CN109794730A - 一种合金的高性能加工方法 - Google Patents

Abstract

一种合金的高性能加工方法，涉及材料技术领域，该加工方法包括步骤：S1：采用机床对合金待加工区域进行机械加工；S2:在步骤S1机械加工同时，对被加工区域进行冷却和润滑；S3:在步骤S2对被加工区域进行冷却和润滑的同时，调节步骤S1机械加工的工艺参数，控制工件材料变形产生的热量以及刀具与工件的摩擦产热量，使被加工区域的温度处于合金的过冷液相态温度；该方法避免了现有加工技术因切削高温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面，也可以避免室温下加工非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物时，因材料高强度、高硬度、塑性差等特性对加工刀具造成损伤，延长加工刀具使用寿命，降低材料加工成本。

Description

一种合金的高性能加工方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种合金的高性能加工方法。

背景技术

块体非晶合金也称为“块体金属玻璃（Bulk metallic glass）”，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。不同于一般晶态合金，块体非晶合金原子排列具有长程无序的结构特点，这一特征使其呈现出一系列优于晶态合金的优点，如高强度、高弹性极限、高断裂韧性、高硬度、过冷液相态超塑性、良好的耐腐蚀性和抗疲劳性，在汽车、电子、航空、机械、军事、化工和生物医疗器械等多个领域有着广泛的应用前景。目前，铸造成形法是生产非晶合金零件的主要工艺，但由于受工艺特点限制，无法加工出高精度的零件。车削、铣削、钻削、刨削、磨削等机械加工是加工形状复杂、尺寸精度高和表面光洁度好的零件的主要方法，也是非晶合金零件成形技术的发展方向。块体非晶合金独特的原子排布，使其在热力学上处于亚稳态，具有极强的温度敏感性。块体非晶合金机械加工过程中，当加工温度超过其晶化温度Tx，合金已加工表面材料发生晶化，失去原有的优异力学性能与化学性能；而当加工温度低于其玻璃转化温度Tg时，非晶合金的高强度、高硬度等特点会造成严重的刀具磨损；缺少合适的加工方法已成为制约非晶合金零件产业化应用的重要障碍。

块体非晶合金室温塑性差，但过冷液相态（合金温度介于Tg与Tx之间）下的合金不仅表现出良好的塑性和可加工性，同时当变形温度下降至玻璃转化温度Tg以下时，合金组织可恢复为非晶态。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。

直接采用常规的加工技术，由于合金的高强度高硬度以及合金材料的低晶化温度，导致刀具损伤严重，同时加工表面材料晶化，无法满足工程需要，以下是几种采用常规的加工技术。

常规加工方法1：

将成分为 Zr_62.44Cu_32.73Al_2.9Ni_2.14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 °C，晶化温度为493 °C，熔化温度为673 °C，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa。

(1)将非晶合金板材置于加工机床上，采用DMU 60T立式加工中心进行加工。选用直径6mm的4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300 m/min、进给速度300 mm/min、轴向切深1.5 mm、径向切深0.1 mm。

(2)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3相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化。

(3)测试刀具寿命为8小时。

常规加工方法2：

将成分Zr_62.20Cu_31.73Al_3.23Ni_2.84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 °C，晶化温度为493 °C，熔化温度为673 °C，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa。

(1)将非晶棒材置于加工机床上，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，进给速率2500 mm/min，切削深度0.1 mm。

(2)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3相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化。

(3)测试刀具寿命为10小时。

常规加工方法3：

将成分 Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅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 °C，晶化温度为510 °C，熔化温度为698 °C，硬度为500HV，抗压强度为1800 MPa。

（1）将非晶合金板材置于加工机床上，采用Milltap-700钻铣一体机进行加工。刀具选用直径6mm的4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150 m/min、进给速率1000 mm/min、轴向切深1.5 mm、径向切深0.1 mm。

（2）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3相同，说明加工后的加工表面材料发生晶化。

（3）测试刀具寿命为10小时。

因此，为了使块体非晶合金零件能够实现工业化加工，需要一种能够保持已加工表面材料非晶态、同时降低刀具磨损的适应于非晶合金的高性能加工方法。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种非晶合金的高性能加工方法，该加工方法使得被加工区域合金处于过冷液相态，有利于该合金的机械加工。

本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种合金的高性能加工方法，包括如下步骤：

S1：采用机床对合金待加工区域进行机械加工；

S2: 在步骤S1机械加工的同时，对被加工区域进行冷却和润滑；

S3: 在步骤S2对被加工区域进行冷却和润滑的同时，调节步骤S1机械加工的工艺参数，控制工件材料变形产生的热量以及刀具与工件的摩擦产热量，使被加工区域的温度处于合金的过冷液相态温度；

其中，所述合金为非晶合金与纳米晶合金的混合物。

其中，以所述混合物的总体积为基准，所述纳米晶合金的体积含量大于0且小于10%。

其中，所述非晶合金中各原子百分比满足通式：Zr_aCu_bAl_c(Ni, Ag)_dR_e，其中R=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百分比，分别为：20≤a≤80、5≤b≤55、0≤c≤25、1≤d≤30、0≤e≤30。

优选地，所述非晶合金为Zr_62.44Cu_32.73Al_2.9Ni_2.14、Zr_62.20Cu_31.73Al_3.23Ni_2.84或Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅中的至少一种。

其中，在步骤S2中，所述冷却和润滑方法为微量润滑方法、高压低温冷风配合微量润滑方法、微量切削油水混合物冷却润滑方法或者高压低温冷风配合微量切削油水混合物冷却润滑方法中的一种。

其中，在步骤S3中，所述工艺参数为：50 m/min≤切削速度≤300 m/min，300 mm/min≤进给速率≤2500 mm/min，0.1 mm≤切削深度≤1.5 mm。

其中，在步骤S3中，所述过冷液相态温度范围为：玻璃转化温度≤过冷液相态温度≤晶化温度。

本发明的有益效果：合金材料进行机械加工时，在对被加工区域进行冷却和润滑的同时，通过调节加工工艺参数，控制被加工区域温度处于合金的过冷液相态温度，加工完成后，合金自然冷却，已加工表面合金材料的过冷液相态组织恢复为非晶态组织。这样一方面在无需增加加工工序的条件下，避免了现有加工技术因切削高温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面；另一方面，可以避免室温下加工非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物时，因材料高强度、高硬度、塑性差等特性对加工刀具造成损伤，延长加工刀具使用寿命，降低材料加工成本。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的的加工示意图；

图2为本发明的非晶合金和纳米晶的混合物的XRD谱图；

图3为背景技术中非晶合金和纳米晶混合物发生晶化后的XRD谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明并不局限于此。

以下实施例中通过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=1.54060Å，加速电压40kV，电流20mA，步进扫描2°/min，衍射角2θ为20°至90°，得到XRD谱图。

实施例1：

将成分为 Zr_62.44Cu_32.73Al_2.9Ni_2.14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 °C，晶化温度为493 °C，熔化温度为673 °C，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa,加工步骤如下：

S1:将非晶合金1置于加工机床上，采用Milltap-700钻铣一体机进行加工，加工刀具4选用直径6mm的4刃硬质合金涂层立铣刀，对该非晶合金的待加工区域2进行侧铣加工成面。

S2:采用高压低温冷风配合微量切削油水混合物对被加工区域进行冷却和润滑3，同时设定加工参数为切削速度300 m/min、进给速率300 mm/min、轴向切深1.5 mm、径向切深0.1 mm，使得加工阶段被加工区域2温度为470 °C，切削过程工件材料各部位相态如图1所示。

S3:加工完成后，对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图如图2所示。谱图中出现馒头峰型的衍射峰5，说明加工后的表面仍为非晶结构。加工完成后所使用加工刀具4的寿命约为120小时；同时，加工完成的块状非晶板材的加工区域2没有发生破损，板材尺寸和形状完整。

实施例2：

将成分 Zr_62.20Cu_31.73Al_3.23Ni_2.84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 °C，晶化温度为493 °C，熔化温度为673 °C，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa,加上步骤如下：

S1:将非晶合金1置于加工机床上，采用G-100全功能数控车床进行加工，加工刀具4选用硬质合金涂层车刀片，对该非晶合金的待加工区域2进行外圆车削。

S2:采用微量切削油水混合物对被加工区域进行冷却和润滑3，同时设定加工参数为切削速度50 m/min、进给速率2500 mm/min、切削深度0.1 mm，使得加工阶段被加工区域2温度为425°C，切削过程工件材料各部相态与图1相同。

S3:加工完成后，对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图如图2所示，谱图中出现馒头峰型的衍射峰5，说明加工后的表面仍为非晶结构。加工完成后所使用加工刀具4的寿命约为220小时；同时，加工完成的块状非晶棒材的加工区域2没有发生破损，尺寸和形状完整。

实施例3：

将成分 Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅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 °C，晶化温度为510 °C，熔化温度为698 °C，硬度为500HV，抗压强度为1800 MPa。

S1:将非晶合金1置于加工机床上，采用Milltap-700钻铣一体机进行加工,加工刀具4选用直径6 mm的4刃硬质合金涂层立铣刀,对该非晶合金的待加工区域2进行侧铣加工成面。

S2:采用高压低温冷风配合微量切削油水混合物对被加工区域进行冷却和润滑3，同时设定切削参数为切削速度150 m/min、进给速率1000 mm/min、轴向切深1.5 mm、径向切深0.1mm，使得加工阶段被加工区域2温度为451°C，切削过程工件材料各部相态与图1相同。

S3:加工完成后，对已加工表面取样进行XRD测定，XRD谱图如图2所示，谱图中出现馒头峰型的衍射峰5，说明加工后的表面仍为非晶结构。加工完成后所使用加工刀具4的寿命约为160小时；同时，加工完成的块状非晶板材的加工区域2没有发生破损，尺寸和形状完整。

综合上面3个实施例，一方面在无需增加加工工序的条件下，避免了现有加工技术因切削高温导致的材料晶化行为，获得高质量的非晶表面；另一方面，可以避免室温下加工非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物时，因材料高强度、高硬度、塑性差等特性对加工刀具造成损伤，延长加工刀具使用寿命，降低材料加工成本。

本发明加工方式可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。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种合金的高性能加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用机床对合金待加工区域进行机械加工；

S2: 在步骤S1机械加工的同时，对被加工区域进行冷却和润滑；

S3: 在步骤S2对被加工区域进行冷却和润滑的同时，调节步骤S1机械加工的工艺参数，控制工件材料变形产生的热量以及刀具与工件的摩擦产热量，使被加工区域的温度处于合金的过冷液相态温度。

2.根据权利要求1所述的一种合金的高性能加工方法，其特征在于：所述合金为非晶合金与纳米晶合金的混合物。

3.根据权利要求2所述的一种合金的高性能加工方法，其特征在于：以所述混合物的总体积为基准，所述纳米晶合金的体积含量大于0且小于10%。

4.根据权利要求2所述的一种合金的高性能加工方法，其特征在于：所述非晶合金中各原子百分比满足通式：Zr_aCu_bAl_c(Ni, Ag)_dR_e，其中R=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百分比，分别为：20≤a≤80、5≤b≤55、0≤c≤25、1≤d≤30、0≤e≤30。

5.根据权利要求4所述的一种合金的高性能加工方法，其特征在于：所述非晶合金为Zr_62.44Cu_32.73Al_2.9Ni_2.14、Zr_62.20Cu_31.73Al_3.23Ni_2.84或 Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种合金的高性能加工方法，其特征在于：步骤S2中，所述冷却和润滑方法为微量润滑方法、高压低温冷风配合微量润滑方法、微量切削油水混合物冷却润滑方法或者高压低温冷风配合微量切削油水混合物冷却润滑方法中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种非晶合金的高性能加工方法，其特征在于：步骤S3中，所述工艺参数为：50 m/min≤切削速度≤300 m/min，300 mm/min≤进给速度≤2500 mm/min，0.1 mm≤切削深度≤1.5 mm。

8.根据权利要求1所述的一种非晶合金的高性能加工方法，其特征在于：步骤S3中，所述过冷液相态温度范围为：玻璃转化温度≤过冷液相态温度≤晶化温度。