CN108251767A - 一种非晶合金支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶合金支架及其制备方法，所述支架由非晶合金制成，所述非晶合金相对磁导率为0.99‑1.02。所述支架维氏硬度大于350HV，抗拉强度为2500‑3000MPa，弹性极限为1.5‑3.0%；所述支架厚度为0.5‑1mm。本发明中的非晶合金支架比强度高，与同体系的常规晶态金属材料相比强度高2倍以上。本发明中的非晶合金支架根据不同的非晶合金体系采用热压成型或者铸造成型的方式进行成型加工，成型后的毛坯件经过简单的修边处理后即可投入使用，简化了后续处理的工序。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金制造领域，具体涉及一种非晶合金支架及其制备方法。
背景技术
现有技术中的3C类电子产品中许多都有利用支架结构，如平板电脑和智能手机中的结构件，用于支撑和防护作用。目前3C类电子产品的设计越来越向轻量化、功能集中、体积更小的方向发展，上述常规材料作为产品中用于连接、固定、支撑的部分，既要满足强度冲击性能等指标性的需求，又要尽可能做到更轻更薄。对于支架结构的要求是既要对需要相连的部件起到固定、保护、隔离的作用，又不能过重以及占用过多的空间，同时又要兼具耐磨性和装饰性。现有技术中的常用支架结构的选材为铝合金或者不锈钢材料。铝合金材料轻质且表面处理多样化、加工工艺成熟且价格低，但是具有强度低的缺点，不锈钢材料具有高强度但是密度高，不符合轻量化的趋势。由于铝合金材料和不锈钢材料具有上述不可克服的缺点，开发一款既轻便又具有较高强度硬度的支架对现代的轻量化产品来说非常迫切。
另一方面，对于平板电脑、智能手机等通讯类产品来说，支架结构不仅要起到支撑和防护的作用，而且还需要使通讯类产品能够有效的发出和接收信号，从而提升产品的适用性。从这个角度上看，大部分的金属材料（包括铝合金和不锈钢）对无线信号的干扰非常严重，而通讯产品中对内部零部件的固定及保护的要求较高，难以使用塑料类的支架，于是现阶段为了固定及保护内部零部件、又不影响无线信号的发出及接受，往往采用多个不连续的具有复杂结构的金属支架。这样不仅牺牲了大量的内部空间，同时造成零件制程复杂、产品组装工序增加、大大增加了生产成本高，也使产品的体积居高不下，难以具有竞争力。以智能手机为例，摄像头、话筒、指纹识别处均设有精密的电磁线圈，线圈功率与所需传输的信号强度有关。现有技术中此类电磁组件的保护支架常用不锈钢材料，不锈钢材料若导磁性过高，则容易放大电磁信号，造成设计信号与实际传输信号不匹配的情况，如果要让不锈钢材料的导磁性降低，则需要经过热处理将不锈钢内部微观结构转变成奥氏体，即在加工到所需尺寸和精度的基础上额外增加一步热处理的工序，不仅提升了整体的制造成本和工艺难度，而且热处理对金属材料尺寸和磁性变化不可预计，增加了工艺的不可靠性。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种高强度、低磁导率、净成型、加工工序少、低成本的非晶合金支架以及上述非晶合金支架的制备方法。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中的非晶合金支架由非晶合金制成，所述非晶合金相对磁导率为0.99-1.02。
进一步地，所述支架维氏硬度大于350HV，抗拉强度为2500-3000MPa，弹性极限为1.5-3.0%；所述支架厚度为0.5-1mm。
支架的用途往往用来起到支撑、保护、固定的作用，在现有技术中的支架根据工作环境和需求不同，采用较多的为金属类和塑料类。在电子产品中，塑料材质的支架由于塑料自身的强度有限，在绝大多数情况下无法进行应用，如难以满足跌落测试等严格测试的需求。金属材质的支架有镁、铝、钛、铜、钢铁等多种类型，在不同的需求条件下均有不同的应用。在金属类的支架中，材质轻的材料往往强度比较低，如镁合金、铝合金，材质较重的材料一般具有更高的强度，如铸铁、不锈钢、钨等。除了质量与强度难以平衡以外，金属材料对无线信号的干扰非常严重，为了固定及保护内部零部件、又不影响无线信号的发出及接受，往往采用多个不连续的具有复杂结构的金属支架结构，造成了工艺复杂、成本提升。本发明中利用比强度高的非晶合金材料作为支架结构的材质，同时限定所使用的支架结构的相对磁导率为0.99-1.02，在此范围内能够避免对无线信号的干扰。同时设定支架硬度大于HV350、抗拉强度为2500-3000MPa、弹性极限为1.5-3.0%、厚度为0.5-1mm，使支架同时满足强度要求和轻薄化需求。
进一步地，所述非晶合金为钛基非晶合金，其成分组成为TiaZrbCucBed、TiaZrbNicBed或者TiaZrbCucNidBee，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，35≤a≤52、15≤b≤30、8≤c≤20、8≤d≤20、15≤e≤30；所述钛基非晶合金相对磁导率为0.99-1。
优选地，所述支架的成型方式为：将非晶合金板/条/块/片加热至350-365℃热压成型后在102-103K/s冷却速率条件下冷却至室温。
进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为（Zr，Ti）a（Cu，Ni）bAlc，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，45≤a≤63、25≤b≤45、10≤c≤17；所述锆基非晶合金相对磁导率为1-1.01。
优选地，所述支架的成型方式为：将非晶合金板/条/块/片加热至400-450℃热压成型后在102-103K/s冷却速率条件下冷却至室温。
进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为（Zr，Hf）a（Cu，Ni，Co）b（Nb，Ti）c（Al，Be）dRee，其中Re为稀土元素， a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，49≤a≤62、12≤b≤30、3≤c≤12、12≤d≤23、0.02≤e≤1；所述锆基非晶合金相对磁导率为0.99-1。
优选地，所述支架的成型方式为：所述支架的成型方式为：将非晶合金原料在10-1-10-2MPa真空度条件、在900-1100℃温度下压铸成型。
进一步地，所述非晶合金为镍基非晶合金，其成分组成为Nia（Nb，Ti）b（B，Sn，Co）c，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，48≤a≤61、30≤b≤42、2≤c≤12；所述锆基非晶合金相对磁导率为1-1.01。
优选地，所述支架的成型方式为：将非晶合金原料在10-3-10-4MPa真空度条件、在1100-1300℃温度下重力铸造成型。
非晶合金有许多不同的体系，主要包括锆基非晶合金、钛基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金、镍基非晶合金、铁基非晶合金。非晶合金尽管力学性能上比对应体系的晶态合金更佳，但是从实际应用上看，合金组成对支架结构的应用存在较大的限制。如铁基非晶合金易导磁，也容易携带磁性，故不宜作为电子产品内组件使用。镁基非晶合金和铝基非晶合金从比强度上略低于锆基非晶合金、钛基非经合金和镍基非晶合金。采用本发明中的锆基非晶合金、钛基非晶合金和镍基非晶合金的组分能够制备出符合电子产品中使用的支架产品，满足对无线信号无影响、比强度高的需求。
除了本发明中提出的在3C电子产品中的应用，本发明中的非晶合金支架还可应用于工业机械、检测设备、汽车工业、医疗器械、航空航天、手表等与之相通的具有比强度和信号干扰要求的工业领域中。
本发明具有以下优点：
1、本发明中的非晶合金支架比强度高，与同体系的常规晶态金属材料相比强度高2倍以上。
2、本发明中的非晶合金支架根据不同的非晶合金体系采用热压成型或者铸造成型的方式进行成型加工，成型后的毛坯件经过简单的修边处理后即可投入使用，简化了后续处理的工序。
3、本发明中的非晶合金支架硬度高、耐磨性、耐蚀性好不需要进行表面硬化或者镀膜处理，同时相对磁导率低，不会与电子元器件发生耦合反应，不影响信号传输。
4、本发明中的非晶合金支架强度高，可以在产品设计时减少加强筋的设计，简化产品，增加可用空间，且加工过程中成型缩水量少、便于精确成型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
将成分组成为Ti40.5Zr25.2Cu9Ni8.3Be17的钛基非晶合金板采用电阻加热的方式将加热至350℃后采用压力成型，压制成厚度为0.8mm带有内部结构的汽车遥控钥匙外框，成型后采用风冷冷却的形式冷却至室温后脱模（5×102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外框相对磁导率为1.0，所制成的外框维氏硬度为550HV（HV5测试），抗拉强度为2580 MPa，弹性极限为2.1%。
实施例2
将成分组成为Ti51Zr15.9Cu9.7Ni8Be15.4的钛基非晶合金板采用电流加热形式加热至355℃压制成厚度为1mm的数码相机外框，成型后采用水冷形式冷却至室温后脱模（5×102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外框相对磁导率为1.0，所制成的外框维氏硬度为535HV（HV5测试），抗拉强度为2780 MPa，弹性极限为2.5%。
实施例3
将成分组成为Ti35Zr15Cu15Ni10Be25的钛基非晶合金板采用感应加热形式加热至365℃，压制成为厚度为0.5mm的优盘外壳，成型后采用水冷形式冷却至室温后脱模（5×102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外壳相对磁导率为0.99，所制成的外壳维氏硬度为574HV（HV5测试），抗拉强度为2810 MPa，弹性极限为1.9%。
实施例4
将成分组成为Ti48Zr29Cu15Be8的钛基非晶合金板采用感应加热形式加热至355℃，压制成为厚度为0.5mm的优盘外壳，成型后采用水冷形式冷却至室温后脱模（5×102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外壳相对磁导率为0.99，所制成的外壳维氏硬度为562HV（HV5测试），抗拉强度为2750 MPa，弹性极限为2.4%。
实施例5
将成分组成为Ti44Zr32Ni16Be8的钛基非晶合金板采用感应加热形式加热至360℃，压制成为厚度为0.5mm的优盘外壳，成型后采用水冷形式冷却至室温后脱模（5×102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外壳相对磁导率为0.99，所制成的外壳维氏硬度为572HV（HV5测试），抗拉强度为2860 MPa，弹性极限为2.3%。
实施例6
将成分组成为Zr53Al11Cu17.4Ni14.3Ti4.3的锆基非晶合金板采用电阻加热的方式加热至400℃后采用压力成型，压制成带有内部结构厚度为0.8mm的遥控器外框，成型后采用风冷冷却的形式冷却至室温后脱模（102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外框相对磁导率为1.01，所制成的外框维氏硬度为620HV（HV5测试），抗拉强度为2810MPa，弹性极限为2.2%。
实施例7
将成分组成为Zr40Al10Cu25Ni20Ti5的锆基非晶合金板采用感应加热的方式加热至430℃后采用压力成型，压制成带有内部结构厚度为0.5mm的内部结构的环状外框，成型后采用水冷冷却的形式冷却至室温后脱模（102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外框相对磁导率为1.0，所制成的外框维氏硬度为614HV（HV5测试），抗拉强度为2760MPa，弹性极限为2.3%。
实施例8
将成分组成为Zr52Al17Cu13Ni12Ti6的锆基非晶合金片采用放电加热的方式加热至430℃后采用压力成型，压制成带有内部结构厚度为1mm的内部结构的VR眼镜外框，成型后采用风冷冷却的形式冷却至室温后脱模（102K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金外框相对磁导率为1.0，所制成的外框维氏硬度为615HV（HV5测试），抗拉强度为3000MPa，弹性极限为2.6%。
实施例9
将成分组成为Zr57.8Cu13.3Ni11.8Al11.8Nb4.7Y0.6的锆基非晶合金原料在10-2MPa真空度条件、在1100℃温度下压铸成型，压制成带有内部结构厚度为1mm的手机支架产品，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为0.99，所制成的支架维氏硬度为601HV（HV5测试），抗拉强度为2860MPa，弹性极限为2.4%。
实施例10
将成分组成为Zr50Cu25Ni5Al12Nb7Sc1的锆基非晶合金原料在10-1MPa真空度条件、在900℃温度下压铸成型，压制成带有内部结构厚度为1mm的手机支架产品，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为1.0，所制成的支架维氏硬度为589HV（HV5测试），抗拉强度为2740MPa，弹性极限为2.2%。
实施例11
将成分组成为Zr59.67Hf0.97Cu12.98Al18.5Ti7.86Y0.02的锆基非晶合金原料在10- 2MPa真空度条件、在965℃温度下压铸成型，压制成带有内部结构厚度为1mm的手机支架产品，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为0.99，所制成的支架维氏硬度为589HV（HV5测试），抗拉强度为2740MPa，弹性极限为2.2%。
实施例12
将成分组成为Zr55Hf3.2Cu12Ni5Co3Nb2Ti4Al11.72Be4Re0.08的锆基非晶合金原料在10-2MPa真空度条件、在1100℃温度下压铸成型，压制成带有内部结构厚度为1mm的手机支架产品，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为0.99，所制成的支架维氏硬度为645HV（HV5测试），抗拉强度为2890MPa，弹性极限为2.7%。
实施例13
将成分组成为Ni58.3Nb36.9Sn3.6B1.2的镍基非晶合金原料在10-4MPa真空度条件、在1100℃温度下浇铸到铜模中形成厚度为1mm的筒状非晶合金产品，用于手写笔产品，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金产品相对磁导率为1.01，所制成的产品维氏硬度为657HV（HV5测试），抗拉强度为2930MPa，弹性极限为2.2%。
实施例14
将成分组成为Ni48Nb23Ti19Co5B5的镍基非晶合金原料在10-4MPa真空度条件、在1250℃温度下浇铸到铜模中形成厚度为1mm的片状非晶合金支架，用于智能手机，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为1.01，所制成的支架维氏硬度为626HV（HV5测试），抗拉强度为2810MPa，弹性极限为2.4%。
实施例15
将成分组成为Ni60Nb21Ti7Sn8B4的镍基非晶合金原料在10-3MPa真空度条件、在1300℃温度下浇铸到铜模中形成厚度为1mm的片状非晶合金支架，用于智能手机，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为1.0，所制成的支架维氏硬度为630HV（HV5测试），抗拉强度为2840MPa，弹性极限为2.4%。
实施例15
将成分组成为Ni57Nb25Ti6Co3Sn5B4的镍基非晶合金原料在10-3MPa真空度条件、在1300℃温度下浇铸到铜模中形成厚度为1mm的片状非晶合金支架，用于智能手机，成型后采用水冷铜模的形式冷却至室温后脱模（103K/s冷却速率），冷却至室温。
本实施例中非晶合金支架相对磁导率为1.01，所制成的支架维氏硬度为645HV（HV5测试），抗拉强度为2640MPa，弹性极限为2.3%。
由实施例可以看出：本发明中的非晶合金支架比强度高，与同体系的常规晶态金属材料相比强度高2倍以上，而且本发明中的非晶合金支架根据不同的非晶合金体系采用热压成型或者铸造成型的方式进行成型加工，成型后的毛坯件经过简单的修边处理后即可投入使用，简化了后续处理的工序。本发明中的非晶合金支架硬度高、耐磨性、耐蚀性好不需要进行表面硬化或者镀膜处理，同时相对磁导率低，不会与电子元器件发生耦合反应，不影响信号传输。本发明中的非晶合金支架强度高，可以在产品设计时减少加强筋的设计，简化产品，增加可用空间，且加工过程中成型缩水量少、便于精确成型。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种非晶合金支架，其特征在于：所述支架由非晶合金制成，所述非晶合金相对磁导率为0.99-1.02。
2.如权利要求1所述非晶合金支架，其特征在于：所述支架维氏硬度大于350HV，抗拉强度为2500-3000MPa，弹性极限为1.5-3.0%；所述支架厚度为0.5-1mm。
3.如权利要求1所述非晶合金支架，其特征在于：所述非晶合金为钛基非晶合金，其成分组成为TiaZrbCucBed、TiaZrbNicBed或者TiaZrbCucNidBee，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，35≤a≤52、15≤b≤30、8≤c≤20、8≤d≤20、15≤e≤30；所述钛基非晶合金相对磁导率为0.99-1。
4.如权利要求3所述非晶合金支架，其特征在于：所述支架的成型方式为：将非晶合金板/条/块/片加热至350-365℃热压成型后在102-103K/s冷却速率条件下冷却至室温。
5.如权利要求1所述非晶合金支架，其特征在于：所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为（Zr，Ti）a（Cu，Ni）bAlc，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，45≤a≤63、25≤b≤45、10≤c≤17；所述锆基非晶合金相对磁导率为1-1.01。
6.如权利要求5所述非晶合金支架，其特征在于：所述支架的成型方式为：将非晶合金板/条/块/片加热至400-450℃热压成型后在102-103K/s冷却速率条件下冷却至室温。
7.如权利要求1所述非晶合金支架，其特征在于：所述非晶合金为锆基非晶合金，其成分组成为（Zr，Hf）a（Cu，Ni，Co）b（Nb，Ti）c（Al，Be）dRee，其中Re为稀土元素， a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，49≤a≤62、12≤b≤30、3≤c≤12、12≤d≤23、0.02≤e≤1；所述锆基非晶合金相对磁导率为0.99-1。
8.如权利要求7所述非晶合金支架，其特征在于：所述支架的成型方式为：所述支架的成型方式为：将非晶合金原料在10-1-10-2MPa真空度条件、在900-1100℃温度下压铸成型。
9.如权利要求1所述非晶合金支架，其特征在于：所述非晶合金为镍基非晶合金，其成分组成为Nia（Nb，Ti）b（B，Sn，Co）c，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，48≤a≤61、30≤b≤42、2≤c≤12；所述锆基非晶合金相对磁导率为1-1.01。
10.如权利要求9所述非晶合金支架，其特征在于：所述支架的成型方式为：将非晶合金原料在10-3-10-4MPa真空度条件、在1100-1300℃温度下重力铸造成型。
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