CN104174679B - 通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置及工艺，挤压凹模分为挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块，挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块拼合时能形成线材通道、挤压凸模通道、坯料室、焊合室和成形室，其中线材通道、挤压凸模通道方向垂直，坯料室、挤压凸模通道在一条线上，焊合室、成形室与线材通道在一条线上，在线材通道的两侧各设有一个坯料室和一个挤压凸模通道，线材通道的出口处设置有保护气体喷管，所述的挤压凹模中设有电热元件。本发明能将非晶态合金包覆在线材的表面，改善线材的表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及多向挤压对线材进行持续包覆的装置及工艺，属于非晶态金属包覆成形技术领域。
背景技术
金属玻璃又称非晶态合金，由于其独特的无序微观结构，使其既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊端。玻璃易碎，没有延展性；但金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，所以，人们称金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。非晶态合金具有高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐蚀性等较好的力学、物理和化学性能，从而决定其应用的领域非常广泛，具有广阔的应用前景。
锆基非晶对于极限冷却速度的要求较低，可以在低于100K/s以下的冷却速度下得到完全的非晶态组织，因而针对锆基非晶的零件有多种成形工艺。专利CN102877010A“一种锆基块体非晶合金铸件的铸造成形方式”公开了一种锆基块体非晶合金铸件的铸造成形方法，其铸件的化学成分的at％是：Zr35-45、Ti11-16、Cu10-15、Ni8-12、Be16-25，熔炼前对上述原材料用超声波在酒精介质中进行净化处理，再将每一种平均分成两份，按其各自的密度，由下到上两次重复布料装入坩埚中，布料时要避免原料铜和铜坩埚相接触，以防止原料铜熔化时与铜坩埚发生粘结；然后合炉进行抽真空，充入0.05MPa的氩气保护，开始加热熔炼，在60KW、80KW、120KW各保持5分钟后将功率加至140KW使合金熔体的温度达到800℃以上。专利CN101164722“一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法”公开一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法。本发明方法是把合金母料加热熔化后注入可溃型模具中，待熔融合金冷却后形成非晶态合金，模具溃型后对试件进行简单的清理即可获得所需工件。利用可溃型模具通过铸造的方法制备出任何复杂形状的临界厚度在一定范围内的非晶合金工件，实现了复杂非晶合金工件的制备、加工，净成形一体化技术。专利CN1199747C“一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法”公开了一种用于大块非晶合金精密零部件超塑性模锻成形的装置及采用这种装置制备大块非晶合金精密零件的工艺。可以成形外廓直径尺寸0.1～100mm、厚度尺寸0.1～50mm的各种复杂形状零部件，如齿轮类、实心或实心台阶轴(锥度轴)类以及等轴类扁薄零件等。所发明的装置由真空炉、可更换压头和模具三部分组成。专利CN100473472C“金属玻璃的成形方法”公开了一种金属玻璃的成形方法。该方法在保持金属玻璃的非晶质的同时成形不产生表面缺陷的成形品，即便是薄壁或厚度不等的成形品或复杂形状的成形品也可简单地成形。
非晶态合金具有高强度、高硬度和优良的耐磨及耐腐蚀性，而且表面光亮、美观，但是非晶态合金的价格较高。黄铜、钢、热固性塑料等材料的价格要比非晶态合金低很多，但是他们的某些物理和化学性能与非晶态合金相比，要差很多。由于非晶态合金在300～450℃即可玻璃化，并具有极好的塑性，因而可以将非晶态合金包覆在其他材料的表面，综合利用这些材料各自的优势，制造低成本、高强度、高硬度、耐磨损和耐腐蚀的零件。通过将非晶态合金包覆在相应零件外表面，改善零件表面质量、耐磨性、耐腐蚀性，提高零件的使用寿命，也可将包覆非晶态合金的零件用于其他零件无法承受的腐蚀环境。
用非晶态合金对线材或棒材进行包覆时，如果用单向挤压工艺对线材或棒材进行包覆，必须在挤压凹模内设计分流室、焊合室和成形室等部分，模具的结构复杂，加工成本高，而且需要的挤压力较大，模具的寿命较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置及工艺，将非晶态合金包覆在线材的表面，改善线材的表面质量，使其具有优良的耐腐蚀和耐磨损性能，扩大线材的应用领域，延长线材的使用寿命。
本发明采取的技术方案为：
通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，包括线材供应装置、线材牵引及收取装置、非晶态合金坯料操作系统、挤压凹模、挤压凸模、工作台，挤压凹模分为挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块，挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块上分别设有线材通道槽、挤压凸模配合槽、坯料槽、焊合室槽和成形室槽，两者拼合时能形成线材通道、挤压凸模通道、坯料室、焊合室和成形室，其中线材通道、挤压凸模通道方向垂直，坯料室、挤压凸模通道在一条线上，焊合室、成形室与线材通道在一条线上，在线材通道的两侧各设有一个坯料室和一个挤压凸模通道，挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块紧固在一起，所述的挤压凹模中设有电热元件、温度测量装置，两者均与温度控制器相连接。
所述的挤压凹模周围包覆保温材料层，在保温材料层的相应位置预留挤压凸模、线材的进出口。
所述的线材通道的出口处设置有保护气体喷管，保护气体喷管通过储气罐连接油水分离器，油水分离器通过气体压缩机与真空泵连接，这些组成冷却气体系统。
所述的线材供应装置、线材牵引及收取装置、挤压凹模、挤压凸模均设置在气氛箱内，气氛箱连着真空泵。
所述的挤压凹模与工作台之间设置有隔热板。
所述的挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块通过螺钉和销钉紧固在一起。
所述的挤压凸模与液压系统油缸的柱塞相连接。
所述的线材通道与线材之间的单边间隙为0.02～0.04mm。
坯料室、焊合室、成形室以及管材外径定形部分位于同一个零件上，坯料室和焊合室是半径与非晶态合金坯料的外径相同的圆孔状，成形室是与焊合室相通的半球形结构，管材外径定形部分是与成形室相通的圆孔状，挤压模具的整体结构简单。两个圆柱形非晶态合金坯料相对应的两端面之间是要包覆的线材，当非晶态合金的温度达到晶化温度以后，圆柱形坯料与线材接触的端面将会发生塑料变形，两个坯料将通过塑性变形将线材包围，而且两块坯料将相互接触并依靠压力焊合在一起。
非晶态合金坯料焊合以后，将夹持着线材一起流到成形室，最终沿着管材外径定形部分挤出挤压凹模。
利用上述装置对线材进行包覆的工艺，包括步骤如下：
(1)将线材插入挤压凹模中的线材通道，并保证线材从挤压凹模出口露出，用线材牵引及收取装置夹持住露出的线材端部；
(2)由电热元件对挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块进行加热；
(3)将数块非晶态合金坯料放入气氛箱，启动真空泵将气氛箱中的空气抽出，抽出的气体排入大气中，并真空度达到0.001Pa时，关闭真空泵；
(4)打开保护气体喷管，保护气体通过保护气体喷管对挤压凹模的线材出口和线材进行冷却；
(5)利用液压系统控制油缸的柱塞回退，将挤压凸模从挤压凸模通道中抽出；
(6)非晶态合金坯料操作系统把两块非晶态合金坯料分别放入挤压凹模中的两个坯料室；
(7)利用液压系统控制油缸的柱塞伸出，将挤压凸模插入挤压凹模，并通过挤压凸模把非晶态合金坯料压紧；
(8)当挤压凹模的温度达到玻璃化温度以上，而且保持温度恒定2～3分钟后，将液压系统切换为挤压模式，通过柱塞、挤压凸模将压力传递给非晶态合金坯料；非晶态合金坯料发生塑性流动、焊合，包覆了非晶态合金的线材通过挤压凹模的线材出口位置挤出；在包覆过程中由牵引及线材收取装置对线材施加恒定的牵引力；
(9)如果要持续地包覆大量的线材，转到第(5)步；更换非晶态合金坯料后，通过非晶态合金界面之间的压力，利用温度和压力促进金属原子的扩散，将非晶态合金坯料焊接在一起。
本发明的有益效果是：
(1)挤压凹模采用拼块结构，将挤压凹模的内部结构变为外部结构，便于挤压凹模的加工，有利于保证挤压型腔的加工精度和表面质量；在挤压结束后，会有部分剩余坯料会留在坯料室、焊合室和成形室，便于挤压余料的清除。
(2)通过真空泵抽取气氛箱内的惰性气体，然后通过气体压缩机将真空泵抽取的惰性气体输送回保护气体系统，实现保护气体的循环再利用，降低生产成本；线材供应装置、线材牵引及收取装置均设置在气氛箱内，即可以保护非晶态合金不被氧化，又可以实现线材的持续包覆。
(3)在挤压过程中，在挤压凹模周边包覆保温材料，在保温材料的相应位置预留挤压凸模、线材进出口的位置，避免挤压凹模的热量过快地传递到气氛箱中。
(4)在挤压凹模与工作台之间设置有隔热板，避免挤压凹模的热量过快地传递给工作台。
(5)在线材的出口处设置有保护气体喷管，通过冷却气体系统提供高压惰性气体，使包覆了非晶态合金的线材的温度尽快降至室温附近，避免非晶态合金包覆层的氧化；另外，也对包覆在线材表面非晶态合金进行冷却，避免包覆在线材表面的非晶态合金晶化。
(6)挤压模具只有挤压凹模和挤压凸模组成，结构简单，维护方便，加工成本低。
(7)在工装中设置有牵引及线材收取装置，减小非晶态合金在成形室中的流动阻力，加快线材包覆非晶态合金的速度；牵引及线材收取装置以恒力的方式对线材施加牵引力。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为本发明装置模具部分的剖视图；
图3为图2的前视图；
图4为图2的局部放大图；
图5为本发明气氛箱内的结构示意图；
图6本发明装置模具部分的爆炸图；
图7为本发明装置模具部分的装配图；
图8为冷却气体系统结构示意图；
图9为坯料室、焊合室、成形室及管材外径定形部分的示意图；
其中，1、螺钉，2、挤压凹模上拼块，3、需要包覆非晶态合金的线材，4、挤压凹模下拼块，5和5a和5b、挤压凸模，6、非晶态合金坯料，7、保护气体喷管，8、包覆在线材表面的非晶态合金，9、销钉，10、电热元件，11、温度测量装置，12、挤压凹模，13、线材供应装置，14、线材牵引及收取装置，15a和15b、油缸，16、温度控制器，17、冷却气体系统，18、真空泵，19、气氛箱，20、液压系统，21、工作台，22、隔热板，23、保温材料层，24、气体压缩机，25、油水分离器，26、储气罐，27、压力表。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和实施例进一步说明。
通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，包括线材供应装置13、线材牵引及收取装置14、非晶态合金坯料操作系统、挤压凹模12、挤压凸模5a和5b、工作台21，挤压凹模分为挤压凹模上拼块2和挤压凹模下拼块4，挤压凹模上拼块2和挤压凹模下拼块4上分别设有线材通道槽、挤压凸模配合槽、坯料槽、焊合室槽和成形室槽，两者拼合时能形成线材通道、挤压凸模通道、坯料室、焊合室和成形室，其中线材通道、挤压凸模通道方向垂直，坯料室、挤压凸模通道在一条线上，焊合室、成形室与线材通道在一条线上，在线材通道的两侧各设有一个坯料室和一个挤压凸模通道，挤压凹模上拼块2和挤压凹模下拼块4紧固在一起，所述的挤压凹模中设有电热元件10、温度测量装置11，两者均与温度控制器16相连接。
所述的挤压凹模周围包覆保温材料层23，在保温材料层23的相应位置预留挤压凸模、线材的进出口。
所述的线材通道的出口处设置有保护气体喷管7，保护气体喷管7通过储气罐26连接油水分离器25，油水分离器25通过气体压缩机24与真空泵18连接，这些组成冷却气体系统。
所述的线材供应装置13、线材牵引及收取装置14、挤压凹模12、挤压凸模5a和5b均设置在气氛箱19内，气氛箱19连着真空泵18。
所述的挤压凹模与工作台之间设置有隔热板22。所述的挤压凸模与液压系统油缸的柱塞相连接。
冷却气体系统、温度控制系统、气氛箱、真空泵、线材供应装置、线材牵引及收取装置、挤压模具、液压系统等部分均通过螺钉紧固在工作台上；在挤压过程中，为了保证挤压凹模的精度，避免由于挤压力的作用导致挤压凹模的两块拼块沿着拼合面分开，利用螺钉和销钉将挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块紧固在一起。
在挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块中设置有电热元件和温度测量装置。温度控制器根据温度测量装置测试得到的挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块的温度，控制电热元件的电力供应，从而将挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块的温度控制在要求的范围之内。
在挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块中设置有需要包覆非晶态合金的线材的通道，通道与线材之间的单边间隙为0.02～0.04mm，即可保证线材顺利通过，又可通过挤压凹模将热量传递给线材，对线材进行预热。
在两个坯料室各放入一块非晶态合金坯料，两块坯料的尺寸相同，利用挤压凹模将热量传递给非晶态合金坯料，从而将非晶态合金坯料加热至玻璃化温度以上。由液压系统为油缸提供液压，通过挤压凸模对非晶态合金坯料施加压力，在挤压过程中，两个挤压凸模所受的压力相同，从而保证两块非晶态合金坯料以相同的速度进行挤压变形。两块非晶态合金坯料在焊合室熔合成一体，并将线材包围，焊合以后的非晶态合金坯料和线材一起向成形室移动，并持续地挤出成形室。在线材包覆过程中，由成形室的尺寸和线材的直径决定了非晶态合金包覆层的厚度。
通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的工艺过程如下：
(1)将线材插入挤压凹模中的线材通道，并保证线材从成形室的出口位置露出，用线材牵引及收取装置夹持住露出的线材端部。
(2)由电热元件对挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块进行加热。
(3)将数块非晶态合金坯料放入气氛箱，启动真空泵将气氛箱中的空气抽出，抽出的气体排入大气中，并真空度达到0.001Pa时，关闭真空泵。
(4)打开冷却气体系统，气体通过保护气体喷管对挤压凹模的线材出口和线材进行冷却；开启真空泵，由真空泵抽出的保护气体输送给气体压缩机。
(5)利用液压系统控制油缸的柱塞回退，将挤压凸模从挤压凸模通道中抽出。
(6)通过非晶态合金坯料操作系统把两块非晶态合金坯料分别放入挤压凹模中的两个坯料室。
(7)利用液压系统控制油缸的柱塞伸出，将挤压凸模插入挤压凸模通道，并通过挤压凸模把非晶态合金坯料压紧。
(8)当挤压凹模的温度达到玻璃化温度以上，而且保持温度恒定2～3分钟后，将液压系统切换为挤压模式，通过柱塞、挤压凸模将压力传递给非晶态合金坯料；非晶态合金坯料发生塑性流动、焊合，包覆了非晶态合金的线材通过挤压凹模的线材出口位置挤出；在包覆过程中由线材牵引及收取装置对线材施加恒定的牵引力。
(9)如果要持续地包覆大量的线材，转到第(5)步；更换坯料后，通过非晶态合金界面之间的压力，利用温度和压力促进金属原子的扩散，将非晶态合金坯料焊接在一起。
如果挤压结束，关闭保护气体系统，停止挤压凹模的加热；等模具冷却至室温附近时，将包覆了非晶态合金的线材沿着挤压凹模的出口位置切断，将挤压模具从工作台上卸下；松开螺钉等紧固部件，拆开挤压凹模，将剩余非晶态合金坯料去除；最后，将挤压模具组合并紧固，以备下次使用。
实施例：
线材的材料为紫铜导线，直径为1mm；包覆在紫铜导线外层的非晶态合金为Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8。非晶态合金Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8的玻璃化温度和晶化温度分别为385℃和470℃，在加热温度为405℃时，可以保温30分钟而没有晶化现象，可以满足包覆工艺的要求。在包覆非晶态合金时，通过温度控制器将挤压筒和定形套的加热温度控制在403℃～407℃。包覆时所用的牵引力为100N，包覆的非晶态合金厚度为0.1mm。保护气体为氮气。
Claims (9)
1.通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，包括线材供应装置、线材牵引及收取装置、非晶态合金坯料操作系统、挤压凹模、挤压凸模、工作台，其特征是，挤压凹模分为挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块，挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块上分别设有线材通道槽、挤压凸模配合槽、坯料槽、焊合室槽和成形室槽，两者拼合时能形成线材通道、挤压凸模通道、坯料室、焊合室和成形室，其中线材通道、挤压凸模通道方向垂直，坯料室、挤压凸模通道在一条线上，焊合室、成形室与线材通道在一条线上，在线材通道的两侧各设有一个坯料室和一个挤压凸模通道，所述的线材通道的出口处设置有保护气体喷管，挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块紧固在一起，所述的挤压凹模中设有电热元件、温度测量装置，两者均与温度控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的挤压凹模周围包覆保温材料层，在保温材料层的相应位置预留挤压凸模、线材的进出口。
3.根据权利要求1所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的保护气体喷管通过储气罐连接油水分离器，油水分离器通过气体压缩机与真空泵连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的线材供应装置、线材牵引及收取装置、挤压凹模、挤压凸模均设置在气氛箱内，气氛箱连着真空泵。
5.根据权利要求1、2或3所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的挤压凹模与工作台之间设置有隔热板。
6.根据权利要求1所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的挤压凸模与液压系统油缸的柱塞相连接。
7.根据权利要求1所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的线材通道与线材之间的单边间隙为0.02～0.04mm。
8.根据权利要求1所述的通过非晶态合金多向挤压对线材进行包覆的装置，其特征是，所述的挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块通过螺钉和销钉紧固在一起。
9.利用权利要求1-8任意一项所述装置对线材进行包覆的工艺，其特征是，包括步骤如下：
(1)将线材插入挤压凹模中的线材通道，并保证线材从挤压凹模出口露出，用线材牵引及收取装置夹持住露出的线材端部；
(2)由电热元件对挤压凹模上拼块和挤压凹模下拼块进行加热；
(3)将数块非晶态合金坯料放入气氛箱，启动真空泵将气氛箱中的空气抽出，抽出的气体排入大气中，并真空度达到0.001Pa时，关闭真空泵；
(4)打开保护气体喷管，保护气体通过保护气体喷管对挤压凹模的线材出口和线材进行冷却；
(5)将挤压凸模从挤压凸模通道中抽出；
(6)非晶态合金坯料操作系统把两块非晶态合金坯料分别放入挤压凹模中的两个坯料室；
(7)将挤压凸模插入挤压凹模，并通过挤压凸模把非晶态合金坯料压紧；
(8)当挤压凹模的温度达到玻璃化温度以上，而且保持温度恒定2～3分钟后，切换为挤压模式，挤压凸模将压力传递给非晶态合金坯料；非晶态合金坯料发生塑性流动、焊合，包覆了非晶态合金的线材通过挤压凹模的线材出口位置挤出并冷却；在包覆过程中由牵引及线材收取装置对线材施加恒定的牵引力；
(9)如果要持续地包覆大量的线材，转到第(5)步；更换非晶态合金坯料后，通过非晶态合金界面之间的压力，将非晶态合金坯料焊接在一起。
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