CN107931974A - 一种非晶合金的高效加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非晶合金的高效加工方法，包括以下步骤：S1、粗加工：采用机床对合金被加工区域进行机械粗加工，加热使被加工区域升温，升温温度介于合金的晶化温度Tx与合金的熔化温度Tm之间，使合金被加工区域表面材料发生晶化；S2、精加工：采用机床对被加工区域进行机械精加工，去除被加工区域残留的晶化区域；其中，步骤S2精加工的同时对被加工区域进行冷却润滑，冷却温度介于合金的玻璃转化温度Tg与合金的晶化温度Tx之间，本发明非晶合金加工方法能够保持已加工表面非晶态，避免了室温加工中的不当升温和降温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面；可以避免材料高对加工刀具造成的损伤，延长刀具使用寿命，降低加工成本。

Description

一种非晶合金的高效加工方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种非晶合金的高效加工方法。
背景技术
非晶合金又称金属玻璃，是采用压铸或吸铸法等铸造方法，利用熔体过冷形成非晶态结构材料的合金，在微观尺度上为单一均匀结构，不含空位、位错、晶界等晶体缺陷；具有优异的高强度、高硬度、高弹性极限以及良好的耐腐蚀和耐磨性。非晶合金所具有的结构特点虽然为工程应用提供了优异的新型材料，但也极大地限制了该类合金材料的二次加工制造，包括对该合金材料局部的车削、铣削、钻削、刨削、磨削等机械加工。非晶合金室温下为非晶态组织，当变形温度上升至玻璃转化温度Tg时，合金组织转变为过冷液相态；若变形温度进一步上升至晶化温度Tx，合金组织发生结晶、转变为晶态，合金失去原有的优异力学性能与化学性能。由于非晶合金晶化温度Tx低，采取传统金属加工手段加工非晶合金时，为防止已加工表面发生晶化，需要极大降低切削速度、进给量和背吃刀量，导致非晶合金加工效率极低。缺少合适的加工方法已成为制约非晶合金材料产业化应用的重要障碍。
非晶合金室温塑性差；合金晶化后虽然塑性好，但丧失了非晶优异性能；而过冷液相态下的合金不仅表现出良好的塑性，同时当变形温度下降至玻璃转化温度Tg以下时，合金组织恢复为非晶态。目前已公开了一种利用摩擦生热方式使合金处于过冷液相态的加工方法；但非晶合金为亚稳态材料，加工过程中不当的升温和降温易引起材料的晶化行为，使材料丧失非晶优异性能，且利用外部摩擦生热方法增加了非晶合金产品的加工工序和生产成本，不利于应用于机械加工生产实践。
因此，为了使非晶合金能够实现工业化加工，需要一种能够保持已加工表面非晶态的适应于非晶合金的高效加工方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种能够保持已加工表面非晶态的适应于非晶合金的高效加工方法。
发明的目的通过以下技术方案实现：
一种非晶合金的高效加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、粗加工：采用机床对合金被加工区域进行机械粗加工，加热使被加工区域升温，升温温度介于合金的晶化温度Tx与合金的熔化温度Tm之间，使合金被加工区域表面材料发生晶化；
S2、精加工：采用机床对被加工区域进行机械精加工，去除被加工区域残留的晶化区域；
其中，步骤S2精加工的同时对被加工区域进行冷却润滑，冷却温度介于合金的玻璃转化温度Tg与合金的晶化温度Tx之间。
粗加工时，待加工区域的温度超过合金对应的晶化温度Tx时，合金待加工区域表面材料发生晶化，再通过精加工除去粗加工时形成的残留晶化区域，粗加工形成的晶化表面材料硬度和强度降低，有利于合金的精加工，减少因合金材料强度高、硬度高导致加工刀具的损伤，精加工的冷却温度介于合金的玻璃转化温度Tg与合金的晶化温度Tx之间，使精加工形成的加工表面保持过冷液相态，加工完毕后，合金冷却至玻璃转化温度Tg以下，合金材料从过冷液相恢复为非晶态，保持了非晶态合金优异的力学性能，采用本发明提供的方法，在无需增加加工工序的条件下，避免了室温加工中的不当升温和降温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面；同时，可以避免因材料高强度高硬度的特性对加工刀具造成的损伤，延长加工刀具使用寿命，降低材料加工成本。
优选的，步骤S2中采用液体介质冷却润滑。
进一步的，液体介质为切削液、切削油、油水混合物中的至少一种。
采用切削液、切削油、油水混合物，冷却润滑效果好。
优选的，合金为非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物。
进一步的，非晶合金的组成为为ZraCubAlc(Ni, Ag)dRe，其中R选自Ti、Be、Fe、Nb、Cr、Co、Mn和Hf中的一种，a、b、c、d和e为各元素在所述非晶合金中对应的重量份数，分别为：30≤a≤70、10≤b≤50、0≤c≤20、1≤d≤27、0≤e≤25。
该类合金具有较高的玻璃转化温度、晶化温度以及较大的临界尺寸，同时具有高达1400 MPa的抗压强度，适合采用本发明的加工方法。
更进一步的，非晶合金的组成为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14、Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84和Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5中的至少一种。
优选的，步骤S1中利用机床的刀具与合金的摩擦和合金变形热量使被加工区域升温。
利用机床的刀具与合金的摩擦和合金变形热量升温，热量仅存在于切削区域（即刀具与合金发生切削的区域），因此只有切削区域的合金升温，发生晶化，对合金整体的力学性能影响较小。
优选的，步骤S1中机床的切削速度Vc1，90 m/min≤Vc1≤150 m/min；机床的进给量f1，500 mm/min≤f1≤2000 mm/min。
步骤S1中机床采用上述加工参数，粗加工高效，刀具不易损坏。
优选的，步骤S2中的机床的切削速度Vc2，0 m/min＜Vc2≤90 m/min；机床的进给量f2，0 mm/min＜f2≤500 mm/min。
步骤S1中机床采用上述加工参数，精加工后合金加工部分完整，加工精度高。
优选的，步骤S1和/或步骤S2中机床加工用的刀具为硬质合金涂层刀具。
采用硬质合金涂层刀具，刀具加工过程中不易磨损，使用寿命长。
本发明加工方式适用于传统的采用机床的加工方式，例如车削、刨销、铣削、钻削、磨削等。
本发明的有益效果：
1、粗加工时，待加工区域的温度超过合金对应的晶化温度Tx时，合金待加工区域表面材料发生晶化，再通过精加工除去粗加工时形成的残留晶化区域，粗加工形成的晶化表面材料硬度和强度降低，有利于合金的精加工，减少因合金材料强度高、硬度高导致加工刀具的损伤，精加工的冷却温度介于合金的玻璃转化温度Tg与合金的晶化温度Tx之间，使精加工形成的加工表面保持过冷液相态，加工完毕后，合金冷却至玻璃转化温度Tg以下，合金材料从过冷液相恢复为非晶态，保持了非晶态合金优异的力学性能，采用本发明提供的方法，在无需增加加工工序的条件下，避免了室温加工中的不当升温和降温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面；同时，可以避免因材料高强度高硬度的特性对加工刀具造成的损伤，延长加工刀具使用寿命，降低材料加工成本。
2、非晶合金的组成为为ZraCubAlc(Ni, Ag)dRe，其中R选自Ti、Be、Fe、Nb、Cr、Co、Mn和Hf中的一种，a、b、c、d和e为各元素在所述非晶合金中对应的重量份数，分别为：30≤a≤70、10≤b≤50、0≤c≤20、1≤d≤27、0≤e≤25；该类合金具有较高的玻璃转化温度、晶化温度以及较大的临界尺寸，同时具有高达1400MPa的抗压强度，适合采用本发明的加工方法。
3、利用机床的刀具与合金的摩擦和合金变形热量升温，热量仅存在于切削区域（即刀具与合金发生切削的区域），因此只有切削区域的合金升温，发生晶化，对合金整体的力学性能影响较小。
附图说明
图1为实施例1中粗加工切削过程工件各部位相态示意图；
图2为实施例1中粗加工后工件被加工表面材料XRD谱图;
图3为实施例1中粗加工后工件未被加工表面材料XRD谱图;
图4为实施例1中精加工切削过程工件各部位相态示意图。
具体实施方式
为了便于本领域人员理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
本实施例提供一种非晶合金的高效加工方法：将成分为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14的非晶合金制备成100 mm×20 mm×2 mm的非晶板材。该非晶合金的玻璃转化温度为410 ℃，晶化温度为493 ℃，熔化温度为673 ℃，硬度为493 HV，抗压强度为1400 MPa。
粗加工：将非晶合金板材至于加工机床上，采用DMU60T立式加工中心进行加工。刀具选用直径6 mm的6刃硬质合金涂层立铣刀对该非晶合金的被加工区域进行侧铣加工成面。设定粗加工参数为切削速度94 m/min、进给量1000 mm/min、轴向切深1 mm、径向切深0.2 mm，刀具与合金的摩擦和合金变形热量升温，使得粗加工阶段加工区域温度可达530℃，切削过程工件材料各部位相态如图1所示。
粗加工完成后对已加工表面和其他区域取样进行XRD测定。通过X射线衍射（XRD）方法，采用XRD衍射仪分析合金是否发生晶化。分析条件为：铜靶，入射波长λ=1.54060 Å，加速电压40 kV，电流20 mA，步进扫描2 °/min，衍射角2θ为20°至90°，得到XRD谱图。已加工表面材料XRD谱图如图2所示，谱图中出现尖锐的衍射峰，说明粗加工后的已加工表面材料已发生晶化；测定粗加工后已加工表面材料的晶化厚度为0.045 mm。其他区域XRD谱图如图3所示，谱图中仅有馒头峰型衍射峰，说明粗加工过程中其他区域材料仍为非晶态。
精加工：选用直径为2mm的4刃硬质合金涂层立铣刀，对粗加工后的合金工件再次进行侧铣加工成面。设定精加工参数为切削速度60 m/min、进给量200 mm/min、轴向切深1mm、径向切深0.045 mm；同时采用高压低温冷风配合微量切削油水混合物对加工区域进行冷却和润滑，使得精加工阶段加工区域温度为146 ℃，切削过程工件材料各部位相态如图4所示。
精加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图如图3所示。谱图中尖锐衍射峰消失，出现馒头峰型的衍射峰，说明加工后的表面仍为非晶结构。
粗加工阶段的加工表面无精度要求，因此粗加工阶段所使用刀具可重复使用。精加工所使用刀具，测试刀具为1000小时。精加工完成的非晶板材的加工部位没有发生破损，板材的尺寸和形状完整。
实施例2：
本实施例提供一种非晶合金的高效加工方法：将成分Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84的非晶合金制备成直径6 mm，长度180 mm的非晶棒材。该非晶合金的玻璃转化温度为410 ℃，晶化温度为493 ℃，熔化温度为673 ℃，硬度为493 HV，抗压强度为1400 MPa。
粗加工：将非晶棒材至于加工机床上，采用G-100全功能数控车床进行加工。刀具选用粗加工用硬质合金涂层车刀片对该非晶合金的被加工区域进行外圆车削。设定粗加工参数为切削速度120 m/min，进给量500 mm/min,切削深度0.5 mm, 刀具与合金的摩擦和合金变形热量升温，使得粗加工阶段技工区域温度可达580 ℃，切削过程工件材料各部相态与图1相同。
粗加工完成后对已加工表面和其他区域取样进行XRD测定。通过X射线衍射（XRD）方法，采用XRD衍射仪分析合金是否发生晶化。分析条件为：铜靶，入射波长λ=1.54060 Å，加速电压40 kV，电流20 mA，步进扫描2 °/min，衍射角2θ为20°至90°，得到XRD谱图。已加工表面材料XRD谱图与图2相同，说明粗加工后的已加工表面材料已发生晶化；测定粗加工后已加工表面材料的晶化厚度为0.05 mm。其他区域XRD谱图与图3相同，说明粗加工过程中其他区域材料仍为非晶态。
精加工：选用精加工用硬质合金涂层刀具车刀片，对粗加工后的合金工件再次进行外圆车削。设定精加工参数为切削速度40 m/min、进给量为200 mm/min、切削深度0.05mm；同时采用高压低温冷风配合微量切削油水混合物对加工区域进行冷却和润滑，使得精加工阶段加工区域温度为260 ℃，切削过程工件材料各部位相态与图4相同。
精加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图与图3相同，说明加工后的表面仍为非晶结构。
粗加工阶段的加工表面无精度要求，因此粗加工阶段所使用刀具可重复使用。精加工所使用刀具，测试刀具为1500小时。精加工完成的非晶棒材的加工部分尺寸和形状完整。
实施例3
本实施例提供一种非晶合金的高效加工方法：将成分Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5的非晶合金制备成80 mm×20 mm×1 mm的非晶板材。该非晶合金的玻璃转化温度为430 ℃，晶化温度为510 ℃，熔化温度为698 ℃，硬度为500 HV，抗压强度为1800 MPa。
粗加工：将非晶合金板材至于加工机床上，采用DMU60T立式加工中心进行加工。刀具选用直径6 mm的6刃硬质合金涂层立铣刀对该非晶合金的被加工区域进行侧铣加工成面。设定粗加工参数为切削速度120 m/min、进给量600 mm/min、轴向切深1 mm、径向切深0.1 mm，具与合金的摩擦和合金变形热量升温，使得粗加工阶段加工区域温度可达550 ℃，切削过程工件材料各部位相态与图1相同。
粗加工完成后对已加工表面和其他区域取样进行XRD测定。通过X射线衍射（XRD）方法，采用XRD衍射仪分析合金是否发生晶化。分析条件为：铜靶，入射波长λ=1.54060 Å，加速电压40 kV，电流20 mA，步进扫描2 °/min，衍射角2θ为20°至90°，得到XRD谱图。已加工表面材料XRD谱图与图2相同，说明粗加工后的已加工表面材料已发生晶化；测定粗加工后已加工表面材料的晶化厚度为0.038 mm。其他区域XRD谱图与图3相同，说明粗加工过程中其他区域材料仍为非晶态。
精加工：选用直径为2mm的4刃硬质合金涂层立铣刀，对粗加工后的合金工件再次进行侧铣加工成面。设定精加工参数为切削速度60 m/min、进给量300 mm/min、轴向切深1mm、径向切深0.038 mm；同时采用高压低温冷风配合微量切削油水混合物对加工区域进行冷却和润滑，使得精加工阶段加工区域温度为138 ℃，切削过程工件材料各部位相态与图4相同。精加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图如图3所示，说明加工后的表面仍为非晶结构。
粗加工阶段的加工表面无精度要求，因此粗加工阶段所使用刀具可重复使用。精加工所使用刀具，测试刀具为800小时。精加工完成的非晶板材的加工部位没有发生破损，板材的尺寸和形状完整。
对比例1
将成分为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14的非晶合金制备成100mm×20mm×2mm的非晶板材。该非晶合金的玻璃转化温度为410 ℃，晶化温度为493 ℃，熔化温度为673 ℃，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa。将非晶合金板材至于加工机床上，采用DMU 60T立式加工中心进行加工。采用硬质合金刀具选用直径6 mm的6刃硬质合金涂层立铣刀对该非晶合金的待加工部位进行侧铣加工成面。设定加工参数为切削速度60 m/min、进给量200 mm/min、轴向切深1 mm、径向切深0.2 mm。加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定。已加工表面XRD谱图与图2相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化。测试刀具寿命为20小时。
对比例2
将成分Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84的非晶合金制备成直径6mm，长度180mm的非晶棒材。该非晶合金的玻璃转化温度为410 ℃，晶化温度为493 ℃，熔化温度为673 ℃，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa。将非晶棒材至于加工机床上，采用G-100全功能数控车床进行加工。刀具选用硬质合金涂层车刀片对该非晶合金的待加工部位进行外圆车削。设定加工参数为切削速度50 m/min，进给量200 mm/min，切削深度0.5 mm。加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定。已加工表面XRD谱图与图2相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化。测试刀具寿命为15小时。
对比例3
将成分Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5的非晶合金制备成80mm×20mm×1mm的非晶板材。该非晶合金的玻璃转化温度为430 ℃，晶化温度为510 ℃，熔化温度为698 ℃，硬度为500 HV，抗压强度为1800 MPa。将非晶合金板材至于加工机床上，采用DMU 60T立式加工中心进行加工。刀具选用直径6 mm的6刃硬质合金涂层立铣刀对该非晶合金的待加工部位进行侧铣加工成面。设定加工参数为切削速度60 m/min、进给量200 mm/min、轴向切深1 mm、径向切深0.1 mm。加工完成后对已加工表面取样进行XRD测定。已加工表面XRD谱图与图2相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化；测试刀具寿命为25小时。
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非晶合金的高效加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、粗加工：采用机床对合金被加工区域进行机械粗加工，加热使被加工区域升温，升温温度介于合金的晶化温度Tx与合金的熔化温度Tm之间，使合金被加工区域表面材料发生晶化；
S2、精加工：采用机床对被加工区域进行机械精加工，去除被加工区域残留的晶化区域；
其中，步骤S2精加工的同时对被加工区域进行冷却润滑，冷却温度介于合金的玻璃转化温度Tg与合金的晶化温度Tx之间。
2.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，步骤S2中采用液体介质冷却润滑。
3.根据权利要求2所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，液体介质为切削液、切削油、油水混合物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，合金为非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物。
5.根据权利要求4所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，非晶合金的组成为ZraCubAlc(Ni, Ag)dRe，其中R选自Ti、Be、Fe、Nb、Cr、Co、Mn和Hf中的一种，a、b、c、d和e为各元素在所述非晶合金中对应的重量份数，分别为：30≤a≤70、10≤b≤50、0≤c≤20、1≤d≤27、0≤e≤25。
6.根据权利要求5所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，非晶合金的组成为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14、Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84和 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，步骤S1中利用机床的刀具与合金的摩擦和合金变形热量升温。
8.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，步骤S1中机床的切削速度Vc1，90 m/min≤Vc1≤150 m/min；机床的进给量f1，500 mm/min≤f1≤2000 mm/min。
9.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，步骤S2中的机床的切削速度Vc2，0 m/min＜Vc2≤90 m/min；机床的进给量f2，0 mm/min＜f2≤500 mm/min。
10.根据权利要求1所述的非晶合金的高效加工方法，其特征在于，步骤S1和/或步骤S2中机床加工用的刀具为硬质合金涂层刀具。
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