CN104004976A - 锆基、铜基非晶合金及其制备方法、及由其制得的电子产品结构件及加工方法 - Google Patents

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本发明公开了一种锆基、铜基非晶合金及其制备方法、及由其制得的电子产品结构件及加工方法，其中，该锆基非晶合金具有结构式(ZraAlbCucNid)100-e-fTieMf，铜基非晶合金(CuaZrbAlcNid)100-e-fTieMf。本发明提供的电子产品结构件的加工方法包括：在真空度大于等于10-3torr的条件下，将本发明提供的铜基或锆基非晶合金熔融得到熔融液；将模具加热至温度大于等于150℃且小于等于350℃；将上述熔融液倒入模具中冷却得到电子产品结构件。本发明提供的锆基、铜基非晶合金具有较低的临界冷却温度，由其制得的电子产品结构件具有更好的力学性能，并且其加工工艺简单且成本低。

Description

锆基、铜基非晶合金及其制备方法、及由其制得的电子产品结构件及加工方法
技术领域
本发明涉及非晶合金领域，具体而言，涉及一种锆基、铜基非晶合金及其制备方法、及由其制得的电子产品结构件及加工方法。 
背景技术
当前信息、新材料、新能源成科技创新的三大支柱，尤其在IT电子产品领域三者有机结合，大大推动了社会的发展和生活水平的提高。电子产品在技术创新的过程中，同时追求着时尚的外观，轻巧的结构设计，这些都离不开新材料新工艺的应用。 
目前，市场上的高端电子产品结构件材料主要是不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金等。 
铝合金、镁合金存在先天的力学性能不足的问题，强度达不到设计的要求，加工得到的电子产品结构件弹性强度小，易产生塑性变形，即变形后不会恢复到原有的形状，成为产品开发的瓶颈。 
钛合金难加工，加工成本高，并且金属表面容易氧化发蓝，也不适合作为电子产品结构件的材料，尤其是电子产品的外壳。 
不锈钢是目前电子产品机构件的首选材料，但是利用不锈钢生产电子产品结构件，需要大量的计算机数字控制机床（Computer Numerical Control，简称为CNC）加工，加工成本高，并且随着全球消费性电子产品需求量的增速加快，全球的CNC机台出货量已不能满足加工需求。此外，不锈钢加工得到的产品容易变形，产品良率低，增加了额外加工成本。 
发明内容
针对相关技术中电子产品结构件弹性强度低的问题，本发明提供了一种锆基、铜基非晶合金及其制备方法、及由其制得的电子产品结构件及加工方法，以至少解决上述问题。 
根据本发明的一个方面，提供了一种锆基非晶合金，上述锆基非晶合金的化学式为：(ZraAlbCucNid)100-e-fTieMf，a、b、c、d、e和f为原子数，其中，0.4≤a≤0.7，0.08≤b≤0.2，0.07≤c≤0.33，0.05≤d≤0.2，0≤e≤10，0≤f≤25，并且a、b、c、d之和为1；其中，M选自Nb、Ta和Sc中的一种或一种以上的组合。 
优选地，上述锆基非晶合金的化学式为Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5或Zr52.5Al10Cu17.9Ni14.6。 
根据本发明的又一个方面，提供了一种铜基非晶合金，上述铜基非晶合金的化学式为：(CuaZrbAlcNid)100-e-fTieMf，a、b、c、d、e和f为原子数，其中，0.4≤a≤0.8，0.1≤b≤0.5，0≤c≤0.1，0≤d≤0.2，0≤e≤40，0≤f≤25，并且a、b、c、d之和为1；其中，M选自Nb、Si和Se中的一种或一种以上的组合。 
优选地，上述铜基非晶合金的化学式为Cu47Zr11Ni8Ti34或Cu47Zr11Ni8Ti33Si1。 
根据本发明的又一个方面，提供了一种非晶体合金的制备方法，包括：按照上述锆基非晶合金或铜基非晶合金的化学式中原子数配比准备各个原料；将上述各个原料中熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金；将上述母合金和剩余原料熔炼得到上述非晶体合金。 
优选地，熔炼得到上述母合金的步骤包括：在惰性气氛，真空度大于等于10-5torr以及电流强度10A~60A的条件下，熔炼得到上述母合金。 
根据本发明的又一个方面，提供了一种电子产品结构件，由上述锆基非晶合金或铜基非晶合金制备而成。 
根据本发明的又一个方面，提供了一种电子产品结构件的加工方法，包括：在真空度大于等于10-3torr的条件下，将上述锆基非晶合金或铜基非晶合金熔融得到熔融液；将模具加热至温度大于等于150℃且小于等于350℃；将上述熔融液倒入上述模具中冷却得到电子产品结构件。 
本发明提供的锆基、铜基非晶合金具有较低的临界冷却温度，由其制得的电子产品结构件具有更好的力学性能，并且其加工工艺简单且成本低。 
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 
图1是根据本发明实施例的块体非晶合金的制备方法的流程示意图； 
图2是根据本发明实施的电子产品结构件的加工方法与切削加工方法的对照图； 
图3是根据本发明实施例的电子产品结构件的加工方法所得的移动终端支架的结构图；以及 
图4是根据本发明实施例的电子产品结构件的XRD测试的曲线图。 
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 
在本发明实施例的一个实施方式中，提供了一种锆基非晶合金，该锆基非晶合金的化学式为：(ZraAlbCucNid)100-e-fTieMf，其中，a、b、c、d、e和f为原子数，0.4≤a≤0.7，0.08≤b ≤0.2，0.07≤c≤0.33，0.05≤d≤0.2，并且a、b、c、d之和为1；0≤e≤10，0≤f≤25；其中，M选自Nb、Ta和Sc中的一种或一种以上的组合。 
在发明实施例的另一个实施方式中，提供了一种铜基非晶合金，该铜基非晶合金的化学式为：(CuaZrbAlcNid)100-e-fTieMf，其中，a、b、c、d、e和f为原子数，0.4≤a≤0.8，0.1≤b≤0.5，0≤c≤0.1，0≤d≤0.2，并且a、b、c、d之和为1；0≤e≤40，0≤f≤25；其中，M选自Nb、Si和Se中的一种或一种以上的组合。 
按照本发明实施例的上述元素和配比得到的锆基非晶合金和铜基非晶合金，具有更高的临界冷却速度，降低了形成非晶合金的临界冷却速度，即在冷却温度变化更慢的情况下，就能够得到非晶合金，因此，便于工业生产。并且，本发明实施例的上述锆基非晶合金和铜基非晶合金，相对于不锈钢具有更好的耐蚀性、耐磨性、强度、硬度和韧性。 
在本发明实施例的再一个实施方式中，提供了一种非晶体合金的制备方法，该制备方法包括：按照上述锆基非晶合金或铜基非晶合金的化学式中原子数配比准备各个原料，将上述各个原料中熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金，将上述母合金和剩余原料熔炼得到非晶体合金。 
在本发明实施例中，通过将熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金，再将母合金和其他原料熔炼得到非晶体合金，能够降低熔炼的熔点。 
在本发明实施例的一个优选实施方式中，熔炼得到上述母合金的步骤包括：在惰性气氛下，真空度大于等于10-5torr、电流强度10A~60A熔炼得到上述母合金。在实际应用中，可以将上述母合金和剩余原料得到的熔融液进行冷却凝固，从而得到非晶体合金。 
通过本发明实施例的上述方法，在真空度大于等于10-5torr、电流强度10A~60A熔炼得到上述母合金，并将母合金和剩余原料熔炼得到分晶合金，由于熔炼过程处于真空度大于等于10-5torr的环境，降低了氧气含量，使得非晶合金不易被氧化，使得非晶合金的性能更优越。 
在本发明实施例的一个实施方式中，还提供了一种电子产品结构件，由上述锆基非晶合金或铜基非晶合金制备而成。 
在本发明实施例的一个实施方式中，还提供了一种电子产品结构件的加工方法，该方法包括：在真空度大于等于10-3torr的条件下，将上述锆基非晶合金或铜基非晶合金熔融得到熔融液；将模具加热至温度大于等于150℃且小于等于350℃；将上述熔融液倒入上述模具中冷却得到电子产品结构件。 
在压铸过程中，模具的温度过高，则会增加产品的氧化程度，模具的温度过低，则会导致熔融液不易流动，从而产品不易成型。通过本发明实施例的加工方法，在真空度大于等于10-2torr的条件下，降低了熔炼环境中的氧气含量，减小了合金被氧化的程度。将模具加热到温度大于等于150℃且小于等于350℃，可以保证熔融液在模具中的流动性，从而容易成型，尤其是厚度较小的产品，并且能够保证产品的氧化程度低。 
下面通过具体实施例进一步说明本发明实施例的有益效果。 
一、非晶合金的制备 
实施例1至16 
原料：纯度高于99..95%的制备本发明提供的锆基非晶合金所需的各个原料。 
制备方法：按照锆基非晶合金的化学式中原子数配比准备各个原料，将上述各个原料中熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金，将上述母合金和剩余原料熔炼得到非晶体合金。 
例如，制备Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5的具体制备方法如图1所示，该方法包括： 
1.选料：按总重量为50kg，以Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5分子式计算出合金中各元素的质量，根据计算出的重量准备高纯的（>99.95%）的锆、铜、铝、镍、铌原料，严格控制各原材料氧的含量在50ppm以内。 
2.熔炼：将上述计算出的重量的镍和铌按放进真空自耗电弧熔炼炉（VAR），将VAR抽成高真空，真空度在10-5torr以上，放入惰性气体Ar进行保护，在电流强度为35A下将其熔炼得到母合金。将该母合金与上述的其他各原材料放入VIM，在真空度10-3torr以上的条件熔成Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5合金熔融液，熔融液成分充分均匀后，将熔融液倒入模具中凝固成非晶合金。 
3.检测：将加工好的合金球经检测，成分均匀且符合Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5成分范围内，氧含量控制在200ppm以内，重量相等，表面无毛刺、无氧化。 
其他实施例的制备方法如上述Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5的制备方法相同，在此不再一一赘述，实施例1-16制得的非晶合金化学式如表1所示。 
表1 
  化学式
1 Zr40Al14Cu30Ni16
2 Zr34Al17Cu17Ni17M15
3 Zr32Al16Cu26.4Ni5.6Ti5M15
4 Zr32.5Al6.5Cu18.2Ni7.8Ti10M25
5 Zr42.5Al17Cu17Ni8.5M15
6 Zr47.5Al7.6Cu31.35Ni8.55Ti5
7 Zr50Al14Cu16Ni20
8 Zr48Al16Cu5.6Ni10.4Ti5M15
9 Zr54Al7.2Cu14.4Ni14.4Ti10
10 Zr45Al10.5Cu15Ni2.7M25
11 Zr48Al6.4Cu21.6Ni2Ti5M15
12 Zr63Al7.2Cu13.5Ni6.3Ti10
13 Zr52.5Al13.5Cu5.25Ni3.75M25
[0045] 
14 Zr56Al8Cu8Ni8Ti10M10
15 Zr52.5Al10Cu17.9Ni14.6
16 Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5
在表1中，化学式中的组分用M表示。本发明实施例所提供的锆基非晶合金，临界冷却速度在100K/s以内，具有较低的临界冷却速度，易于工业生产，能够降低对形成非晶合金的冷却速度的要求。 
在本发明实施例中，还对实施例1-16所制备的非晶合金的耐蚀性性能进行了测试，在本发明实施例中以Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5为例进行说明，Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5的耐蚀性性能如表2所示。 
表2 
在本发明实施例中，以Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10为例，将其耐蚀性与不锈钢SUS304进行对比，表3示出了Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5与不锈钢SUS304的耐腐蚀性对比结果。 
表3 
含量 3.5%NaCl 1mol/L HNO3 1mol/L H2SO4 1mol/L HCl
Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5 0.07 2.4 3.2 50
SUS304 0.72 11.4 56.3 28.6
根据表3的数据可知，本发明实施例1-16制备的锆基非晶合金的耐蚀性明显高于不锈钢SUS304。 
此外，其屈服点远远高于不锈钢SUS304，抗拉强度也大于不锈钢SUS304。 
实施例17-28 
原料：纯度高于99..95%的制备本发明提供的铜基非晶合金所需的各个原料。 
制备方法：按照铜基非晶合金的化学式中原子数配比准备各个原料，将上述各个原料中熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金，将上述母合金和剩余原料熔炼得到非晶体合金。 
具体制备方法与Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5的具体制备方法相同，在此不再赘述。实施例17-28制得的非晶合金化学式如表4所示。 
表4 
  化学式
17 Cu30Zr37.5Ni7.5M25
18 Cu36Zr20Al8Ni8Ti5M15
19 Cu37.5Zr22.5Al7.5Ni7.5Ti15M10
20 Cu48Zr16Al8Ni8Ti20
21 Cu56Zr16Al4Ni4M20
22 Cu32Zr20Al4Ti10M10
23 Cu52.5Zr7.5Al7.5Ni7.5Ti10M10
24 Cu37.5Zr30Al3.75Ni3.75Ti10M15
25 Cu44Ni11Ti40M5
26 Cu36Zr4.5Al2.25Ni2.25Ti40M15
27 Cu47Zr11Ni8Ti34
28 Cu47Zr11Ni8Ti33Si1
在表4中，化学式中的组分用M表示，M的构成在此不在赘述。本发明实施例所提供的铜基非晶合金，临界冷却速度在100K/s，具有较低的临界冷却速度，易于工业生产，能够降低对形成非晶合金的冷却速度的要求。 
在本发明实施例中，还对实施例17-28所制备的非晶合金的耐蚀性和力学性能进行了测试，本发明实施例17-28制备的铜基非晶合金的耐蚀性明显高于不锈钢SUS304。并且，其屈服点远远高于不锈钢SUS304，抗拉强度也大于不锈钢SUS304。 
二、电子产品结构件的制备 
电子产品结构件的加工方法： 
将实施例1-16制得的合金球放入压铸机的自动下料装置中，压铸机装配上模具，对模具进行升温，维持上下模温在150-350摄氏度左右，关闭压室门，对压铸室进行抽真空，真空度控制在10-3torr以上。 
开启自动下料装置，合金自动下放到压铸机中的坩锅内，快速感应加热将合金球重熔成熔融液，再将熔融液倒入模具中，利用模具的温度将熔融液快速冷却，形成非晶合金的电子产品结构件。 
模具温度控制在150-300摄氏度之间时，加工所得的电子产品结构件具有比其他温度更低的含氧量，且在该温度下更容易成型。尤其是在温度为电子产品结构件的含氧量和成型情况最佳。 
本发明实施例的电子产品结构件的加工方法，能够得到厚度在0.5~2.5mm范围内，产品外形的最大尺寸可以达到200*200平方毫米。 
加工方法对比： 
如图2所示，切削加工工艺包括切削/成形、锻造、CNC处理，后处理（例如，去毛刺）等过程，而本发明实施例的电子产品结构件的加工方法仅需压铸和少量的后处理（例如，去毛刺处理）。 
在本发明实施例中，以Cu47Zr11Ni8Ti33Si1加工电子产品外壳、支架、转轴以及后盖为例，对电子产品结构件的良率进行了统计，其中模具温度为250℃。表5示出了本发明实施例的压铸工艺与切削加工的产品良率对比数据。同时，加工所得的移动终端支架如图3所示。 
表5 
从表5的数据可以看出，本发明实施例的电子产品结构件的加工方法良率平均值高于95%，而采用切削加工的在80%，可见本发明实施例提供的电子产品结构件的加工方法显著地提高了电子产品结构件的良率。 
并且，本发明实施例的电子产品结构件的加工方法无需切削、锻造、CNC处理，仅需压铸，降低了加工复杂性，尤其是无需CNC处理，不需要配置CNC机台，降低了加工成本。 
针对本发明实施例化学式为Cu47Zr11Ni8Ti33Si1的非晶合金，加工所得的移动终端外壳，在该移动终端外壳上取三点进行测试，经X射线衍射（X-ray Diffraction，简称为XRD）检测该产品为非晶合金，检测结果如图4所示，从图4的测试结果可以看出该移动终端外壳为非晶合金。 
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：本发明提供的锆基、铜基非晶合金具有较低的临界冷却温度，由其制得的电子产品结构件具有更好的力学性能，并且其加工工艺简单且成本低。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种锆基非晶合金，其特征在于，所述锆基非晶合金的化学式为：
(ZraAlbCucNid)100-e-fTieMf，a、b、c、d、e和f为原子数，其中，0.4≤a≤0.7，0.08≤b≤0.2，0.07≤c≤0.33，0.05≤d≤0.2，0≤e≤10，0≤f≤25，并且a、b、c、d之和为1；
其中，M选自Nb、Ta和Sc中的一种或一种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的锆基非晶合金，其特征在于，所述锆基非晶合金的化学式为Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5或Zr52.5Al10Cu17.9Ni14.6。
3.一种铜基非晶合金，其特征在于，所述铜基非晶合金的化学式为：
(CuaZrbAlcNid)100-e-fTieMf，a、b、c、d、e和f为原子数，其中，0.4≤a≤0.8，0.1≤b≤0.5，0≤c≤0.1，0≤d≤0.2，0≤e≤40，0≤f≤25，并且a、b、c、d之和为1；
其中，M选自Nb、Si和Se中的一种或一种以上的组合。
4.根据权利要求3所述的铜基非晶合金，其特征在于，所述铜基非晶合金的化学式为Cu47Zr11Ni8Ti34或Cu47Zr11Ni8Ti33Si1。
5.一种非晶体合金的制备方法，其特征在于，包括：
按照权利要求1至4中任一项所述非晶合金化学式中原子数配比准备各个原料；
将所述各个原料中熔点高于2000℃的原料熔炼得到母合金；以及
将所述母合金和剩余原料熔炼得到所述非晶体合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，熔炼得到所述母合金的步骤包括：在惰性气氛，真空度大于等于10-5torr以及电流强度10A~60A的条件下，熔炼得到所述母合金。
7.一种电子产品结构件，其特征在于，由权利要求1至4中任一项所述的非晶合金制备而成。
8.一种电子产品结构件的加工方法，其特征在于，包括：
在真空度大于等于10-3torr的条件下，将权利要求1至4中任一项所述的非晶合金熔融得到熔融液；
将模具加热至温度大于等于150℃且小于等于350℃；
将所述熔融液倒入所述模具中冷却得到电子产品结构件。
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