的非晶合金和固体颗粒进行摩擦和碰撞处理，因此针对任何复杂形状、无论是大型还是小型的非晶合金产品，其均能与固体颗粒发生充分摩擦和碰撞，从而显著消除非晶合金产品表面缺陷，提高该非晶合金的的塑性及韧性，且工艺方法简单、生产效率较高，方便于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1和对比例3处理后得到的非晶合金样品的应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种非晶合金的处理方法，将非晶合金与固体颗粒置于同一容器中混合，容器运动使非晶合金与固体颗粒进行摩擦和碰撞处理；其中，所述固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸大于1mm，且多维尺寸中最大尺寸小于30mm，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，且固体颗粒显微硬度大于等于4Gpa；摩擦和碰撞处理的时间大于1分钟。
本发明提供的非晶合金的处理方法，通过先将非晶合金和固体颗粒置于容器中，然后通过容器运动使位于容器内的非晶合金和固体颗粒进行摩擦和碰撞处理，因此针对任何复杂形状、无论是大型还是小型的非晶合金产品，其均能与固体颗粒发生充分摩擦和碰撞，从而显著消除非晶合金产品表面缺陷，提高该非晶合金的的塑性及韧性，且工艺方法简单、生产效率较高，方便于工业化生产。
其中，摩擦处理主要消除非晶合金表面缺陷，表面的缺陷（如夹杂物、气孔、裂纹或尖锐的凸点）对于脆性合金材料，很容易成为应力集中点，也很容易成为起裂源，降低非晶合金的使用强度，影响产品的使用效果。而采用固体颗粒对其表面进行摩擦处理，则可以达到消除缺陷的效果。而固体颗粒对非晶合金表面的碰撞则会对合金产生压应力处理或对合金产生微量的弹性变形处理，反复的压应力处理和弹性处理会显著增加合金表面或内部的剪切带数量，从而提高合金的塑性变形的能力。
本发明中，容器运动可为现有技术中常见的各种运动形式，例如可以为振动、离心式或翻滚式运动等。容器的运动可通过设备进行，例如可以采用振动式研磨机、离心式研磨机、磁力研磨机，但不局限于此。
本发明的发明人发现，本发明中与非晶合金进行摩擦和碰撞处理的固体颗粒并非任意固体颗粒均可行，而是必须合适尺寸、足够的材料密度及材料显微硬度，才可以提供足够的能量和表面特性，对非晶合金表面进行摩擦切削及撞击处理，才能消除产品表面缺陷、改善其弯曲塑性变形的能力。
例如，固体颗粒太小或密度太小，无法提供足够的动能，对合金表面产生足够的碰撞能量；固体颗粒太大，则无法对合金表面产生均匀有效地碰撞。本发明的发明人通过大量实验发现，本发明所采用的固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸为1mm以上，且多维尺寸中最大尺寸为30mm以下，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，会对非晶合金表面产生有效地摩擦和撞击效果。
同时，固体颗粒需要具有足够的显微硬度；显微硬度太低，颗粒表面易于钝化，显著降低对非晶合金表面的摩擦处理效果，而且钝化会吸收撞击能，降低固体颗粒对合金表面压应力处理和对合金产品的整体作用力。本发明的发明人通过大量实验发现，固体颗粒具有大于等于4Gpa的显微硬度，可以产生显著的改善非晶合金强韧性的能力。
综上，本发明中，所述固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸为1mm以上，且多维尺寸中最大尺寸为30mm以下，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，固体颗粒显微硬度大于等于4Gpa。
为保证非晶合金与固体颗粒的摩擦和碰撞充分进行，本发明中，摩擦和碰撞处理的时间大于1分钟。足够多的处理时间，可以保证本发明处理后的非晶合金具有显著地强韧性改善。但处理时间过长，则会影响非晶合金产品的尺寸精度，因此需要选择适宜产品需求的作用时间。优选情况下，摩擦和碰撞处理的时间为5-60分钟，但不局限于此。
采用本发明的方法对非晶合金处理过程中，非晶合金与固体颗粒过大的体积比会减少固体颗粒对非晶合金表面处理的几率，并且产生相对运动的困难。本发明的发明人通过进一步地实验发现，非晶合金与固体颗粒的体积比小于1：2时即能保证有足够多的固体颗粒作用于非晶合金表面，从而可以显著提高非晶合金表面处理的效率，达到理想的处理效果。
优选情况下，本发明中，所述固体颗粒的平均粒径为1-30mm。
由于非晶合金为亚稳态材料，在高温条件下具有向晶态材料转变的倾向，非晶合金一旦晶态化，则物理化学性能则会发生显著恶化。因此，本发明中，所述容器内还容纳有冷却液，对相对运动过程中产生的摩擦和碰撞热能进行冷却，具有更佳的非晶合金增韧改善效果，并能避免非晶晶态化的风险。通常情况下，所述冷却液的体积占容器体积的5%以上。为防止容器运动过程中冷却液从容器内溅出，优选情况下，所述冷却液的体积占容器体积的20%以下。所述冷却液可直接采用现有技术中常用的各种具有液体，例如可直接采用水或水溶液。
本发明提供的处理方法，可以将成千上万的非晶合金产品同时与固体颗粒混合，进行相对运动摩擦和撞击处理，可以大幅的提高生产效率。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为5mm，密度为3.95g/cm3，显微硬度为20.6Gpa的刚玉颗粒（其多维尺寸中最小尺寸为2mm，最大尺寸为8mm）与上述非晶合金样条产品按4：1的体积比混合，并放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，往容器内加入占容器体积10%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为30分钟，振动完成后得到处理后的样品C1。
实施例2
将成分为Zr55Al8.5Cu13Ni8.5Nb15的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为5mm，密度为2.65g/cm3，显微硬度为10Gpa的石英颗粒（其多维尺寸中最小尺寸为1mm，最大尺寸为8mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为10分钟，振动完成后得到处理后样品C2。
实施例3
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为5mm，密度4.5g/cm3，显微硬度为15Gpa的锆石颗粒（其多维尺寸中最小尺寸为3mm，最大尺寸为6mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为40分钟，振动完成后得到处理后的样品C3。
实施例4
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为3mm，密度7.7g/cm3，显微硬度为5Gpa的铸铁丸（其多维尺寸中最小尺寸为2mm，最大尺寸为3mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为40分钟，振动完成后得到处理后的样品C4。
实施例5
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为3mm，密度7.8g/cm3，显微硬度为4Gpa的高碳钢丸（其多维尺寸中最小尺寸为2.5mm，最大尺寸为3.2mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为40分钟，振动完成后得到处理后的样品C5。
对比例1
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为3mm，密度2.7g/cm3，显微硬度为1Gpa的铝丸（其多维尺寸中最小尺寸为2.5mm，最大尺寸为3.5mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为40分钟，振动完成后得到处理后的样品D1。
对比例2
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为4mm，密度8.6g/cm3，显微硬度为2Gpa的铜丸（其多维尺寸中最小尺寸为3.8mm，最大尺寸为4.3mm）与上述非晶合金样条产品按8：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积5%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为40分钟，振动完成后得到处理后的样品D2。
对比例3
将成分为Zr53Al10Cu30Ni7的非晶合金熔融，通过压铸设备将其铸造到金属模具中，得到尺寸为0.8mm×10mm×100mm的非晶合金样条产品。
将平均粒径为0.5mm，密度3.95g/cm3，显微硬度为20.6Gpa的刚玉颗粒（其多维尺寸中最小尺寸为0.1mm，最大尺寸为0.8mm）与上述非晶合金样条产品按4：1的体积比混合，放入到ZHM-450型A振动式研磨机容器中，并加入占容器体积10%的水溶液，设定振幅为2mm，振动处理时间为30分钟，振动完成后得到处理后的样品D3。
性能测试
将各处理后的样品C1-C5和D1-D3在万能力学拉伸试验机进行三点弯曲性能测试，跨距为50mm，加载速率为10mm/Min，获得各样品的弯曲强度和应变量，如表1所示。
表1
。
从上表1中可以看出，虽然C1和D3均采用了刚玉作为振动摩擦和碰撞的介质，但是D3颗粒比较细小，难以提供足够的碰撞能量，因此获得应变量明显小于C1；从图1中也可以看出，D3样品基本没有塑性变形，而本发明实施例得到的C1非晶合金样条则表现出了高的弯曲强度和高的塑性变形能力。
从实施例C2-C5的测试结果可以看出，只要满足本发明的技术要求，除了可以获得高的弯曲强度的同时，还可以获得较大应变量，甚至塑性应变，如图1所示C3的最大应变量高达7%，其中塑性变形量可达到5%。
从实施例C1、C2的测试结果比较可以看出，对于不同的非晶合金材料，采用本发明的工艺制备技术，均可获得显著地强韧化效果。
从对比例D1-D3的测试结果可以看出，如果选择的材料属性无法满足本发明的技术要求，材料虽然可以获得较高的机械强度，但材料断裂时的应变会比较低，而且也没有塑性变形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非晶合金的处理方法，其特征在于，将非晶合金与固体颗粒置于同一容器中混合，容器运动使非晶合金与固体颗粒进行摩擦和碰撞处理；其中，所述固体颗粒的多维尺寸中至少有一维尺寸为1mm以上，且多维尺寸中最大尺寸为30mm以下，且固体颗粒密度大于2.5g/cm3，固体颗粒显微硬度大于等于4Gpa；摩擦和碰撞处理的时间大于1分钟，非晶合金与固体颗粒的体积比小于1：2。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述固体颗粒的平均粒径为1-30mm。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述容器内容纳有冷却液，所述冷却液的体积占容器体积的5％以上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的处理方法，其特征在于，所述固体颗粒中含有金属颗粒和/或非金属颗粒。
5.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于，所述金属颗粒选自铸铁丸、高碳铜丸中的一种或两种。
6.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于，所述非金属颗粒选自刚玉、石英、锆石中的一种以上。
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