CN108296470A - 一种基于非晶合金材料的补强结构及其成型方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非晶合金材料的补强结构，包括主体金属结构以及非晶合金补强组件，所述非晶合金补强组件以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属材料相连；所述非晶合金补强组件包括1个或多个非晶合金补强结构件，每一独立的补强结构件包含于所述主体金属结构中的比例为5‑100%；所述非晶合金补强结构件根据主体金属结构特征具有相适配的预定形状，且设于所述主体金属结构中需要进行补强的局部区域。本发明采用嵌入预制补强组件的方式，使具有高强度、硬度的非晶合金材料作为补强组件与金属基体实现深度结合。
Description
技术领域
本发明属于金属复合材料领域，具体涉及一种基于非晶合金材料的补强结构及其成型方法和应用。
背景技术
金属材料是国民生产生活中最常使用的材料之一，具有高强度、高硬度、外观质感好等优点，在建筑、军工、航空航天、3C电子、日用品等领域具有非常广泛的应用基础。金属材料的应用尽管已经渗透至国民生产生活的方方面面，但是在长期的使用过程中，针对使用环境较为严格的场合，仍旧存在许多无法弥补的缺陷。在建筑、军工、航空航天、3C电子、日用品等领域，由于具有高档的外观效果和足够强的硬度，金属材料是产品中结构件、部分外观件的不二之选，但是就目前所使用的金属材料来说，总是不能达到最高要求。以不锈钢材料为例，尽管塑性、硬度达标，但是耐腐蚀能力较差、密度高，相同的比强度要求下无法满足轻量化的要求，又如铝合金材料，尽管耐腐蚀能力好、密度低，但是硬度和抗冲击能力差，制成的产品不耐摔。针对常用金属材料本身存在的缺点，许多研究者针对金属材料的成分、表面处理等方式进行了改善，但是均不能达到较为理想的效果。
近年来提出了针对不同金属材料的特性设置对应的内生强化相的技术方案，将金属材料制成包含有金属、以金属为主体结构的复合材料，如金属陶瓷材料，以克服材料本身的缺陷。但是在实际应用中还存在以下问题：
1、与金属种类不匹配的材料，如陶瓷、塑胶材料性能与金属材料差异过大，复合过程中工艺复杂，且金属相与异质材料相无法构成有机的整体，形成的复合材料在强外力的作用下容易分崩离析。
2、在利用不同的金属作为内生强化相的技术方案中，内生强化相由于产品各部位降温速度有差异从而存在分布均匀性难以控制的情况，制造出的一体化产品在受到压铸或者热压应力的过程中，内生强化相难以均匀的承受应力，从而导致应变程度不一致，极易产生断裂的现象。针对上述缺陷，有研究人员提出了一些相关的表面应力处理和表面涂层的技术方案，均为在主体金属的表面形成抵抗变形的结构，想借此抵消热压应力，减少压力对内生强化相的影响，但在产品的实际断裂模式下，表面应力处理和表面涂层能够产生的技术效果非常有限，而且表面应力处理和表面涂层结构为新的工艺过程，增加以后大幅提升了整体的工艺加工的难度，从而直接提升了制备出来的产品的成本，更加限制了这一技术的应用。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种基于非晶合金材料的对常见金属材料进行补强的结构以及该结构的成型方法和应用。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的基于非晶合金材料的补强结构，包括主体金属结构以及非晶合金补强组件，所述非晶合金补强组件以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属材料相连；所述非晶合金补强组件包括1个或多个非晶合金补强结构件，每一独立的补强结构件包含于所述主体金属结构中的比例为5-100%；
所述非晶合金补强结构件根据主体金属结构特征具有相适配的预定形状，且设于所述主体金属结构中需要进行补强的局部区域。
进一步地，所述非晶合金包括锆基非晶合金、钛基非晶合金、铜基非晶合金、铁基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、稀土基非晶合金中的一种或多种的组合。
进一步地，所述主体金属结构材质为纯金属单质材料、铁合金材料、铝合金材料、镁合金材料、铜合金材料、钛合金材料、锆合金材料、锌合金材料中的一种或者多种。
进一步地，所述非晶合金补强组件材质为与所述主体金属结构材质主合金成分相同的非晶合金体系。
进一步地，所述非晶合金补强结构件为条状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的边框结构相连；所述非晶合金补强结构件为折角状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的边、角结构相连；所述非晶合金补强结构件为环状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的环形结构相连。
进一步地，所述非晶合金补强结构件设于所述主体金属结构边角处；所述非晶合金补强结构件包括与所述主体金属结构边角形状相适配的第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部与所述第二支撑部之间设有加强筋。
进一步地，所述过渡连接方式为设有过渡连接件作为中间连接载体分别与相连主体金属结构以及非晶合金补强组件；所述过渡连接件材质为非晶合金材料。
本发明中还提供一种上述基于非晶合金材料的补强结构的成型方法，包括如下步骤：
S01，将非晶合金补强组件装设于模具中的设定位置；
S02，将主体金属结构原料注入模具中与非晶合金补强组件结合，施与模腔压力使其成型，构成所需基于非晶合金材料的补强结构。
本发明中的基于非晶合金材料的补强结构可应用于3C产品中，进一步地，所述3C产品至少具有一个边，并且与电子元器件相连，所述3C产品与所述电子元器件相连部位为所述基于非晶合金材料的补强结构中的主体金属结构或者非晶合金补强组件。
本发明具有以下优点：
1、本发明中的基于非晶合金材料补强复合金属结构可实现对常见金属材料在工作过程中特殊受力区域需要进行补强的结构进行特定部位补强加固的技术效果。
2、本发明采用嵌入预制补强组件的方式，使具有高强度、硬度的非晶合金材料作为补强组件与金属基体实现深度结合，在采用该方式的产品受到弯曲或者冲击而产生的力时，金属基体与非晶合金补强组件形成互相支撑的结构，对比单纯采用普通金属材料作为框架的产品，本发明中的非晶合金材料补强结构增强了金属材料的硬度、强度和韧性，防止了一次冲击即对产品产生完全破坏性的直接失效，对内部结构提供了可持续使用的升级保护。
附图说明
图1为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例1结构示意图；
图2为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例2结构示意图；
图3为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例3结构示意图；
图4为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例4结构示意图；
图5为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例5结构示意图；
图6为本发明中基于非晶合金材料的补强结构的实施例6结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
如附图1所示为本发明实施例1中基于非晶合金材料的补强结构的结构示意图，该结构作为产品外框进行使用，可以应用于智能手机、平板电脑、通信产品等外框结构上。
该结构包括主体金属框架结构101（不锈钢制件）以及非晶合金补强结构件102（锆基非晶合金），在本实施例中，非晶合金补强结构件102为内嵌于外框101内的相类似的框式结构。在实际的制造过程中，非晶合金补强结构件102为一整体件时，容易导致加工过程原料注入加压过程中的不均匀，故本实施例中非晶合金补强结构件102优选设为两对称半框结构拼接，或者设为四条两两相对设置的条状结构组成非晶合金补强结构件102的形状结构。
该实施例中的基于非晶合金材料的补强结构同样适用于主体金属框架结构为环形框结构的产品，与之相适配的非晶合金补强结构件设为相适配的环状结构或者拼接形成环状结构即可。
实施例2
如附图2所示为本发明实施例中提供的基于非晶合金材料补强结构的另一种应用，与实施例1不同之处在于，该结构包括主体金属框架结构201（3系变形铝合金制件）以及非晶合金补强组件（La基非晶合金），该非晶合金补强组件为分布于框架结构201四个边角处的折角状结构件202、203、204、205。在框架式结构中，主体金属结构四边角处为最容易受到外力作用发生变形的区域，例如智能手机在跌落试验中边角处受损变形最严重的，故在边角处设置独立补强结构对框架式结构来说具有非常好的保护效果。
实施例3
如附图3所示为本发明中基于非晶合金补强结构的另一种应用，该结构包括主体金属框架结构301（镁合金制件）以及非晶合金补强结构件302（铝基非晶合金），该非晶合金补强结构件302以内嵌复合外包的形式对框架结构301进行补强。由附图3可看出，非晶合金补强结构件302设于两侧的竖直结构穿透框架结构301，中间的横条结构连接两侧竖直结构，整体构成非晶合金补强结构件，即非晶合金补强结构件302与金属框架结构301部分连接。
在该实施例中，也可采用过渡连接的方式，过渡连接方式具体为设有过渡连接件作为中间连接载体分别与相连主体金属结构以及补强组件，如在本实施例中，两侧竖直结构可设为过度连接件，其材质采用与主体金属结构相同的非晶合金材质，横条结构作为独立的补强结构。过渡连接方式多用于产品结构设计中无法设置多余空间来容纳补强结构的产品，对3C产品越来越轻薄化、小型化的趋势非常相符。
实施例4
如附图4所示为针对金属结构边角处进行补强的技术方案。
补强结构件包括与主体金属结构401（3系变形铝合金制件）边角形状相适配的第一支撑部402和第二支撑部403，第一支撑部402与第二支撑部403之间设有加强筋404（非晶合金补强结构件材质为锆基非晶合金）。该非晶合金补强结构件整体类似变形的工字结构，采用这样的设计不仅较为节省补强结构件的原材料，而且通过加强筋的设计能够获得非常好的补强效果。
在实际使用过程中，第一支撑部402与第二支撑部403的形状可随需要进行更改，加强筋的角度、数量也可根据实际需求进行设定，支撑部与加强筋可选用一体结构，也可分开设立。
实施例5
如附图5所示实施例5为针对金属结构边角处内侧进行独立补强的结构，包括主体金属结构501（3系变形铝合金制件）与边角结构相适配的非晶合金补强结构件502（锆基非晶合金）。
实施例6
如附图6所示实施例6为针对金属结构边角处外侧进行独立补强的结构，包括主体金属结构601（铝基非晶合金制件）与边角结构相适配的补强结构件602（铝基非晶合金）。
本发明实施例中基于非晶合金材料的补强结构的成型方法，步骤如下：
S01，将非晶合金补强组件装设于模具中的设定位置；
S02，将主体金属结构原料注入模具中与非晶合金补强组件结合，施与模腔压力使其成型，构成所需基于非晶合金材料的补强结构。
在本发明中，除了结构对补强复合金属结构的补强效果有影响以外，材料的选择也具有非常大的影响。
主体金属结构材质优选为纯金属单质材料、铁合金材料、铝合金材料、镁合金材料、铜合金材料、钛合金材料、锆合金材料、锌合金材料中的一种或者多种，非晶合金包括锆基非晶合金、钛基非晶合金、铜基非晶合金、铁基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、稀土基非晶合金中的一种或多种的组合。在上述成型方法中，由于主体金属结构原料为后注入，优选采用熔点低于非晶合金补强组件晶化温度的材料，如优选铝合金、镁合金，实际材料选择情况需考虑非晶合金补强组件晶化温度、主体金属结构原料熔点以及加工方法的结合情况。
优选地，非晶合金补强组件材质为与所述主体金属结构材质主合金成分相同的非晶合金体系。简而言之，主体金属结构为铝合金可优选使用铝基非晶合金进行补强，主体金属结构为锆合金可优选使用锆基非晶合金进行补强，主体金属结构为镁合金可优选使用镁基非晶合金进行补强，主体金属结构为钛合金可优选使用钛基非晶合金进行补强，以此类推。使用主合金元素相同的非晶合金体系进行补强，在实际加工过程中，非晶合金补强材料在成型过程中与主体金属结构材质的熔化温度和熔化后的流变状态比较相似，便于使用压铸工艺进行成型，对于工业化制造来说难度更低、工艺过程的均一性更为明显，良率高。
由上述实施例可以看出，本发明中的基于非晶合金材料补强复合金属结构可实现对常见金属材料在工作过程中特殊受力区域需要进行补强的结构进行特定部位补强加固的技术效果。本发明采用嵌入预制补强组件的方式，使具有高强度、硬度的非晶合金材料作为补强组件与金属基体实现深度结合，在采用该方式的产品受到弯曲或者冲击而产生的力时，金属基体与非晶合金补强组件形成互相支撑的结构，对比单纯采用普通金属材料作为框架的产品，本发明中的非晶合金材料补强结构增强了金属材料的硬度、强度和韧性，防止了一次冲击即对产品产生完全破坏性的直接失效，对内部结构提供了可持续使用的升级保护。
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)
1.一种基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：
包括主体金属结构以及非晶合金补强组件，所述非晶合金补强组件以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属材料相连；所述非晶合金补强组件包括1个或多个非晶合金补强结构件，每一独立的补强结构件包含于所述主体金属结构中的比例为5-100%；
所述非晶合金补强结构件根据主体金属结构特征具有相适配的预定形状，且设于所述主体金属结构中需要进行补强的局部区域。
2.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述非晶合金包括锆基非晶合金、钛基非晶合金、铜基非晶合金、铁基非晶合金、铝基非晶合金、镁基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、稀土基非晶合金中的一种或多种的组合。
3.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述主体金属结构材质为纯金属单质材料、铁合金材料、铝合金材料、镁合金材料、铜合金材料、钛合金材料、锆合金材料、锌合金材料中的一种或者多种。
4.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述非晶合金补强组件材质为与所述主体金属结构材质主合金成分相同的非晶合金体系。
5.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述非晶合金补强结构件为条状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的边框结构相连；所述非晶合金补强结构件为折角状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的边、角结构相连；所述非晶合金补强结构件为环状，以内嵌、外包、穿透、部分连接或者过渡连接的方式与所述主体金属结构的环形结构相连。
6.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述非晶合金补强结构件设于所述主体金属结构边角处；所述非晶合金补强结构件包括与所述主体金属结构边角形状相适配的第一支撑部和第二支撑部，所述第一支撑部与所述第二支撑部之间设有加强筋。
7.如权利要求1所述基于非晶合金材料的补强结构，其特征在于：所述过渡连接方式为设有过渡连接件作为中间连接载体分别与相连主体金属结构以及非晶合金补强组件；所述过渡连接件材质为非晶合金材料。
8.一种如权利要求1-7任一所述基于非晶合金材料的补强结构的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
S01，将非晶合金补强组件装设于模具中的设定位置；
S02，将主体金属结构原料注入模具中与非晶合金补强组件结合，施与模腔压力使其成型，构成所需基于非晶合金材料的补强结构。
9.一种3C产品，其特征在于：所述产品中包括如权利要求1-7任一所述基于非晶合金材料的补强结构。
10.如权利要求9所述3C产品，其特征在于：所述3C产品至少具有一个边，并且与电子元器件相连，所述3C产品与所述电子元器件相连部位为所述基于非晶合金材料的补强结构中的主体金属结构或者非晶合金补强组件。
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