专利名称：一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法
技术领域：
本发明属于非晶合金新材料成形技术领域，特别是提供了一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法。可用于Zr-系、La-系、Pd-系等具有大过冷区域的大块非晶合金的成形。
背景技术：
精密成形技术是先进制造技术中十分重要的组成部分，是许多国防和民用尖端产品的关键技术，对提高一个国家工业竞争力和国防安全具有重大影响[李敏贤等.精密成形技术发展前沿.中国机械工程，2000，11(1-2)183-186]。精细零部件，特别是三维复杂形状零部件，可以采用精密铸造、精密塑性成形或注射成形工艺制备。一般而言，精密铸造所能成形的最小孔径和壁厚大于2mm、且成形件的尺寸和表面精度较低；注射成形在形状复杂的小型零件(尺寸小于50mm、重量小于250g)制造上具有优势，但其在最高精度水平下所能达到的1～1.6μm的表面粗糙度、±0.3％的尺寸精度仍不能满足某些特别精密器件的使用要求，而且尺寸和工艺的稳定性难以精确控制[曹勇家.金属注射成形发展的机遇和挑战.粉末冶金工业，2001，11(3)7-17]；精密塑性成形，无论是采用普通材料还是超塑性材料(目前有工业实用价值的是细晶超塑性材料)，都无法克服由于晶粒的各向异性和晶界在变形过程中的影响所导致的制品表面精度低、工具异常磨损等不利因素，同时对于某些零部件，如直齿圆柱齿轮的精密成形，可用于工业生产的成熟工艺还有待于进一步发展和完善。
大块非晶合金制备是近年来材料研究领域的重要成果之一，但其作为结构材料尚未获得广泛应用。大块非晶合金具有高强度(Zr基和Pd基大块非晶合金的抗拉强度均超过1600MPa)、优异的耐蚀性能(Ni基大块非晶合金的耐蚀性能是不锈钢的100倍以上)、高的冲击断裂能(Zr基和Pd基大块非晶合金的冲击断裂能分别达到63kJ/mm2和70kJ/mm2，而铝基高强度合金的冲击断裂能为12～36kJ/mm2)以及低的热膨胀系数、高硬度等[Inoue A，Hashimoto K.Amorphousand Nanocrystalline Materials.TokyoSpringer，2001]。因此，用大块非晶合金制备精密零部件可以获得比常规结构材料更优异的使用性能。
大块非晶合金在过冷区域(即玻璃转变温度和晶化开始温度之间)呈应变速率敏感指数m＝1的牛顿粘性流体状态(即便出现少量析晶，其在过冷区域的应变速率敏感指数也远远大于一般超塑性材料m≥0.3的要求)，是理想的超塑性材料。而且其较低的可加工温度，使其在模具材料的选用、减少对模具的热冲击以及节约能源等方面更具优势。
另一方面，国内对精细零部件超塑性成形研究较少，而在大块非晶合金的超塑性成形加工方面尚未见到相关的研究报道。
因此，以大块非晶合金为成形材料，进行精密零部件的超塑性成形研究，制备具有优异使用性能、高尺寸精度和表面精度的精细零部件，将进一步拓展大块非晶合金材料和超塑性成形技术的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大块非晶合金精密零部件超塑性模锻成形的装置及采用这种装置制备大块非晶合金精密零件的工艺。可成形外廓直径尺寸0.1～100mm、厚度尺寸0.1～50mm的各种复杂形状零部件，如齿轮类、实心或空心台阶轴(锥度轴)类以及等轴类扁薄零件等。根据不同零件的使用要求、复杂程度和尺寸范围，可以选择Zr-系、La-系、Pd-系、Cu-系等具有大过冷区域的大块非晶合金为成形材料。所制备的零件尺寸精度在±0.1％～±0.3％之间，表面粗糙度Ra小于0.8μm，甚至可以达到纳米级镜面。
本发明装置由真空炉1、可更换压头、模具三部分组成。可更换压头由内压头2、外压头3、滑块4、联结座5组成，模具由模具7、顶出机构8组成。真空炉的极限真空度为3×10-3Pa，采用电阻加热方式，最高温度800℃，可充氮气或氩气形成保护气氛。压头部分可以更换，对实心零件的成形，去掉外压头3、滑块4、联结座5，将内压头2更换为整体式平压头，实现一次成形；对空心零件则采用如图1所示的组合压头机构实现两步成形即坯料6和模具7在真空炉中加热到预定温度；在外加压力的作用下，内压头2和外压头3通过滑块4的作用同步向下运动，使坯料充填型腔，完成第一步成形——充型；然后滑块4滑入联结座5中，外压头3与联结座5联结，内压头2单独继续向下运动，成形内孔，完成第二步成形——冲孔。空心零件成形过程的主要特点是充型和冲孔两次动作在真空炉内连续完成。模具7部分带有顶出机构8，成形结束卸载后，直接将零件从模具7的模腔内顶出。
对于空心零部件，为提高制品尺寸精度，根据零件形状与坯料尺寸情况，也可采用二次成形方法(参考具体实施例)，即首先采用整体式平压头进行初步的充填成形，提高坯料形状与模腔形状的相似性，然后更换为组合式压头进行成形。
本发明的精密零件超塑性成形工艺为根据不同零件的使用要求，分别选择适当厚度和直径(根据零件体积计算确定)的Zr-系、La-系、Pd-系或Cu-系大块非晶合金坯料，将坯料和模具置于真空炉中，当真空度达到8×10-3Pa时，开始加热，加热速度0.5～3.0℃/s；加热温度应在Tg～Tx之间(Tg和Tx分别为所选合金的玻璃转变温度和晶化开始温度)，以保证在超塑性状态下成形；成形应变速率范围为5×10-4～1×10-2s-1。
本发明的主要优点采用真空或保护气氛，保证了成形零件的表面质量；采用顶出机构和特殊的压头机构保证成形和脱模在真空炉中连续完成，减少工艺流程和工艺周转时间。对空心零件采用两步成形工艺，使成形压力降低、充填型腔效果提高。选择具有较低超塑性成形温度、性能优异的大块非晶合金材料，降低了对模具材料、成形设备的要求。成形后的零部件轮廓清晰、尺寸稳定精确，力学性能大大优于常规结构材料(如不锈钢、钛合金、中低碳钢等)制品。
图1是本发明的超塑性模锻成形装置示意图。由真空炉1、内压头2、外压头3、滑块4、联结座5、坯料6、模具7、顶出机构8组成。
图2是用本发明装置成形的齿轮零件图。啮合参数齿形角α＝20°，齿数z＝24，模数m＝0.2具体实施例方式成形对象是某仪器上使用的如附图2所示的带轮毂直齿圆柱齿轮，其轮毂壁厚1mm，内孔直径φ2.6mm，尺寸公差0～+0.01mm，表面粗糙度1.6μm；齿顶圆直径φ6.5mm，尺寸公差-0.02～0mm，齿面粗糙度1.6μm。要求该零件具有高强度、高耐磨性和高耐蚀性。为此采用直径φ5mm的Zr41.25Ti3.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金棒作为成形材料(常温压缩屈服强度大于1.9GPa、维氏硬度大于5.0GPa)进行超塑性成形。成形温度为380～395℃、应变速率1×10-3～5×10-4s-1。成形过程分两步进行第一步使用整体式平冲头使金属初步充填齿形和轮毂部位，同时形成部分内孔；第二步换用组合式穿孔冲头形成内孔并迫使金属作径向流动，进一步充填齿形和轮毂下角。成形后的齿轮经测试分析证实没有发生晶化现象、较好地保持了大块非晶合金坯料原有的优异性能，同时成形件的尺寸精度和表面粗糙度达到了设计要求。
权利要求
1.一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置，其特征在于由真空炉(1)、可更换压头、模具三部分组成。可更换压头由内压头(2)、外压头(3)、滑块(4)、联结座(5)组成，模具由模具(7)、顶出机构(8)组成；真空炉的极限真空度为3×10-3Pa，采用电阻加热方式，最高温度800℃，可充氮气或氩气形成保护气氛；压头部分可以更换；模具(7)部分带有顶出机构(8)，成形结束卸载后，直接将零件从模具(7)的模腔内顶出。
2.一种按照权利要求1所述的超塑性模锻成形装置，其特征在于对实心零件的成形，去掉外压头(3)、滑块(4)、联结座(5)，将内压头(2)更换为整体式平压头，实现一次成形。
3.一种按照权利要求1所述的超塑性模锻成形装置，其特征在于对空心零件的成形，则采用组合压头机构实现两步成形即坯料(6)和模具(7)在真空炉中加热到预定温度；在外加压力的作用下，内压头(2)和外压头(3)通过滑块(4)的作用同步向下运动，使坯料充填型腔，完成第一步成形——充型；然后滑块(4)滑入联结座(5)中，外压头(3)与联结座(5)联结，内压头(2)单独继续向下运动，成形内孔，完成第二步成形——冲孔，实现空心零件成形过程的充型和冲孔两次动作在真空炉内连续完成。
4.一种按照权利要求1所述的超塑性模锻成形装置，其特征在于对于空心零部件，也可采用二次成形方法，即首先采用整体式平压头进行初步的充填成形，提高坯料形状与模腔形状的相似性，然后更换为组合式压头进行成形。
5.一种用权利要求1所述的超塑性模锻装置成形非晶合金精密零部件的方法，其特征在于以Zr-系、La-系、Pd-系或Cu-系大块非晶合金为成形坯料，将坯料和模具置于真空炉中，当真空度达到8×10-3Pa时，开始加热，加热速度0.5～3.0℃/s；加热温度应在Tg～Tx之间，Tg和Tx分别为所选合金的玻璃转变温度和晶化开始温度，以保证在超塑性状态下成形；成形应变速率范围为5×10-4～1×10-2s-1。
全文摘要
一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法,本发明提供了一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法，装置由真空炉(1)、可更换压头、模具三部分组成。可更换压头由内压头(2)、外压头(3)、滑块(4)、联结座(5)组成，模具由模具(7)、顶出机构(8)组成。其工艺为将坯料和模具置于真空炉中，当真空度达到8×10
文档编号B21J5/00GK1456401SQ03137428
公开日2003年11月19日 申请日期2003年6月23日 优先权日2003年6月23日
发明者谢建新, 张志豪, 周成, 刘新华 申请人:北京科技大学