專利名稱：一種塊體非晶合金坯件的加工方法及其所使用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塊體非晶合金坯件的加工方法及其所使用的設(shè)備，屬于金屬材料加工成形技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
塊體非晶合金又稱塊體金屬玻璃材料，是國(guó)際上二十世紀(jì)九十年代迅速發(fā)展起來的一類先進(jìn)材料。由于受當(dāng)時(shí)的各種非晶態(tài)合金形成時(shí)所必須的快速冷卻條件(＞106K/s)的限制，非晶態(tài)合金在以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)只能以粉、絲、薄帶等低維形式存在，大大削弱了非晶態(tài)合金性能潛力的充分發(fā)揮，同時(shí)也限制了非晶態(tài)合金的廣泛使用。直到二十世紀(jì)九十年代，Inoue和Johnson等人通過合金成分設(shè)計(jì)，突破了高速冷卻的限制，在常規(guī)鑄造技術(shù)所能夠達(dá)到的冷卻速度條件下(＜103K/s)制備出了塊體非晶合金材料，使得非晶態(tài)合金的研究與應(yīng)用跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。目前已經(jīng)發(fā)展出的塊體非晶合金體系包括金屬、過渡金屬、類金屬及稀土元素合金系，如Zr基、Fe基、Mg基、Ti基、Pd基和La基等塊體非晶合金材料等。塊體非晶合金具有許多優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)性能，因而在航空航天、能源化工、生物醫(yī)用和信息等領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力。由于塊體非晶合金是熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，原子排列沒有達(dá)到高度致密化，因此鑄造的塊體非晶合金存在很多空位和自由體積。通過對(duì)鑄造塊體非晶合金的加工變形，將有利于進(jìn)一步提高塊體非晶合金的致密度和強(qiáng)度，同時(shí)塊體非晶合金經(jīng)過加工成形，才能更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
塊體非晶合金在連續(xù)加熱時(shí)會(huì)發(fā)生由非晶—玻璃轉(zhuǎn)變—過冷液相—結(jié)晶化的連續(xù)轉(zhuǎn)變。過冷液相區(qū)ΔTx(ΔTx＝Tx-Tg，Tx，Tg分別為晶化溫度和玻璃轉(zhuǎn)變溫度)的存在是塊體非晶合金的內(nèi)稟特性，任何晶體合金都沒有這種特性。過冷液相有一種獨(dú)特的短程有序原子狀態(tài)，高密度的無序排列和較低的擴(kuò)散能力，對(duì)晶化有很強(qiáng)的阻力。在過冷液相區(qū)中，塊體非晶合金的粘度大幅度降低，具有很高的應(yīng)變速率敏感指數(shù)(約為1.0)和理想的Newtonian流變行為，可以通過理想的超塑性流變來加工變形。但是，目前塊體非晶合金材料的研究仍主要集中在成分體系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與性能以及制備技術(shù)等方面。盡管日本東北大學(xué)在塊體非晶合金的過冷液相區(qū)利用擠壓方法制造出了Zr基非晶齒輪，塊體非晶合金作為新一代高爾夫球拍材料也已經(jīng)商業(yè)化(Akihisa Inoue，Acta mater，48(2000)279-306)，但是面向?qū)嵱没膲K體非晶合金坯件加工技術(shù)還遠(yuǎn)未發(fā)展起來。主要原因是，塊體非晶合金在過冷液相區(qū)的加工變形，給實(shí)際操作帶來很大困難。一方面要求坯料加熱控溫精確，另一方面還要嚴(yán)格控制塑性形變過程中產(chǎn)生的溫升，由于普通加工方法很難產(chǎn)生均勻變形，所以變形熱不容易準(zhǔn)確計(jì)算，而且變形過程中的摩擦與潤(rùn)滑狀況非常復(fù)雜，無法維持恒定，所以變形過程中產(chǎn)生的溫升很難精確控制。同時(shí)，目前已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)塊體非晶合金的過冷液相區(qū)寬度只有幾十度，一旦溫度超過晶化溫度Tx將引起非晶晶化，而低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg由于非晶合金的低塑性和高強(qiáng)度，采用普通加工方法可能根本無法進(jìn)行加工，因此工藝控制難度非常大。尤其以塊體非晶合金為基的復(fù)合材料是超高強(qiáng)材料，例如，Zr基塊體非晶合金用W纖維復(fù)合后，壓縮斷裂強(qiáng)度高達(dá)3500～4000MPa，而未復(fù)合的Zr基塊體非晶合金為1800～2000MPa(張海峰，金屬學(xué)報(bào)，2001，V37(11)1131-1140)，其加工難度就更大。這些因素限制了塊體非晶合金加工技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種塊體非晶合金的加工方法，以解決塊體非晶合金尤其是過冷液相區(qū)寬度很窄的塊體非晶合金及其復(fù)合材料的加工成形和避免晶化等問題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種塊體非晶合金的加工方法所使用的設(shè)備。有力改善工件從模具出口后的應(yīng)力狀態(tài)，減輕“竹節(jié)斷裂”現(xiàn)象，并避免非晶晶化或者長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，采取以下技術(shù)方案一種塊體非晶合金坯件的加工方法，是采用靜液擠壓機(jī)通過高壓液體對(duì)塊體非晶合金進(jìn)行加工方法，包括如下步驟首先將塊體非晶合金棒坯封閉于預(yù)先加工好的包套中，然后一起放入加熱爐中加熱，加熱溫度為擠壓加工溫度，所述的擠壓加工溫度為待加工非晶材料的過冷液相區(qū)ΔTx的溫度，即晶化溫度Tx和玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg之間的溫度；同時(shí)，將潤(rùn)滑劑均勻涂敷于靜液擠壓機(jī)的擠壓模具表面，并將擠壓介質(zhì)加入靜液擠壓機(jī)的模腔，然后啟動(dòng)模腔的加熱系統(tǒng)，將模腔連同其中的擠壓介質(zhì)一起加熱到設(shè)定的擠壓加工溫度；將已加熱到設(shè)定擠壓加工溫度的包套和非晶坯料從加熱爐中取出，迅速裝入靜液擠壓機(jī)的模腔中，然后進(jìn)行擠壓加工；再將擠壓后的制品清理干凈，除去包套，即可得到加工好的塊體非晶合金坯件。
本發(fā)明采用靜液擠壓方法對(duì)塊體非晶合金進(jìn)行加工。靜液擠壓方法是特種加工方法之一，坯料在加工時(shí)處干高壓液體的包圍之中，受力狀態(tài)好，在模具入口處連續(xù)供應(yīng)高壓液體(通常還混有潤(rùn)滑液)，保證毛坯和模具接觸面之間有良好的連續(xù)潤(rùn)滑，從而可以降低摩擦力，使擠壓力大大下降，同時(shí)減少了材料擠壓時(shí)表面嚴(yán)重受剪引起的破壞，并使得工件表面與心部變形均勻，擠壓過程中材料在高靜水壓的作用下變形有可能抑制或減少材料變形中的微裂紋產(chǎn)生，在一定程度上還能使微小裂紋愈合，改善材料組織，提高材料的工藝塑性。因此，靜液擠壓方法可進(jìn)行低溫大變形量加工，特別適合加工硬脆等難變形材料。
在本發(fā)明的方法中，所述的包套材料根據(jù)在擠壓溫度區(qū)間其力學(xué)性能和塑性形變行為與待加工非晶材料的相近程度來選擇。因?yàn)?，在物質(zhì)世界中，要想找到兩種性能一致的材料非常困難的，因此，只能找到兩種性能相近的材料。所述“相近”是指上述兩種材料在擠壓溫度區(qū)間它們的力學(xué)性能和塑性形變行為接近，而且二者越接近越好。此外，包套的尺寸取決于待加工非晶材料的尺寸及擠壓比和應(yīng)變速率等因素。
在本發(fā)明的方法中，所述的待加工非晶材料為Zr基非晶合金，所述的包套材料選自A3鋼和純鐵等材料中的一種。
在本發(fā)明的方法中，所述的擠壓速率是指相當(dāng)于應(yīng)變速率為10-2s-1-1s-1。
在本發(fā)明的方法中，所述的封閉于包套中塊體非晶合金棒坯在加熱爐中加熱過程是加熱到設(shè)定溫度后保溫均熱2至5分鐘，且爐溫控制精確到±5℃。
在本發(fā)明的方法中，所述的模腔連同其中的擠壓介質(zhì)一起加熱到設(shè)定的擠壓加工溫度后，要保溫均熱2至5分鐘。
在本發(fā)明的方法中，加熱爐可以是電阻加熱爐，也可根據(jù)包套材料和非晶材料的種類選擇其它加熱方式，例如感應(yīng)加熱，紅外加熱等。
靜液擠壓用高壓介質(zhì)主要有各種植物油和礦物油、耐熱脂、熔融鹽和氧化物、玻璃以及低熔點(diǎn)金屬等。在本發(fā)明中，靜液擠壓用高壓介質(zhì)優(yōu)選蓖麻油。這是由于蓖麻油具有良好的潤(rùn)滑性能和合適的黏性，常被用作冷靜液擠壓與中、低溫靜液擠壓的高壓介質(zhì)。較高溫度范圍內(nèi)的靜液擠壓可用呈黏塑性變形行為的耐熱脂、熔融鹽乃至玻璃作高壓介質(zhì)，其中耐熱脂在實(shí)際生產(chǎn)中獲得較廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明的方法所使用的靜液擠壓機(jī)，可以是普通的靜液擠壓機(jī)，該擠壓機(jī)具有加熱系統(tǒng)、由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的擠壓軸，該擠壓軸裝配在擠壓筒的模腔內(nèi)，擠壓筒的前端設(shè)有擠壓模。也可以采用以下優(yōu)選的技術(shù)方案在普通的靜液擠壓機(jī)上還可以增加一反壓裝置，即，所述的擠壓模的前端依次又設(shè)有擠壓筒、擠壓模。實(shí)際上，反壓裝置還是一個(gè)靜液擠壓裝置(但沒有由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的擠壓軸及加熱系統(tǒng))，擠壓筒內(nèi)仍然有模腔，有擠壓介質(zhì)，但為加速擠壓后非晶坯件的冷卻，不設(shè)加熱系統(tǒng)。按照上述優(yōu)選技術(shù)方案對(duì)塊體非晶合金進(jìn)行加工，工件從模具出口進(jìn)入到反壓裝置的擠壓液體介質(zhì)中，有力改善工件從模具出口后的應(yīng)力狀態(tài)，減輕“竹節(jié)斷裂”現(xiàn)象，通過擠壓液體介質(zhì)還可以加強(qiáng)工件變形后的快速降溫冷卻作用，避免非晶晶化或者長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于靜液擠壓方法適于硬脆材料的強(qiáng)加工，同時(shí)，工件的應(yīng)力狀態(tài)好，變形均勻，潤(rùn)滑良好，變形熱可以較精確計(jì)算，而且高壓液體也會(huì)對(duì)工件有冷卻作用，可以較精確控制加工變形過程中的溫升。同時(shí)通過增加一反壓裝置，可減輕“竹節(jié)斷裂”現(xiàn)象，并且反壓裝置中擠壓液體介質(zhì)還可以加強(qiáng)工件變形后的降溫冷卻作用，避免非晶晶化或者長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫。另外，靜液擠壓的凹模采用高壓液體支撐，因此可以使用薄壁凹模，不需要凹模本體外圍加套預(yù)應(yīng)力圈，可以提高模具壽命和產(chǎn)品尺寸精度。一般說，冷靜液擠壓件的尺寸公差等級(jí)可達(dá)IT7～I(xiàn)T8，表面粗糙度可達(dá)Ra＝0.1～0.4μm，所以靜液擠壓方法也可以作為一種近凈成形技術(shù)。同時(shí)，通過控制塊體非晶合金型材晶化行為，也很可能進(jìn)一步獲得塊體納米晶或者非晶—納米晶復(fù)合材料型材。


圖1為本發(fā)明采用的靜液擠壓設(shè)備示意圖。
圖2為帶有反壓裝置的靜液擠壓設(shè)備示意圖。
圖3為在實(shí)施例1中的加工后的坯件用X射線檢測(cè)圖。
圖中1為擠壓制品；2、9為擠壓模；3、8為擠壓筒；4為包套；5為坯料；6、10為高壓介質(zhì)；7為擠壓軸。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用的靜液擠壓設(shè)備如圖1所示，該靜液擠壓機(jī)為公知的設(shè)備，該靜液擠壓機(jī)具有加熱系統(tǒng)(未圖示)、由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(未圖示)控制的擠壓軸7，擠壓軸7裝配在擠壓筒3的模腔內(nèi)，擠壓筒3的前端設(shè)有擠壓模2。使用時(shí)，將潤(rùn)滑劑均勻涂敷于靜液擠壓機(jī)的擠壓模2表面，并將擠壓介質(zhì)6加入靜液擠壓機(jī)的擠壓筒8的模腔內(nèi)，并通過擠壓軸7對(duì)封閉于包套4中的非晶合金坯料5進(jìn)行擠壓，并使其從擠壓模2擠出。
本發(fā)明采用的優(yōu)選的靜液擠壓設(shè)備如圖2所示，是在公知的靜液擠壓機(jī)以增加一反壓裝置，即在擠壓模2的前端依次又設(shè)有擠壓筒8、擠壓模9，擠壓筒8內(nèi)仍然有模腔，但為加速擠壓后非晶坯件的冷卻，不設(shè)加熱系統(tǒng)。并在擠壓筒8的模腔內(nèi)也加入高壓介質(zhì)10。擠壓制品1從擠壓模2出口進(jìn)入到反壓裝置的擠壓液體介質(zhì)10中，有力改善擠壓制品1從模具2出口后的應(yīng)力狀態(tài)，減輕“竹節(jié)斷裂”現(xiàn)象，通過擠壓液體介質(zhì)10還可以加強(qiáng)擠壓制品1變形后的快速降溫冷卻作用，避免非晶晶化或者長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫。
實(shí)施例1將直徑16mm的Zr55Al10Cu30Ni5合金棒坯5以較緊密配合裝入外徑25mm的A3鋼包套4中，然后一同放入精確控溫電阻加熱爐中加熱，爐溫控制精確到±5℃，加熱到390℃后保溫均熱2分鐘；選擇石墨+MoS2作為潤(rùn)滑劑，并將其均勻涂敷于擠壓模具2的表面，選擇蓖麻油作為擠壓介質(zhì)6，將其加入靜液擠壓機(jī)的模腔，然后啟動(dòng)模腔的加熱系統(tǒng)，將模腔連同其中的擠壓介質(zhì)6一起加熱到設(shè)定的擠壓溫度390℃，保溫均熱5分鐘；將已加熱好的包套4和非晶坯料5從電阻爐中拿出，迅速裝入擠壓機(jī)的模腔中，以合適的擠壓速率(應(yīng)變速率相當(dāng)于1×10-1s-1)進(jìn)行擠壓加工，擠壓比為2；將擠壓后的坯件制品1清理干凈，用車床除去包套5，即可得到加工好的直徑12mm的Zr55Al10Cu30Ni5合金棒坯件。加工后的坯件經(jīng)X射線檢測(cè)，見圖3，只有一個(gè)漫散的衍射峰，仍很好地保持了非晶結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2將直徑9mm的Zr41Ti14Ni10Cu12.5Be22.5合金棒坯5以較緊密配合裝入外徑20mm的純鐵包套4中，然后一同放入精確控溫電阻加熱爐中加熱，爐溫控制精確到±5℃，加熱到390℃后保溫均熱2分鐘；選擇石墨+MoS2作為潤(rùn)滑劑，并將其均勻涂敷于擠壓模具2的表面，選擇蓖麻油作為擠壓介質(zhì)6，將其加入靜液擠壓機(jī)的模腔，然后啟動(dòng)模腔的加熱系統(tǒng)，將模腔連同其中的擠壓介質(zhì)6一起加熱到設(shè)定的擠壓溫度390℃，保溫均熱5分鐘；將已加熱好的包套4和非晶坯料5從電阻爐中拿出，迅速裝入擠壓機(jī)的模腔中，以合適的擠壓速率(應(yīng)變速率相當(dāng)于1×10-1s-1)進(jìn)行擠壓加工，擠壓比為2；將擠壓后的坯件制品1清理干凈，用車床除去包套5，即可得到加工好的直徑7mm的Zr41Ti14Ni10Cu12.5Be22.5合金棒坯件。
權(quán)利要求
1.一種塊體非晶合金坯件的加工方法，其特征在于是采用靜液擠壓機(jī)通過高壓液體對(duì)塊體非晶合金進(jìn)行加工方法，包括如下步驟首先將塊體非晶合金棒坯封閉于預(yù)先加工好的包套中，然后一起放入加熱爐中加熱，加熱溫度為擠壓加工溫度，所述的擠壓加工溫度為待加工非晶材料的過冷液相區(qū)ΔTx的溫度，即晶化溫度Tx和玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg之間的溫度；同時(shí)，將潤(rùn)滑劑均勻涂敷于靜液擠壓機(jī)的擠壓模具表面，并將擠壓介質(zhì)加入靜液擠壓機(jī)的模腔，然后啟動(dòng)模腔的加熱系統(tǒng)，將模腔連同其中的擠壓介質(zhì)一起加熱到設(shè)定的擠壓加工溫度；將已加熱到設(shè)定擠壓加工溫度的包套和非晶坯料從加熱爐中取出，迅速裝入靜液擠壓機(jī)的模腔中，然后進(jìn)行擠壓加工；再將擠壓后的制品清理干凈，除去包套，即可得到加工好的塊體非晶合金坯件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的包套材料根據(jù)在擠壓溫度區(qū)間其力學(xué)性能和塑性形變行為與待加工非晶材料的相近程度來選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的待加工非晶材料為Zr基非晶合金，所述的包套材料選自A3鋼和純鐵等材料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的擠壓速率是指相當(dāng)于應(yīng)變速率為10-2s-1-1s-1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的封閉于包套中塊體非晶合金棒坯在加熱爐中加熱過程是加熱到設(shè)定溫度后保溫均熱2至5分鐘，且爐溫控制精確到±5℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的模腔連同其中的擠壓介質(zhì)一起加熱到設(shè)定的擠壓加工溫度后，要保溫均熱2至5分鐘。
7.一種權(quán)利要求1所述的方法所使用的擠壓機(jī)，該擠壓機(jī)具有加熱系統(tǒng)、由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制的擠壓軸，該擠壓軸裝配在擠壓筒的模腔內(nèi)。擠壓筒的前端設(shè)有擠壓模，其特征在于所述的擠壓模的前端依次又設(shè)有擠壓筒、擠壓模。
全文摘要
一種用于塊體非晶合金及其復(fù)合材料的加工方法及其所使用的設(shè)備，是采用靜液擠壓機(jī)，利用高壓液體進(jìn)行加工，將塊體非晶合金棒坯封閉于包套中，加熱到擠壓加工溫度即待加工非晶材料的過冷液相區(qū)ΔTx的溫度，將擠壓介質(zhì)加入靜液擠壓機(jī)的模腔，在擠壓加工溫度下進(jìn)行擠壓加工，除去包套，即可得到塊體非晶合金坯件。靜液擠壓設(shè)備增加一反壓裝置。解決塊體非晶合金尤其是過冷液相區(qū)寬度很窄的塊體非晶合金及其復(fù)合材料的加工成形和避免晶化問題。本發(fā)明工件的應(yīng)力狀態(tài)好，變形均勻，潤(rùn)滑良好，而且高壓液體也會(huì)對(duì)工件有冷卻作用，可較精確控制加工變形過程中的溫度，避免非晶晶化或者長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫。
文檔編號(hào)B21C23/00GK1683094SQ20041003361
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月12日
發(fā)明者張曙光, 胡捷, 朱學(xué)新, 熊柏青, 石力開 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院