一种非晶合金热压成形装置及工艺的制作方法

专利名称：一种非晶合金热压成形装置及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于非晶合金成形技术领域，特别涉及一种非晶合金热压成形装置 及工艺。
背景技术：
近年来，随着对块体非晶合金的成分、结构与性能研究的不断深入，人们 越来越认识到块体非晶合金所具有的优异物理、化学、力学性能及精密成型性， 将使之成为支撑未来精密机械、信息、航空航天器件、国防工业等高新技术的 关键材料。
与传统晶态合金材料相比，块体非晶合金材料在多项使用性能方面具有明 显的优势，并具有更为优异的力学性能，它们不仅在强度、弹性、韧性、硬度 等方面大大优于传统金属材料，而且在强度、疲劳性能等方面也不亚于晶体材
料。另外，非晶材料具有良好的加工性能，当温度超过Tg (玻璃化转变温度) 后，块体非晶合金的粘性随着温度的升高急剧降低，在较低应变速率条件下， 其应变速率敏感指数m值接近l，其塑性变形呈牛顿粘性流动特征，是理想的 超塑性材料，可对非晶合金进行各种微米甚至纳米级精密加工变形。
现有的非晶成形设备一般采用电阻加热的方式，升温速度较慢，加工过程 中温度的控制比较困难，然而，非晶合金超塑性变形的实现具有强烈的温度和 应变速率敏感性，目前绝大多数的大块非晶合金体系，其过冷液相区宽度(即 玻璃化转变温度Tg和晶化开始温度Tx之间)只有几十度，可供加工的温度区 间非常窄，为避龙非晶合金在加热成形过程中发生晶化，坯料变形温度一般处 于过冷液相区内，在这样一个较窄的温度范围内，成形应变速率一般只能控制 在1(T3 1(T4S"。按照上述的加热方式，加热时间太长，再加上很低的变形速率，不仅导致加工效率很低，而且还非常容易导致非晶合金在变形过程中晶化。

发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种非晶合金热压成形装置， 旨在解决现有的非晶成形设备加热时间长，变形速率低，加工效率低，导致非 晶合金在变形过程中容易晶化的问题。
本发明实施例所要解决的另 一个技术问题在于提供一种采用上述成形设备 进行非晶合金热压成形的工艺。
对于本发明的非晶合金热压成形装置来说，上述技术问题是这样加以解决
的该非晶合金热压成形装置具备真空、惰性气体或氮气保护环境以及处于所 述环境下的才莫具组、感应加热线圈，模具组包括上、下模和成形模，感应加热 线圈至少围绕于成形模周围的空间内，且不与成形模相接触。
对于本发明的非晶合金热压成形工艺来说，上述技术问题是这样加以解决 的该非晶合金热压成形工艺，采用上述非晶合金热压成形装置，包括在真空、 惰性气体或氮气保护环境下依次进行如下步骤
(1) 将非晶合金或具有非晶合金成分的晶体材料作为坯料置于成形模中， 采用感应加热，在一定成形压力下，以150~ 180°C/s的加热速度加热至Tg以 上温度，以10-2 ~ 10-3S"的应变速率成形得到工件；
(2) 将工件快速冷却至Tg以下温度，然后取模。
上述技术方案，由于采用感应加热方式，靠感应线圈把电能传递给要加热 的坯料，然后电能在金属内部转变为热能，感应线圏与被加热金属并不直接接 触，能量是通过电磁感应传递的。这样，可迅速集中加热成形坯料至Tg温度以 上，在Tg~Tm (非晶合金熔点)温度范围内或Tm温度以上进行热压成形，成 形应变速率可以达到10-2~ 10-3S_1,加工效率高，在短的升温时间内可有效防止 非晶合金在成形过程中的晶化。


图l是本发明一较佳实施例中的一种非晶合金热压成形装置结构示意图2是本发明 一较佳实施例中的一种非晶合金热压成形工艺温度曲线图。
具体实施例方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1显示了本发明实施例提供的一种非晶合金热压成形装置，包括密闭室
1,以及位于密闭室1内的模具组2，模具组2包括上模21、下模22和位于上、下模21、 22之间的成形模23,坯料100置于成形模23中。密闭室l上设有一阀体3,阀体3与抽真空系统或供气系统(图中未示出)相连接，可保证整个热压过程具有真空、惰性气体或氮气保护环境，可防止工件在高温下被氧化，以保证工件的表面质量。上、下模21、 22中分别集成有冷却装置，冷却装置包括冷却介质及供冷却介质流动的冷却管4,所述冷却管4插置于上、下模21、22中，其两端分别为冷却介质入口 41及冷却介质出口 42。这样，导入冷却介质后，可实现对型腔230的强制快冷，从而缩短工件在Tg温度以上的停留时间，这样有利于非晶制品获得良好的使用性能。
上述成形装置还包括感应加热线圈5,其至少围绕于成形模23周围的空间内，并且不与成形模23接触，在本实施例中，该感应加热线圈5进一步围绕于上、下才莫21、 22周围的空间内。该感应加热线圈5可以是普通感应加热线圈或;磁悬浮电石兹约束线圈，在本实施例中，该感应加热线圈5包括普通感应加热线圈51及》兹悬浮电》兹约束线圏52。由于采用感应加热方式，靠感应线圈4巴电能传递给坯料100，然后电能在金属内部转变为热能，感应线圏与被加热金属未直接接触，能量通过电磁感应传递，这样，可迅速集中加热坯料lOO至Tg以上温度，在Tg-Tm温度范围内或Tm温度以上进行热压成形，成形应变速率可以达到1(T2~ lO^S",加工效率高，在短的升温时间内可有效防止非晶合金在成形过程中的晶化。另外，需要指出的是，当成形温度为Tg以上时，普通感应加热线圏51均可以选用，但是，当成形温度大于Tm时，优选磁悬浮电磁约束线圈52作为加热线圈，此时，成形模23选用上表面无凹槽且为一平面的成形模，利用^f兹悬浮电^t约束线圏52内》兹场和液态金属感应出的涡流之间相互作用产生的电磁压力，使熔化的金属在无接触条件下保持一定的形状。这样可以最大限度的避免坯料与才莫具的接触，减少因坯料与模具接触而散失的热量，从而达到快速升温的目的。
本发明实施例提供一种非晶合金热压成形工艺，采用上述非晶合金热压成形装置，包括如下步骤
(1)将非晶合金或具有非晶合金成分的晶体材料作为坯料置于成形模23中，釆用感应加热，在一定成形压力下，以150~ 180。C/s的加热速度加热至Tg以上温度，以1(T2~ 1(^S"的应变速率成形得到工件；
(2 )将工件快速冷却至Tg以下温度，然后取模。
本实施例各步骤在真空、惰性气体或氮气保护环境下依次进行，惰性气体优选为氩气，这样可防止工件在高温下被氧化，以保证工件的表面质量。坯料成形过程在Tn。se (鼻尖温度)温度对应的时间点之前完成，参见图2的冷却曲线C。冷却后可通过机械或负压取模。
选择合适的感应线圏和感应加热电源，可以在2 ~ 4秒时间内将坯料加热至Tg-Tm成形温度，其时间一温度一晶化转变曲线，即TTT曲线如图2中A所示；甚至可将坯料加热超过Tm温度而成为液态，其TTT曲线如图2中B所示。这样，温度越高，非晶合金的粘性越小，即流动性越好，越有利于坯料成形。
本实施例中坯料为非晶体时，成形温度不小于Tg,成形压力小于200Mpa。成形温度为Tg-Tm时，压力优选为30MPa 200Mpa;成形温度大于Tm时，压力优选为小于30Mpa。
本实施例中坯料为具有非晶合金成分的晶体材料时，成形温度大于Tm,成形压力小于30Mpa，此时，优选磁悬浮电石兹约束线圏52作为加热线圏，成形模23选用上表面无凹槽且为一平面的成形模。
本实施例由于采用感应加热方式，可迅速集中加热坯料至Tg以上温度，在Tg ~ Tm温度范围内或Tm温度以上进行热压成形，成形应变速率可以达到l(T2 ~lO^S",加工效率高，在短的升温时间内可有效防止非晶合金在成形过程中的晶化。
本实施例中步骤(2)采用前述实施例中所提及的冷却装置进行，由冷却管4导入冷却介质，从出口42排出冷却介质，如此循环通入和排出冷却介质，可实现对型腔9的强制快冷，从而缩短工件在Tg温度以上的停留时间，保证冷却曲线C不与非晶合金的TTT曲线交叉，从而避免合金发生晶化，这样有利于非晶制品获得良好的使用性能。冷却介质可为水、油或液氮，优选水，更优选去离子水。此外，需要指出的是，本实施例也不排除采用将工件取出进行水冷的方式进行冷却。
根据不同零件的使用要求、复杂程度和尺寸范围，上述坯料可以为薄片、粉末、棒状或块状，坯料中非晶合金可以选择本领域所常见的非晶合金，例如Zr、 Cu、 Fe、稀土、 Ti、 Ni、 Al、 Mg、 Co、 Pd、 Au基非晶合金中的一种。其中，优选Zr、 Fe、 Cu、稀土、 Mg或Ti基非晶合金。上、下模21、 22的材料选用导热系数大于10W/m*K的金属或非金属材料。根据要加热的工件的形状和尺寸选择感应力口热线圈和感应加热电源，，力口热时，感应加热电源的振荡频率为lKHz 1.2MHz,额定输入功率为10KW 180KW，感应加热线圏匪数为2-6匝，线圈为平面线圏或筒形线圈。坯料若为薄片或粉末，线圏优选平面线圈，若为棒状或块状，则优选筒形线圈。
若选择块状坯料，其尺寸介于2mm 100mm之间，感应加热电源频率优选20KHz lOOKHz;若选择粉体坯料，粉体平均粒径小于2mm,感应加热电源的频率优选lOOKHz ~ 1.2MHz,感应电源额定输入功率优选为100KW-160KW。坯4+如果只估文表面复印处理，加热深度不超过10mm，感应加热电源额定输入功率优选为20KW~ 100KW;若加热深度超过10mm,感应电源额定输入功率优选为100KW 160KW。
上述非晶合金为Zr基、稀土基和Mg基非晶合金中的一种时，保护气体选用纯度大于98%的氩气，上、下模21、 22的材料选用导热系数大于50W/m*K的金属或非金属材料，例如钢、铜合金和石墨。
非晶合金采用Cu基、Fe基、Ti基、Ni基、Al基、Co基、Pd基和Au基非晶合金中的一种时，保护气体采用纯度大于99.9%的氩气或氮气，上、下模21、 22的材料可选用导热系数大于150W/m.K金属或非金属的材料，例如铜合金和高导热石墨等。
本实施例中上、下模21、 22选用铜合金、钢、陶乾或石墨材料制成，其中，若选用陶瓷，感应加热电源功率优选为小于80KW;选用铜合金、钢或石墨，感应加热电源功率则优选为大于40KW。
本发明实施例主要用于大块非晶合金的加工，由于采用感应加热方式，可迅速集中加热坯料至Tg以上温度，在Tg~ Tm温度范围内或Tm温度以上进行热压成形，大的温度区间降低了对温控精确度的要求，成形应变速率可以达到io-2~io-3s",加工效率高，在短的升温时间内可有效防止非晶合金在成形过程中的晶化。而且，上、下模21、 22中集成了冷却装置，不仅操作简单方便，提高了生产效率，而且可迅速将成形工件温度降至Tg温度以下，利于大块非晶制品获得良好的使用性能。此外，如果批量生产，原料的形状和尺寸固定，通过线圏形状、感应加热电源的功率和频率调整可实现对工件的准确升温。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种非晶合金热压成形装置，具备真空、惰性气体或氮气保护环境，以及处于所述环境下的模具组，所述模具组包括上、下模和位于所述上、下模之间的成形模，其特征在于，所述成形装置还包括感应加热线圈，所述感应加热线圈至少围绕于成形模周围的空间内，且不与成形模相接触。
2、 如权利要求1所述的非晶合金热压成形装置，其特征在于，所述感应加热线圈为磁悬浮电磁约束线圈。
3、 如权利要求1或2所述的非晶合金热压成形装置，其特征在于，所述上、 下模中分别集成有冷却装置。
4、 如权利要求3所述的非晶合金热压成形装置，其特征在于，所述冷却装 置具有可在所述上、下才莫中流动的冷却介质。
5、 如权利要求4所述的非晶合金热压成形装置，其特征在于所述冷却装 置具有供所述冷却介质流动的冷却管，所述冷却管插置于所述上、下模中，其 两端分别具有冷却介质入口及冷却介质出口 。
6、 一种非晶合金热压成形工艺，采用如权利要求1所述非晶合金热压成形 装置，包括在真空、惰性气体或氮气保护环境下依次进行如下步骤(1) 将非晶合金或具有非晶合金成分的晶体材料作为坯料置于成形模中， 采用感应加热，在一定成形压力下，以150- 180°C/s的加热速度加热至Tg以上 温度，以1(^-10-Ss"的应变速率成形得到工件；(2) 将工件快速冷却至Tg以下温度，然后取模。
7、 如权利要求6所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述步骤(2) 中，在所述上、下才莫中导入冷却介质，对工件进行冷却。
8、 如权利要求6所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述坯料为 非晶体，成形温度不小于Tg,成形压力小于200Mpa;其中，当成形温度为Tg Tm时，成形压力为30MPa 200Mpa;当成形温度大于Tm时，成形压力小于 30Mpa。
9、 如权利要求6所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述坯料为 非晶成分的晶体材料，成形温度大于Tm,成形压力小于30Mpa。
10、 如权利要求6所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述非晶 合金选自Zr基、Cu基、Fe基、稀土基、Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Co基、 Pd基和Au基非晶合金中的一种，所述上、下模材料选用导热系数大于10W/m*K 的金属或非金属材料，所述感应加热电源的振荡频率为lKHz 1.2MHz,额定 输入功率为10KW 180KW，感应加热线圈匝数为2~6匝，线圏为平面线圈 或筒形线圈；其中，当所述非晶合金为Zr基、稀土基和Mg基非晶合金中的一 种时，保护气体选用纯度大于98%的氩气，所述上、下模材料选用导热系数大 于50W/m*K的金属或非金属材料；当所述非晶合金为Cu基、Fe基、Ti基、 Ni基、Al基、Co基、Pd基和Au基非晶合金中的一种时，保护气体采用纯度 大于99.9%的氩气或氮气，所述上、下模材料选用导热系数大于150W/m《金 属或非金属的材料。
11、 如权利要求IO所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，当加热深 度不超过10mm时，感应加热电源额定输入功率为20KW~ 100KW;当加热深 度超过10mm时，感应电源额定输入功率为100KW 160KW。
12、 如权利要求IO所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述坯料 为块体或粉体非晶合金；其中，当所述坯料为块体非晶合金时，块体尺寸为 2mm 100mm,感应加热电源的振荡频率为20KHz ~ lOOKHz;当所述坯料为 粉体非晶合金时，平均粒径小于2mm,感应加热电源的振荡频率为100KHz 1.2MHz，感应电源额定输入功率为100KW 160KW。
13、 如权利要求IO所述的非晶合金热压成形工艺，其特征在于，所述上、 下模选用铜合金、钢、陶瓷或石墨材料制成；其中，当所述上、下模材料选用 陶瓷时，感应加热电源功率小于80KW;当所述上、下模材料选用铜合金、钢 或石墨时，感应加热电源功率大于40KW。
全文摘要
本发明提供了一种非晶合金热压成形的装置及工艺，该装置具备真空、惰性气体或氮气保护环境以及处于所述环境下的模具组、感应加热线圈，模具组包括上、下模和成形模，感应加热线圈至少围绕于成形模周围的空间内，且不与成形模相接触；该工艺包括在真空、惰性气体或氮气保护环境下依次进行如下步骤放入坯料、感应加热、热压成形、冷却和取模。本发明采用感应加热方式，可迅速集中加热成形坯料至T_g温度以上，在T_g～T_m温度范围内或T_m温度以上进行热压成形，成形应变速率可以达到10^-2～10^-3S^-1，加工效率高，在较短的升温时间内可有效防止非晶合金在成形过程中的晶化。
文档编号B21D22/00GK101468370SQ20071012570
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者张法亮, 马志军 申请人:比亚迪股份有限公司