CN110497167A - 一种非晶合金的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将合金工件浸入冰盘装置上；（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将合金工件完全固定于冰盘装置上；（3）根据加工要求，选择合适的加工刀具，安装到加工机床上；（4）根据加工要求，设置相匹配的切削速度、进给速率及背吃刀量，开启加工机床对合金工件进行机械加工，该加工方法不仅可以使工件处于低温环境，防止合金的晶化，提升加工效率，而且在低温环境下，刀具的粘接磨损被抑制，减少了刀具的磨损，延长刀具寿命。
Description
技术领域
本发明涉及合金加工术领域，特别是涉及一种非晶合金的加工方法。
背景技术
非晶合金又称为金属玻璃，是利用熔融体过冷形成的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、错位、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，包括对该合金材料的局部的车削、铣削、钻削、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和化学性能。由于非晶合金的晶化温度Tx低，采取传统干切削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。而且非晶合金切削加工中刀具粘接磨损严重，刀具损耗明显高于普通金属加工时的损耗，刀具寿命短，导致加工成本高，制约了非晶合金零件的生产及推广。
现有已公开的许多通过各种办法升温至过冷液相区加工非晶合金的方法，非晶合金在过冷液相区具有良好的变形能力，但是由于非晶合金为亚稳态材料，不当的升温和降温容易引起材料的晶化行为，恶化了非晶合金的材料性能。另外许多非晶合金的过冷液相区很小，难以保证材料正好处于过冷液相区，最终还是会引起材料的晶化。
因此，为了实现非晶合金的工业化加工，需要一种稳定的，防止非晶合金晶化且能减少刀具磨损及加工成本的加工方法。
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加工方法，该加工方法不仅可以使工件处于低温环境，防止合金的晶化，提升加工效率，而且在低温环境下，刀具的粘接磨损被抑制，减少了刀具的磨损，延长刀具寿命。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将合金工件浸入冰盘装置上；
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将合金工件完全固定于冰盘装置上；
（3）根据加工要求，选择合适的加工刀具，安装到加工机床上；
（4）根据加工要求，设置相匹配的切削速度、进给速率及背吃刀量，开启加工机床对合金工件进行机械加工。
进一步的，步骤（1）中，所述冰盘装置包括有冰冻盘、压缩空气热交换器和压缩空气管道，所述冰冻盘固定于所述压缩空气热交换器上表面，所述压缩气气管连通于所述压缩空气热交换器的一侧。
进一步的，步骤（1）中，所述合金工件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，所述合金为为非晶合金，所述非晶合金的组成表示为ZraCub(Be, Al)cNidRe，其中R为Ti、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：15≤a≤70、5≤b≤55、0≤c≤30、0≤d≤30、0≤e≤30。
进一步的，所述非晶合金为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14、Zr41.2Ti13.8Cu10Ni12.5Be22.5、Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5和Zr50.6Ti5.2Cu18.8Ni14.1Al14.3中的任意一种。
进一步的，所述合金为非晶合金与纳米晶合金的混合物，所述非晶合金的体积含量为90～100％，所述纳米晶合金的体积含量为0～10%。
进一步的，步骤（2）中，所述冰盘装置内合金工件的温度范围为-5～-20℃。
进一步的，步骤（3）中，步骤（3）中，所述加工刀具为硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具或金刚石刀具。
进一步的，步骤（4）中，所述切削速度为50-400m/min，进给速率为300-1500mm/min，背吃刀量为0.05-1mm。
进一步的，步骤（4）中，所述机械加工方式为车削、铣削、钻削和磨削中的任意一种。
本发明的有益效果：由于设置有冰盘装置，使得合金工件在加工的过程当中，可以通过冰盘装置的冰对合金工件起到固定作用，同时还可以用于对工件进行冷却，热交换形式由固--气交换转变为固--固交换，极大了加速加工区域与外界的热交换，使工件处于低温环境，防止合金的晶化；同时选择与合金工件相适配的加工刀具与加工参数，可以防止变形升温和摩擦升温过高，在保证加工温度低于合金的晶化温度的前提下，提升加工效率；并且在低温下刀具的粘接磨损被抑制，从而降低了切削力，减少了刀具的磨损，延长刀具寿命。
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是本发明的一种非晶合金的加工方法的工艺流程图。
图2是本发明的一种非晶合金的加工方法的操作流程图。
图中包括有：冰盘装置1、冰冻盘11、压缩空气热交换器12、压缩空气管道13、合金工件2、加工刀具3。
具体实施方式
如图1-2所示，一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置1内倒入适量的水，同时将合金工件2浸入冰盘装置1上；
（2）开启冰盘装置1，使得冰盘装置1内的水凝结成冰,并且通过冰将合金工件2完全固定于冰盘装置1上；
（3）根据加工要求，选择合适的加工刀具3，安装到加工机床上；
（4）根据加工要求，设置相匹配的切削速度、进给速率及背吃刀量，开启加工机床对合金工件2进行机械加工。
优选实施例中，步骤（1）中，所述冰盘装置1包括有冰冻盘11、压缩空气热交换器12和压缩空气管道13，所述冰冻盘11固定于所述压缩空气热交换器12上表面，所述压缩气气管连通于所述压缩空气热交换器12的一侧；冰盘装置1是一种无应力高效冰冻夹具，利用冰固定工件，冰可对工件进行包裹，减少脆性材料崩边等不良，可固定任意形状任意材料的工件，固定强度高，与强磁吸盘相当，同时加工中免切削液，加工完成后工件上无任何残渣残留；该冰盘装置在使用的过程当中，是依靠压缩空气热交换器12实现的，通过压缩空气管道13连接冰冻装置1的压缩空气热交换器13到用于提供压缩气体的空压机（图中未标示）上，然后在冰冻盘11上喷淋一定量的水，将合金工件2放置在冰冻盘11上，开启冰盘控制装置1，空压机产生的压缩空气就会带走冰冻盘11表面的热量，从而达到降温目的，使冰冻盘11表面的水结冰以固定零件。
优选实施例中，步骤（1）中，所述合金工件2为非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物。
优选实施例中，所述合金为为非晶合金，所述非晶合金的组成表示为ZraCub(Be,Al)cNidRe，其中R为Ti、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：15≤a≤70、5≤b≤55、0≤c≤30、0≤d≤30、0≤e≤30，进一步的，所述非晶合金为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14、Zr41.2Ti13.8Cu10Ni12.5Be22.5、Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5和Zr50.6Ti5.2Cu18.8Ni14.1Al14.3中的任意一种，使用有上述组成的非晶合金更适合采取本发明所述加工方法进行加工，可以有更好的加工效果。
优选实施例中，所述合金为非晶合金与纳米晶合金的混合物，所述非晶合金的体积含量为90～100％，所述纳米晶合金的体积含量为0～10%。
优选实施例中，步骤（2）中，所述冰盘装置1内合金工件2的温度范围为-5～-20℃，保证可以完全冰冻合金工件2，确保合金工件2达到预定温度。
优选实施例中，步骤（3）中，所述加工刀具3为硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具或金刚石刀具，选择合理的加工刀具，保证切削性能稳定。
优选实施例中，步骤（4）中，所述切削速度为50-400m/min，进给速率为300-1500mm/min，背吃刀量为0.05-1mm，选择合理的加工参数，可以防止变形升温和摩擦升温过高，在保证加工温度低于合金的晶化温度的前提下，提升加工效率。
优选实施例中，步骤（4）中，所述机械加工方式为车削、铣削、钻削和磨削中的任意一种，保证机械加工顺利进行。
本发明，通过选定合理的加工刀具，合理匹配冰冻盘温度和加工参数；利用冰辅助散热，利用加工参数控制合金变形升温和摩擦升温；通过以上方式保持加工处合金温度始终低于合金的晶化温度，获得高质量的非晶态加工表面，从而有效避免了现有加工技术因切削高温导致的合金已加工表面材料晶化等问题；同时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，获得高质量的非晶态加工表面，实现非晶合金的高效率加工。
实施例1
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将成分为Zr41.2 Ti13.8 Cu10 Ni12.5 Be22.5的非晶合金制备成100mm×50mm×2mm的非晶板材；该非晶合金的晶化温度为489℃，硬度为560HV，抗压强度为1900Mpa；将该非晶板材浸入冰盘装置上。
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将非晶板材完全固定于冰盘装置上；控制冰盘装置内非晶板材的温度为-10℃。
（3）刀具选用直径为4mm的4刃硬质合金CrSiN涂层立铣刀，安装到DMGmilltap700立式加工中心机床上。
（4）对该非晶板材的被加工区域进行侧铣加工成面，设定加工参数为切削速度100m/min，进给量1000mm/min，轴向切深0.5mm，径向切深0.2mm，切削长度36m，开启DMGmilltap700立式加工中心机床对非晶板材进行机械加工，同时对切削力以及刀具磨损进行检测。
（5）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
实施例2
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将成分为Zr41.2 Ti13.8 Cu10 Ni12.5 Be22.5的非晶合金制备成6mm，长度10mm的非晶棒材；该非晶合金的晶化温度为489℃，硬度为560HV，抗压强度为1900Mpa；将该非晶棒材浸入冰盘装置上。
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将非晶棒材完全固定于冰盘装置上；控制冰盘装置内非晶棒材的温度为-5℃。
（3）刀具选用立方氮化硼车刀片，安装到G-100全功能数控车床上。
（4）对非晶棒材的被加工区域进行车削加工；设定加工参数为切削速为300m/min，进给量200mm/min，切深0.1mm，切削长度12m；启G-100全功能数控车床对非晶棒材进行机械加工；同时对刀具磨损进行检测。
（5）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
实施例3
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将成分为Zr41.2Ti13.8Cu10Ni12.5Be22.5的非晶合金制备成100mm×50mm×2mm的非晶板材；该非晶合金的晶化温度为489℃，硬度为560HV，抗压强度为1900MPa；将该非晶板材浸入冰盘装置上。
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将非晶板材完全固定于冰盘装置上；控制冰盘装置内非晶板材的温度为-20℃。
（3）刀具选用直径为6mm的4刃硬质合金TiSiN涂层立铣刀，安装到DMGmilltap700立式加工中心车床上。
（4）对非晶板材的被加工区域进行侧铣加工成面；设定加工参数为切削速度150m/min，进给量800mm/min，轴向切深0.5mm，径向切深0.2mm，切削长度36m；启DMGmilltap700立式加工中心车床对非晶板材进行机械加工；同时对切削力以及刀具磨损进行检测。
（5）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
实施例4
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将成分为Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84的非晶合金制备成直径为5mm，长度12mm的非晶棒材；该非晶合金的晶化温度为493℃，硬度为493HV，抗压强度为1400 MPa将该非晶棒材浸入冰盘装置上。
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将非晶棒材完全固定于冰盘装置上；控制冰盘装置内非晶棒材的温度为-15℃。
（3）刀具选用聚晶金刚石车刀片，安装到G-100全功能数控车床。
（4）对非晶棒材的被加工区域进行车削加工；设定加工参数为切削速为380m/min，进给量150mm/min，切深0.1mm，切削长度12m；启动G-100全功能数控车床对非晶棒材进行机械加工；同时对刀具磨损进行检测。
（5）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
对比例1
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）将成分为Zr41.2 Ti13.8 Cu10 Ni12.5 Be22.5的非晶合金制备成100mm×50mm×2mm的非晶板材，将非晶合金板材质置于加工机床上使用虎钳夹紧，同时采用DMGmilltap700立式加工中心进行加工，干切削。
（2）刀具选用直径为4mm的4刃硬质合金CrSiN涂层立铣刀。
（3）对该非晶合金的被加工区域进行侧铣加工成面。设定加工参数为切削速度100m/min，进给量1000mm/min，轴向切深0.5mm，径向切深0.2mm，切削长度36m；同时对切削力以及刀具磨损进行检测。
（4）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
对比例2
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）将成分为Zr41.2 Ti13.8 Cu10 Ni12.5 Be22.5的非晶合金制备成6mm，长度10mm的非晶棒材；该非晶合金的晶化温度为489℃，硬度为560HV，抗拉强度为1900MPa，将非晶棒材质置于加工机床上使用虎钳夹紧，同时采用G-100全功能数控车床进行加工，干切削。
（2）刀具选用立方氮化硼车刀片。
（3）对该非晶合金的被加工区域进行车削加工。设定加工参数为切削速为300m/min，进给量200mm/min，切深0.1mm，切削长度12m；同时对刀具磨损进行检测。
（4）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
对比例3
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）将成分为Zr41.2 Ti13.8 Cu10 Ni12.5 Be22.5的非晶合金制备成100mm×50mm×2mm的非晶板材；该非晶合金的晶化温度为489℃，硬度为560HV，抗压强度为1900Mpa；将非晶合金板材质置于加工机床上使用虎钳夹紧，同时采用DMGmilltap700立式加工中心进行加工，使用常规切削油冷却润滑。
（2）刀具选用直径为6mm的4刃硬质合金TiSiN涂层立铣刀。
（3）对该非晶合金的被加工区域进行侧铣加工成面；设定加工参数为切削速度150m/min，进给量800mm/min，轴向切深0.5mm，径向切深0.2mm，切削长度36m；同时对切削力以及刀具磨损进行检测。
（4）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
对比例4
一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）将成分为Zr62.20Cu31.73Al3.23Ni2.84的非晶合金制备成直径5，长度12mm的非晶棒材。该非晶合金的，晶化温度为493°C，硬度为493HV，抗压强度为1400 Mpa；将非晶棒材质置于加工机床上使用虎钳夹紧，同时采用G-100全功能数控车床进行加工，使用常规微量润滑MQL设备冷却润滑。
（2）刀具选用聚晶金刚石车刀片。
（3）对该非晶合金的被加工区域进行车削加工。设定加工参数为切削速为300m/min，进给量200mm/min，切深0.1mm，切削长度12m；同时对刀具磨损进行检测。
（4）加工完成后，对已加共表面取样进行XRD测定。
检测实施例1-4和对比例1-4中刀具磨损、切削力、加工晶化情况的检测方法如下：
（1）采用HITACHI SU8220扫描电子显微镜进行切削刀具磨损观察。
（2）采用Kislter 9170旋转测力仪测量径向切削力。
（3）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10°至90°，得到XRD谱图。
检测结果如下表一所示：
表一
检测结论：从上述实施例和对比例的结果可以看出，对于非晶合金的加工，采用本发明提供的方法进行加工，切削温度均低于材料的晶化温度，加工表面的XRD图谱如图1所示，呈现出馒头峰，说明加工表面仍为非晶态，同时在低温下刀具的粘接磨损被抑制，从而降低了切削力，减少了刀具的磨损，延长刀具寿命。而采用常规冷却润滑技术和干切削对非晶合金进行加工，加工温度均超过合金的晶化温度，加工表面的XRD图谱如图2所示，呈现出尖峰，说明加工表面已发生晶化；同时，由于高温作用，导致合金发生晶化和熔化，致使刀具表面涂层发生严重脱落并伴随崩刃现象。
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 (10)
1.一种非晶合金的加工方法，包括以下步骤：
（1）往冰盘装置内倒入适量的水，同时将合金工件浸入冰盘装置上；
（2）开启冰盘装置，使得冰盘装置内的水凝结成冰,并且通过冰将合金工件完全固定于冰盘装置上；
（3）根据加工要求，选择合适的加工刀具，安装到加工机床上；
（4）根据加工要求，设置相匹配的切削速度、进给速率及背吃刀量，开启加工机床对合金工件进行机械加工。
2.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（1）中，所述冰盘装置包括有冰冻盘、压缩空气热交换器和压缩空气管道，所述冰冻盘固定于所述压缩空气热交换器上表面，所述压缩气气管连通于所述压缩空气热交换器的一侧。
3.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（1）中，所述合金工件为非晶合金或者非晶合金与纳米晶合金的混合物。
4.如权利要求2所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：所述合金为为非晶合金，所述非晶合金的组成表示为ZraCub(Be, Al)cNidRe，其中R为Ti、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：15≤a≤70、5≤b≤55、0≤c≤30、0≤d≤30、0≤e≤30。
5.如权利要求3所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：所述非晶合金为Zr62.44Cu32.73Al2.9Ni2.14、Zr41.2Ti13.8Cu10Ni12.5Be22.5、Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5和Zr50.6Ti5.2Cu18.8Ni14.1Al14.3中的任意一种。
6.如权利要求2所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：所述合金为非晶合金与纳米晶合金的混合物，所述非晶合金的体积含量为90～100％，所述纳米晶合金的体积含量为0～10%。
7.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（2）中，所述冰盘装置内合金工件的温度范围为-5～-20℃。
8.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（3）中，所述加工刀具为硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具或金刚石刀具。
9.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（4）中，所述切削速度为50-400m/min，进给速率为300-1500mm/min，背吃刀量为0.05-1mm。
10.如权利要求1所述的一种非晶合金的加工方法，其特征在于：步骤（4）中，所述机械加工方式为车削、铣削、钻削和磨削中的任意一种。
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