CN115945663A - 一种非晶合金制件快速成型方法及非晶合金制件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非晶合金制件快速成型方法，包括如下步骤：S01、取非晶铸锭，制成板条状的初始预制件；S02、对所述初始预制件通电升温至软化温度；S03、利用锻模对所述半固态预制件进行压合成型，降至室温后得到所需非晶合金制件。本发明中的成型方法解决了现有技术中非晶压铸加工工艺存在的模具费用高、改模困难的技术问题。进一步地，本发明中还提供了一种由上述非晶合金制件快速成型方法制备得到的非晶合金制件，提供了一种结构简单、小体积、外观品质优异的非晶合金制件。

Description

一种非晶合金制件快速成型方法及非晶合金制件

技术领域

本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种非晶合金制件快速成型方法，以及利用该方法制备得到的非晶合金制件。

背景技术

非晶态合金（以下简称“非晶合金”）自上个世纪九十年代大规模商用化开发以来，诞生了各种不同用途、不同体系的非晶合金，包括现有技术中最常见的锆基非晶、铁基非晶，还包括热门研究方向中的钛基非晶、镍基非晶、钴基非晶等。

近十年来，因非晶合金具有高装配精度、高强度、高弹性形变的优异特性，其作为精密结构件的原材料得到了细分市场的青睐，市场的需求推动块体非晶合金的制备与应用取得了长足的发展。现有技术中，由非晶合金制成的精密结构件成型方法以压铸法为主，水淬法、铜模铸造法、粉末冶金等方法尽管也有所突破，但由于无法满足大批量制造所需要的高效率的要求，均停留在试验阶段，或者用于生产非晶板材、带材等形状结构简单单一的制品。

压铸法在非晶精密制件的批量化制造中具有无法比拟的优势，该方法制备的非晶制件尺寸一致性高、生产效率高，满足大批量生产的需求。但是压铸法也并非完美，其缺点也非常突出：压铸法的核心为模具组件，模具本身的加工制造费用非常高，使得前期项目导入的成本非常高，从而导致小批量的非晶合金项目在成本方面与其他常用材料（如不锈钢、镁铝合金、钛合金等）相比没有竞争力，限制了非晶合金的应用；进一步地，模具型腔的设计决定了非晶制件的形状和尺寸精度，而模具一旦制作完成，则很难进行更改，遇到制品设计更改或者尺寸调整等情况，只能更换模具，导致制造成本激增。

针对上述现有技术存在的缺陷，本领域技术人员提出了许多解决方案，中国专利201910424704 .4中提供了一种针对非晶薄壁件的冲压成型装置，该方法对于板带材或有可行性，但是由于常用非晶体系的塑性极差（几乎没有塑性），冲压工艺对于厚度大于0.1mm的非晶制件来说，根本无法达到二次成型的效果，只会在冲压施力的位置将非晶制件截断，无法成型。

中国专利202210085310.2中提供了一种利用超声对非晶产品进行成型处理的方法，该方法同时利用超声、高压和加热，采用半固态成型的方法，完成对非晶制件的成型。但是上述方法工艺复杂，需多种工艺进行配合，控制参数多变，而且要求所加工的块体非晶原料成型能力大于10mm，目前还比较难以应用于规模化的生产制程中。

发明内容

本发明的目的是提供一种非晶合金制件快速成型方法，旨在解决现有技术中非晶压铸加工工艺存在的模具费用高、改模困难的技术问题。进一步地，本发明中还提供了一种由上述非晶合金制件快速成型方法制备得到的非晶合金制件，提供了一种结构简单、小体积、外观品质优异的非晶合金制件。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种非晶合金制件快速成型方法，包括如下步骤：

S01、取非晶铸锭，制成板条状的初始预制件；

S02、对所述初始预制件通电升温至软化温度，所述初始预制件的升温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交，制成半固态预制件；

S03、利用锻模对所述半固态预制件进行压合成型，降至室温后得到所需非晶合金制件，所述非晶合金制件的降温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交。

本发明提供了一种如上述的非晶合金低成本、快速成型方法，通过制备预制件、快速升温、锻压、快速冷却达到快速成型的目的，即整体成型工艺不需要高昂的模具设计和制造的成本，成型速度快、成本低，适合应用于结构简单、品种多样的结构制件的批量化生产。S01中虽然也使用了压铸的方法制成初始预制件，但是该模具结构简单，只要能够加工成符合厚度要求的片状、条状即可，该类型的模具设计和加工都非常简单，而且耐用，只要制件的厚度相同同系列中不同制件可以通用一套模具（例如压铸成大片的非晶片材，后续通过物理切割即可获得尺寸小的预制件，不需要对小尺寸预制件重新开模），比起定制模具，模具成本节省90%以上，整体工艺比起现有压铸工艺节省成本70%以上。

进一步地，S01中，所述初始预制件厚度为0.1~3.0mm、导电截面面积≥120mm²。本发明中的方法更适合用于加工薄型制件，一方面是考虑到商用非晶合金体系形成能力一般很少超过8mm，若预制件的厚度过大，会掣肘非晶制件的结构设计（例如某个维度的长度就会受到限制），另一方面，厚度越大，通电加热不均匀的问题会越明显，影响加热和冷却过程，会造成非晶件晶化。导电截面面积同理，导电截面面积偏小会造成电阻过高，升降温速率过快的问题，同样会造成非晶晶化。

进一步地，S01中，所述初始预制件截面为长方形，且长宽比≥1.5。将初始预制件设为具有一定长宽比的板条状结构，可便于利用通电升温装置夹持，且利于计算升温所涉参数。

进一步地，S02中，所述软化温度高于所述非晶合金的玻璃转化点温度、低于所述非晶合金的熔点。依据成型结构确定；软化温度低于所述非晶合金的熔点的目的是避免温度大于熔点非晶完全成液态后，在成型时，原子扩散速度太快，则容易产生晶化现象，且容易被氧化；软化温度高于所述非晶合金的玻璃转化点温度的目的，是保证非晶初始预制件在加热后有变形能力。

初始预制件的升温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交，以及非晶合金制件的降温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交，两者目的均为避开非晶合金的晶化区，保证非晶制件在受热变形过程中无弛豫晶化的现象。

进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金，所述软化温度为480~800℃。再进一步地，优选软化温度为550~630℃。

进一步地，S02中，所述初始预制件的通电升温的时间为0.01~0.5s。通电升温时间不宜过长，以防止非晶板在高温环境下驰骤或晶化，同时，需确保温度不低于非晶合金的玻璃转化点温度。

进一步地，S02中，所述初始预制件的通电电流 I通过以下公式进行计算：

I=

其中， I为通电电流，单位为A； Q为升温所需的能量，单位为J； K为电源效率，根据所使用的通电电源选择，取0.18~0.35之间的数值； R为所述初始预制件的电阻，单位为Ω； T为通电升温的时间，单位为s；

其中 Q通过以下公式进行计算：

Q=C·M·（T _d  -  T _r ）

其中， C为所述非晶合金的比热容，单位为J/mol·K；M为所述初始预制件的物质的量，单位为mol； T _d 为软化温度，单位为K； T _r 为室温，单位为K。

进一步地，S03中，利用锻模对所述半固态预制件进行压合成型的时间≤2s；所述压合成型的环境温度高于所述非晶合金的玻璃转化点温度、低于所述非晶合金的熔点，同样也是为了避开非晶合金的晶化区，保证非晶制件在降温过程中无弛豫晶化的现象。

进一步地，步骤S02、S03均在惰性气氛中进行，优选氦气、氩气、氮气气氛中的一种。

本发明另一方面还提供了一种非晶合金制件，所述非晶合金制件由本发明中的快速成型方法制成。本发明方法制备得到的非晶合金制件生产速度快、效率高，能有效的降低非晶产品的生产成本，适合应用于结构简单、品种多样的结构制件的批量化生产，如眼镜、手表、首饰等产品中的金属构件。

附图说明

图1为本发明中非晶合金制件快速成型装置的结构示意图；

附图标号说明：

101、控制装置；102、107、电极；103、106、夹持装置；104、105、锻模；108、非晶制件；109、110、冷却装置；111、连接线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a,b,或c中的至少一项（个）”，或，“a,b,和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a, b, c, a-b（即a和b）, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

需要理解的是，本发明实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明公开的范围之内。具体地，本发明实施例中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。

本发明实施例提供了一种非晶合金制件的快速成型方法，其使用的装置示意图如附图1所示。以下文中将结合实施例与附图装置，详细阐述本发明中的快速成型方法。

本实施例中的快速成型方法步骤具体如下：

S01、取非晶铸锭，制成板条状的初始预制件。

取组成成分为Zr40Cu15Al20Ni15Ti10（元素后的数值为元素组分的原子比）的锆基非晶母合金铸锭，压铸成长度为150mm、宽度为100mm、厚度为2.5mm的初始预制件。在下一步骤中对长度方向的两端进行夹持，导电截面面积为250mm²。

对制备得到的初始预制件进行X-Ray检测和XRD检测，确认进入下一加工步骤的初始预制件没有发生晶化，且内部没有气孔或者未熔融的杂质，以避免后续通电加热过程中会产生局部过热的现象。

S02、将S01中得到的初始预制件通电升温至软化温度，初始预制件的升温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交，制成半固态预制件。

具体为：利用如附图1中的装置（装置组件之间的连接使用导电性能佳的纯铜制的连接线111），将非晶制件108的长度方向上的两端利用夹持装置103和106装夹在电极102和107之间。控制装置101为电源以及电源控制箱的组合装置，用于控制通电过程中的电流、电压、时间等参数。装夹好以后，确保非晶制件108与夹持装置103和106紧密接触，防止加热过程中出现打火现象。优选上述夹持装置103和106材料为电解铜材料，以降低电阻，减小通电过程的能量损耗。

设置好加热电流强度，保证非晶制件表面升温速度大于要求的临界速度，确保在预定的时间内达到预定的非晶制件表面温度。开启电极及模具冷却装置109、110及惰性气氛保护保护，通电加热。本实施例中，冷却装置使用水冷装置，惰性气氛选用氩气气氛。

初始预制件的通电电流 I通过以下公式进行计算：

I=

其中， I为通电电流，单位为A； Q为升温所需的能量，单位为J； K为电源效率，根据所使用的通电电源选择，取0.18~0.35之间的数值； R为所述初始预制件的电阻，单位为Ω； T为通电升温的时间，单位为s；

其中 Q通过以下公式进行计算：

Q=C·M·（T _d  -  T _r ）

其中， C为所述非晶合金的比热容，单位为J/mol·K；M为所述初始预制件的物质的量，单位为mol； T _d 为软化温度，单位为K； T _r 为室温，单位为K。

本实施例中，软化温度设为580℃，软化温度高于所使用的锆基非晶合金的玻璃转化点温度、低于所使用的锆基非晶合金的熔点。计算得到通电电流值后，设定通电升温的时间为6s，保证升温过程非晶预制件不产生晶化或弛豫现象。

本实施例中，C=10.5J/mol·K，M=1.505mol， T _d  -  T _r =500，K=0.24，R=0. 76Ω，T=0.1s，计算得到Q=8849.4J， I=696.54A。

S03、利用锻模对S02中得到的半固态预制件进行压合成型，降至室温后得到非晶合金制件，非晶合金制件的降温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交。本步骤同样在氩气气氛中进行。

具体为：到达指定温度后立即切断电源，松开夹持装置103和106，并且锻压模上模105压下，与静模104合模，将加热好的半固态预制件压入模腔内，成型所需要的形状。从到达温度到锻模压合不超过2秒，以防止半固态预制件在高温环境下驰骤或晶化，同时，压合成型的环境温度高于所使用的锆基非晶合金的玻璃转化点温度、低于所使用的锆基非晶合金的熔点。

上模105和下模104，均有水冷装置109、110。以保证非晶产品在成型后有足够的冷速，不产生弛豫和晶化现象。

S03完成后，开模顶出非晶制件即可。

由本发明实施例方法制备得到的非晶合金制件生产速度快、效率高，能有效的降低非晶产品的生产成本，适合应用于结构简单、品种多样的结构制件的批量化生产，如眼镜、手表、首饰等产品中的金属构件。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01、取非晶铸锭，制成板条状的初始预制件；

S02、对所述初始预制件通电升温至软化温度，所述初始预制件的升温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交，制成半固态预制件；

S03、利用锻模对所述半固态预制件进行压合成型，降至室温后得到所需非晶合金制件，所述非晶合金制件的降温曲线不与非晶合金TTT曲线相切或者相交。

2.根据权利要求1所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S01中，所述初始预制件厚度为0.1~3.0mm、导电截面面积≥120mm²。

3.根据权利要求1所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S01中，所述初始预制件截面为长方形，且长宽比≥1.5。

4.根据权利要求1所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S02中，所述软化温度高于所述非晶合金的玻璃转化点温度、低于所述非晶合金的熔点。

5.根据权利要求4所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，所述非晶合金为锆基非晶合金，所述软化温度为480~800℃。

6.根据权利要求1所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S02中，所述初始预制件的通电升温的时间为0.01-0.5s。

7.根据权利要求6所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S02中，所述初始预制件的通电电流I通过以下公式进行计算：

I=

，

其中，I为通电电流，单位为A；Q为升温所需的能量，单位为J；K为电源效率，根据所使用的通电电源选择，取0.18~0.35之间的数值；R为所述初始预制件的电阻，单位为Ω；T为通电升温的时间，单位为s；

其中Q通过以下公式进行计算：

Q=C·M·（T _d  - T _r ）

其中，C为所述非晶合金的比热容，单位为J/mol·K；M为所述初始预制件的物质的量，单位为mol；T _d 为软化温度，单位为K；T _r 为室温，单位为K。

8.根据权利要求1所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，S03中，利用锻模对所述半固态预制件进行压合成型的时间≤2s；所述压合成型的环境温度高于所述非晶合金的玻璃转化点温度、低于所述非晶合金的熔点。

9.根据权利要求1-8人员所述的非晶合金制件快速成型方法，其特征在于，步骤S02、S03均在惰性气氛中进行。

10.非晶合金制件，由权利要求9所述的快速成型方法制成。

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