CN104942267A - 非真空条件下非晶合金快速成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法，在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状。从而实现非晶合金在非真空条件下的快速成形。本发明的在非真空条件下就可以实施，也不需要特别的气体保护，大大降低了非晶合金成形所需的外在条件，操作简单方便，成本低，电流加热升温快速，所需时间短，加热效率高，并且产品不易被氧化。本发明的非晶合金的成形方法简单实用、实施方便、效率高，能够有效的提高非晶合金产品的成形效率，降低生产成本。

Description

非真空条件下非晶合金快速成形的方法

技术领域：

本发明属于非晶合金材料加工成型技术领域，具体涉及一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法。

背景技术：

非晶合金由于具有高强度、高硬度、耐蚀耐磨性良好、磁学性能和抗辐射性良好等优异性能，在精密仪器、航空航天、微电子、微型机械、汽车、体育器材等领域具有广泛的应用前景。目前已经发现的几十种块体非晶合金体系中，锆铜基(ZrCu)非晶合金具有良好的非晶形成能力、宽广的非晶形成成分区间、高的热稳定性和优异的机械性能、不含贵金属和有毒元素并且制备工艺简单等特点，在材料性能、制备工艺、成本、无毒等方面展现出全面的优势，具有潜在的应用价值。

非晶合金具有室温脆性、高强度、高硬度的特点，导致这类材料属于典型的难加工材料，通常的车、磨、洗、刨、钻等机械加工手段均难以实现非晶合金材料的加工成形。

因此，为了减少非晶合金后续加工工序，目前非晶合金材料的零部件的成形通常采用近净成形方法，近净成形方法主要包括铸造成形和过冷液相区超塑性成形两种，其中，铸造成形是指非晶合金在熔融液态的情况下浇进模具中成形的加工方式。由于非晶合金的亚稳态结构和充型能力和快速冷却之间的矛盾，铸造成形只能制备形状较为简单的制品，对于形状复杂和薄壁轻巧的制品则难以实现。

非晶合金的超塑性成形是利用非晶合金在过冷液相区DT _x ，即玻璃转化温度T _g与晶化开始温度T _x之间存在的一个温度区间，大块非晶合金具有非常好的超塑性性能，呈现大延伸、易成形及低应力等特性来制备非晶制件的方法。相比于铸造成形法，超塑性成形温度低，易于实现制件加工成形。现有的超塑性成形方法包括挤压成形、压缩成形、吹塑成形和微加工成形等多种方法。这些方法大多采用热传导或热辐射的方式升温材料，为了消除材料内部与表层间温度差异，通常需要对材料进行保温操作，这往往导致非晶合金易发生晶化。此外，为了避免较长的升温和成形时间极易造成的非晶合金氧化，现有的超塑性成形通常是在真空或气体保护的条件下进行，实施起来工序繁琐，操作复杂，成本高。

发明内容：

综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法，它是在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具3的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状，从而实现非晶合金在非真空条件下的快速成形。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其中：在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状，所述的非晶合金是以锆和铜为主要成份，其组成用如下公式表示：(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)_100-xM_x，其中，元素M为Si或为Nb，0≤x≤5。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：包括以下工艺步骤：

（1）将非晶合金加工成所需尺寸大小的坯件；

（2）将坯件的将与电流加热装置的电极接触的表面研磨平整光滑；

（3）将坯件放入电流加热装置中进行升温加热，直至坯件升温至过冷液相区；

（4）向加热后的坯件施加机械力，使坯件在模具中成形，至此完成非晶合金零件的成形。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的加热非晶合金用的电流为直流电。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的机械力为挤压力。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的电流加热装置包括底座、下电极、模具、上电极及压座，下电极设置在底座上，模具设置在下电极上，上电极与下电极分别与电源的正负极连通，坯件连通上电极与下电极。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：第（2）步骤中在研磨坯件的与电极接触的表面时，采用500目、1000目、1200目的水砂纸对坯件的与电极接触的表面进行三次逐级打磨，使坯件与电极接触的表面平整光滑。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的坯件为直径3-10毫米的棒状非晶合金坯件时，在第（3）步骤中通入电流的电压为2-10伏特、电流强度为100-300安培，通电时间1-9秒。

本发明的技术方案还可以是这样实现的：所述的坯件为直径3-10毫米的棒状非晶合金坯件时，在第（4）步骤中施加的机械力的大小为200-1000牛顿。

本发明的有益效果为：

1、本发明是在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状，从而实现非晶合金在非真空条件下的快速成形。

2、本发明通过电流加热的方式将非晶合金材料升温到过冷液相区，由于电流加热是利用材料自身的电阻使电能转变为热能，升温速度快并且材料受热均匀。

3、本发明的在非真空条件下就可以实施，也不需要特别的气体保护，大大降低了非晶合金成形所需的外在条件，操作简单方便，成本低。

4、本发明的通过电流加热的方式使非晶合金材料升温，升温快速，所需时间短，加热效率高，并且产品不易被氧化。

5、本发明的非晶合金的成形方法简单实用、实施方便、效率高，能够有效的提高非晶合金产品的成形效率，降低生产成本。

附图说明

 图1为本发明的电流加热装置示意图；

图2为本发明的材料成份为 (Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Si₂的鼓状非晶合金零件结构示意图；

图3为本发明图2中的非晶合金零件的X射线衍射曲线图；

图4为本发明的材料成份为(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Nb₂的多边形非晶合金零件结构示意图；

图5为本发明图4中的非晶合金零件的X射线衍射曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

如图1、图2、图3所示，一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法，在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具3的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状。所述的非晶合金是以锆和铜为主要成分，其组成用如下公式表示：(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)_100-xM_x，其中，元素M为Si或为Nb，0≤x≤5。

生产一种材料成份为 (Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Si₂的鼓状非晶合金零件，具体工艺步骤如下：

（1）将非晶合金(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Si₂加工成棒状坯件7，其具体尺寸为：f3mm′5mm；

（2）采用500目、1000目、1200目的水砂纸对棒状坯件7的上下表面逐级打磨，使棒状坯件7上下表面平整光滑；

（3）将棒状坯件7放入图1所示的电流加热装置中，电流加热装置包括底座1、下电极2、模具3、上电极4及压座5，下电极2设置在底座1上，模具3设置在下电极2上，上电极4与下电极2分别与电源6的正负极连通，坯件7连通上电极4与下电极2。

棒状坯件7的上下表面分别连接电加热装置的上电极4及下电极2，棒状坯件7从鼓状模具3中穿过，上电极4及下电极2接通直流电源6，对棒状坯件7进行升温加热，直流电的电压为3伏特，电流强度为100安培，设定通电时间为7秒；

（4）向加热后的棒状坯件7施加向下的压力，压力大小为400牛顿，使坯件7在鼓状模具3中快速成形，至此完成材料成份为 (Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Si₂的鼓状非晶合金零件的成形加工。

如图2所示，为成形后的材料成份为 (Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Si₂的鼓状非晶合金零件的示意图，零件表面保留非晶合金具有的金属光泽。经测试分析，经上述工艺加工出的鼓状非晶合金零件为完全非晶态，并且没有发生氧化。成形非晶合金零件的X射线衍射曲线结果如图3所示。另外，本实施例的加工过程完全在大气环境下进行，成形过程没有气体保护也没有抽取真空。

实施例二：

如图4、图5所示，重复实施例一，有以下不同点：

生产一种材料成份为(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Nb₂的多边形非晶合金零件，具体工艺步骤如下：

（1）将非晶合金(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Nb₂加工成棒状坯件7，其具体尺寸为：f5mm′10mm；

（2）采用500目、1000目、1200目的水砂纸对棒状坯件7的上下表面逐级打磨，使棒状坯件7上下表面平整光滑；

（3）将棒状坯件7放入图1所示的电流加热装置中，棒状坯件7的上下表面分别连接电加热装置的上电极4及下电极2，棒状坯件7从多边形模具3中穿过，多边形模具3可选择梅花扳手，上电极4与电极接通直流电源6，对棒状坯件7进行升温加热，直流电的电压为3伏特，电流强度为120安培，设定通电时间为9秒；

（4）向加热后的棒状坯件7施加向下的压力，压力大小为600牛顿，使坯件7在多边形模具3中快速成形，至此完成材料成份为(Zr₄₇Cu₄₄Al₉)₉₈Nb₂的多边形非晶合金零件的成形加工。

成形后零件如图4所示。经测试分析，成形后零件为完全非晶态，并且没有发生氧化。成形后零件的X射线衍射曲线结果如图5所示。本实施例是在大气环境下进行，成形过程没有气体保护。

要说明的是，上述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：在非真空且无气体保护的条件下，通过电流加热非晶合金，非晶合金快速升温到过冷液相区，然后再对非晶合金施加机械力，在机械力与模具（3）的作用下，使非晶合金成形为所需的零部件的形状，所述的非晶合金是以锆和铜为主要成份，其组成用如下公式表示：                                                ，其中，元素M为Si或为Nb，0≤x≤5。

2.根据权利要求1所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

（1）将非晶合金加工成所需尺寸大小的坯件（7）；

（2）将坯件（7）的将与电流加热装置的电极接触的表面研磨平整光滑；

（3）将坯件（7）放入电流加热装置中进行升温加热，直至坯件（7）升温至过冷液相区；

（4）向加热后的坯件（7）施加机械力，使坯件（7）在模具（3）中成形，至此完成非晶合金零件的成形。

3.根据权利要求1或2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：所述的加热非晶合金用的电流为直流电。

4.根据权利要求1或2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：所述的机械力为挤压力。

5.根据权利要求2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：所述的电流加热装置包括底座（1）、下电极（2）、模具（3）、上电极（4）及压座（5），下电极（2）设置在底座（1）上，模具（3）设置在下电极（2）上，上电极（4）与下电极（2）分别与电源（6）的正负极连通，坯件（7）连通上电极（4）与下电极（2）。

6.根据权利要求2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：第（2）步骤中在研磨坯件（7）的与电极接触的表面时，采用500目、1000目、1200目的水砂纸对坯件（7）的与电极接触的表面进行三次逐级打磨，使坯件（7）与电极接触的表面平整光滑。

7.根据权利要求2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：所述的坯件（7）为直径3-10毫米的棒状非晶合金坯件（7）时，在第（3）步骤中通入电流的电压为2-10伏特、电流强度为100-300安培，通电时间1-9秒。

8.根据权利要求2所述的非真空条件下非晶合金快速成形的方法，其特征在于：所述的坯件（7）为直径3-10毫米的棒状非晶合金坯件（7）时，在第（4）步骤中施加的机械力的大小为200-1000牛顿。