CN110026750B - 一种非晶合金构件的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金构件的加工方法，属于非晶合金加工技术领域。该加工方法包括：测量连续升温条件下非晶合金的玻璃化转变温度和晶化起始温度；测量等温条件下非晶合金的晶化起始时间；将非晶合金进行摩擦生热加工‑快速冷却，得到非晶合金产品。本方法利用非晶合金在过冷液相区粘滞阻力降低的特点对其进行加工，解决了非晶合金在室温下加工困难、加工周期长、成本高等问题，为非晶合金的加工和应用提供可行性。

Description

一种非晶合金构件的加工方法
技术领域
本发明涉及非晶合金加工技术领域，具体涉及一种非晶合金构件的加工方法。
背景技术
非晶合金也叫金属玻璃，通常采用将液态合金熔体快速凝固的方法制备，其内部结构表现为类似玻璃的长程无序的非晶结构。非晶合金独特的原子排列结构使其具有很多优良的特性，其中最显著的是其具有很高的强度和硬度，同时非晶合金通常表现为脆性材料，几乎不呈现拉伸塑性。这些特点导致非晶合金的加工异常困难，使用常规的机加工具和工艺很难对其进行加工，加工精度更是难以保证。因此，探寻低成本和快速高效的非晶合金加工方法非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶合金构件的加工方法，采用该方法能够改善非晶合金构件表面质量和加工精度，同时降低加工阻力，更加适于实际应用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种非晶合金构件的加工方法，该方法是以非晶合金毛坯件为原材料进行加工，具体包括如下步骤：
(1)测量连续升温条件下非晶合金的玻璃化转变温度Tg和晶化起始温度Tx；
(2)测量等温条件下非晶合金的晶化起始时间；
(3)毛坯件的加工：将非晶合金毛坯件进行摩擦生热加工，加工后快速冷却至室温，从而获得非晶合金构件产品。
上述步骤(2)中，所述等温条件是在步骤(1)测得的玻璃化转变温度和晶化起始温度之间选择的某一温度值条件。
上述步骤(3)中，所述摩擦生热加工是利用加工工具对非晶合金毛坯件待加工位置(切割位置)进行高速摩擦，同时加工工具对待加工位置施以恒定的挤压力F，在高速摩擦过程中，待加工位置的温度T逐渐升高，当T升高至>Tg时，材料发生软化现象，在挤压力F作用下，毛坯件上多余边料自动掉落。
所述摩擦生热加工的时间小于晶化起始时间。
所述摩擦生热加工时，如在晶化起始时间内毛坯件上多余边料未掉落，则将毛坯件快速冷却至室温，之后再进行摩擦生热加工过程，直至多余边料掉落。
上述步骤(3)中，所述摩擦生热加工过程中，加工工具的摩擦速度能在晶化起始时间内使待加工非晶合金的温度升高到超过Tg；加工工具对待加工位置施加的挤压力F小于该非晶合金的剪切强度的1/4。
上述步骤(3)中，所述快速冷却的冷却速度≥0.1K/s；所述快速冷却为空冷或水冷。
本发明方法中对毛坯件的加工包括消除毛坯件上的飞边和对毛坯件打孔等。
所使用的加工工具包括圆筒状刀具，圆筒状刀具的外端部圆周呈刀刃状结构；刀具端部能够紧密切合于毛坯件上待加工位置，圆筒状刀具能在机床的控制下进行高速旋转和施加挤压力F。
所述圆筒状刀具的材质为碳钢或不锈钢等硬质合金。
本发明方法的优点和有益效果如下：
1、非晶合金在热力学上为亚稳状态，在温度升高时，趋向于向平衡态结构转变。随温度升高，非晶合金将产生弛豫、玻璃化转变、晶化等结构变化。伴随着结构转变，其宏观性能也产生相应变化，如在玻璃化转变之前，温度较低，原子被“冻结”，难以迁移，非晶主要呈现弹性特征，强度较高；发生玻璃化转变后，热振动加剧，原子迁移能量升高，非晶主要呈现粘性特征，强度降低，塑性较好；而发生晶化后，合金呈现晶态相特征，通常脆性较大。因此，尽管非晶合金室温强度和硬度很高，但是非晶合金在玻璃化转变温度和晶化起始温度之间(即过冷液相区)处于低流变应力的粘滞流动状态，具有良好的热塑性。因此，利用这种特性，使用加工刀具对非晶合金高速摩擦，依靠摩擦生热使非晶合金升温到过冷液相区，在该温度区间内只需要对非晶合金施加极小的挤压力F即能实现对非晶合金方便高效的加工(切除飞边、打孔等)；
2、在过冷液相区对非晶合金进行加工，与目前常温下的加工方法相比，显著降低加工难度；
3、在过冷液相区非晶合金具有较低的粘滞阻力，在该温度区间加工可明显改善样品表面质量和加工精度。
4、本发明方法中，加工工具仅对非晶合金待加工位置施加极小的力即能切除掉多余边料，因此本发明可以极大降低加工阻力，提高设备和刀具的使用寿命。
5、常温下对非晶合金毛坯件进行加工，因材料脆性大、强度高，加工后废品率极高。而本发明能够显著降低废品率，降低人力和材料成本，缩短生产周期，提高生产效率。
6、本发明在摩擦生热加工过程中，需要控制加工工具的摩擦速度(如为圆筒状刀具则控制转速)、挤压力F及加工时间；加工时间不能超过非晶合金的晶化起始时间，否则非晶合金表面会出现晶化相；加工工具的摩擦速度(如为圆筒状刀具则控制转速)需保证在晶化起始时间内使毛坯件加工位置的温度T升高至>Tg，使材料达到软化状态，从而使多余边料掉落。
7、本发明方法中，对待加工位置所施加的挤压力，能达到在材料软化后切掉边角料即可。该挤压力F不宜过大，否则可能在未软化前破坏材料。
附图说明
图1是实施例1的连续升温过程DSC曲线；
图2为实施例1的等温过程DSC曲线；
图3为实施例1所用加工工具结构图；
图4为实施例1的非晶合金产品图；
图5为实施例2的非晶合金产品图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明为非晶合金构件的加工方法，包括如下步骤：
(1)测量连续升温条件下非晶合金的玻璃化转变温度Tg和晶化起始温度Tx；
(2)测量等温条件下非晶合金的晶化起始时间；
(3)毛坯件的加工：将非晶合金毛坯件进行摩擦生热加工，加工后快速冷却至室温，从而获得非晶合金构件产品。
在晶化起始温度之上，非晶合金会发生晶化，转变为晶体结构，失去非晶合金的良好性能。在晶化起始温度之下的过冷液相区也会发生缓慢弛豫，超过一定时间后仍会发生晶化。因此必须严格控制摩擦生热加工工艺，将摩擦生热加工时间严格控制在小于晶化起始时间，并保证加工温度始终低于晶化起始温度，因而加工工具的摩擦速度和作用力等需要实时精确控制。由于非晶合金在不同温度的晶化起始时间有较大差异，为控制加工温度和加工时间，需要首先表征非晶合金的等温晶化过程，根据晶化动力学确定单次加工的温度和时间。若单次加工未能获得最终产品，需要先对非晶合金快速冷却，以维持非晶态结构，然后进行第二次加工，重复该过程直至获得最终产品。
实施例1
本实施例为非晶合金球的切除飞边的加工方法，加工过程使用自制刀具系统对非晶圆球进行高速摩擦，如图3所示，该自制刀具系统包括一个圆柱状固定体和一个圆筒状刀具，圆柱状固定体的一个端部设置为半球状内凹结构，该半球状内凹结构与待加工非晶合金球的尺寸相适应。圆筒状刀具的一个端部为环形刀刃状结构，通过半球状内凹结构与环形刀刃状结构的配合将待加工非晶合金球固定。将非晶合金球固定后，刀具的环形刀刃紧密贴合于非晶合金球飞边的内边缘上。所述圆柱状固定体能通过机床控制进行旋转，也可以固定不动。所述圆筒状刀具能在机床的作用下进行旋转，同时向非晶合金球施加轴向挤压力F。
本实施例加工过程如下：
通过模具浇铸或者水淬制备的非晶合金球边缘均存在不同程度的飞边。首先对非晶合金进行热力学特征表征。通过连续升温过程的DSC曲线，获得非晶合金的玻璃化转变温度Tg和晶化起始温度Tx分别为355℃和450℃，如图1所示；
在此温度区间内(355℃-450℃)对非晶合金球进行等温DSC表征，不同温度下的晶化过程如图2所示，440℃时非晶合金的晶化起始时间大于1min；
采用圆筒状刀具对非晶合金球进行高速摩擦并同时施加轴向挤压力F，设定加工的时间为1min。通过高速摩擦使非晶合金温度快速升高到过冷液相区，对非晶合金的加工时间约为30s时(该时间小于晶化起始时间，此时温度未达到440℃)，非晶合金球上的多余边料(飞边)脱落，加工完成后使用喷洒清水的方式对产品快速冷却，合金冷却至室温所需时间约为2s，获得的非晶合金产品，如图4所示。
用XRD对构件加工表面进行检测分析，未发现晶化相，非晶合金产品仍保持非晶状态。
实施例2
本实施例为非晶合金板上圆孔的加工方法，本实施例使用的加工工具为开孔器，该开孔器包括圆筒状刀具，刀具端部为环形刀刃状结构。加工时，刀具环形刀刃紧密贴合非晶合金板上待开孔的圆周处，并施以轴向挤压力F。
本实施例加工过程如下：
首先对非晶合金进行热力学特征表征，获得非晶合金的玻璃化转变温度和晶化起始温度分别为355℃和450℃；
在此温度区间内(355℃-450℃)对非晶合金板进行等温DSC表征，440℃时非晶合金的晶化起始时间大于1min；
使用开孔器在加工位置高速摩擦并同时施加轴向挤压力F(轴向挤压力)，设定加工的时间为1min。通过高速摩擦使摩擦部位非晶合金快速升温至过冷液相区；对非晶合金的单次加工结束时(加工1min时)，非晶合金板上的多余边料(孔内多余料)未脱落，本次加工结束后使用喷洒清水的方式对产品快速冷却至室温；
再次重复以上摩擦生热加工-快速冷却的过程3次，非晶合金板上的多余边料脱落。
用XRD对加工表面进行检测分析，未发现晶化相，加工处金属仍保持非晶状态，获得非晶合金产品，如图5所示。
以上实施例1-2中，未对摩擦生热加工过程中的工具转速进行具体限定，在具体作业过程中，因非金合晶种类不同，工具旋转速度只要能够在晶化起始时间内使待加工非晶合金的温度升高到超过Tg即可。工具轴向挤压力F只要小于非晶合金剪切强度的1/4(以免破坏材料)，且能使材料软化后切掉多余边料即可，又因刀具的刀刃锋利度不同，所以也无法对工具轴向挤压力进行具体限定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种非晶合金构件的加工方法，其特征在于：该方法是以非晶合金毛坯件为原材料进行加工，具体包括如下步骤：
（1）测量连续升温条件下非晶合金的玻璃化转变温度Tg和晶化起始温度Tx；
（2）测量等温条件下非晶合金的晶化起始时间；所述等温条件是在步骤（1）测得的玻璃化转变温度和晶化起始温度之间选择的某一温度值条件；
（3）毛坯件的加工：将非晶合金毛坯件进行摩擦生热加工，加工后快速冷却至室温，从而获得非晶合金构件产品；所述摩擦生热加工是利用加工工具对非晶合金毛坯件待加工位置进行高速摩擦，同时加工工具对待加工位置施以恒定的挤压力F，在高速摩擦过程中，待加工位置的温度T逐渐升高，当T升高至>Tg时，材料发生软化现象，在挤压力F作用下，毛坯件上多余边料掉落；所述摩擦生热加工的时间小于晶化起始时间；
所述摩擦生热加工过程中，加工工具的摩擦速度能在晶化起始时间内使待加工非晶合金的温度升高到超过Tg；加工工具对待加工位置施加的挤压力F小于该非晶合金的剪切强度的1/4；
所述加工工具包括圆筒状刀具，圆筒状刀具的外端部圆周呈刀刃状结构；刀具端部能够紧密切合于毛坯件上待加工位置，圆筒状刀具能在机床的控制下进行高速旋转和施加挤压力F。
2.根据权利要求1所述的非晶合金构件的加工方法，其特征在于：所述摩擦生热加工时，如在晶化起始时间内毛坯件上多余边料未掉落，则将毛坯件快速冷却至室温，之后再进行摩擦生热加工过程，直至多余边料掉落。
3.根据权利要求1所述的非晶合金构件的加工方法，其特征在于：步骤（3）中，所述快速冷却的冷却速度≥0.1K/s；所述快速冷却为空冷或水冷。
4.根据权利要求1所述的非晶合金构件的加工方法，其特征在于：步骤（3）中，所述毛坯件的加工包括消除毛坯件上的飞边和对毛坯件打孔。
5.根据权利要求1所述的非晶合金构件的加工方法，其特征在于：所述圆筒状刀具的材质为碳钢或不锈钢。
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