一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置及工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置及工艺，装置包括与气缸相连的压板、能与压下的压板能形成凹形腔的固定座，固定座、气缸均固定在框架上，压板上设有通向凹形腔的氮气输孔，氮气输孔与氮气系统连接，压板上还设有加热非晶金属坯料的电热元件和测量温度的温度传感器，所述的固定座的底部设有通气孔与凹形腔相通，固定座上还设有冷却水道，冷却水道连接冷却水系统，所述的框架及其上的部件置于气氛箱内。本发明将非晶态合金膜包覆在零件的表面，改善零件的表面质量，使其具有优良的耐腐蚀和耐磨损性能，提高零件的使用寿命。
【专利说明】一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置及工艺
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非晶态金属玻璃气动成形装置及工艺，属于非晶态金属成形技术领 域。
【背景技术】
[0002] 金属玻璃又称非晶态合金，由于其独特的无序微观结构，使其既有金属和玻璃的 优点，又克服了它们各自的弊端。玻璃易碎，没有延展性；但金属玻璃的强度高于钢，硬度超 过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，所以，人们称金属玻璃为"敲不碎、砸不烂"的"玻 璃之王"。非晶态合金具有高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐蚀性等较好的力学、物理和化 学性能，从而决定其应用的领域非常广泛，具有广阔的应用前景。
[0003] 锆基非晶对于极限冷却速度的要求较低，可以在低于lOOK/s以下的冷却速度下 得到完全的非晶态组织，因而针对锆基非晶的零件有多种成形工艺。专利CN102877010A"一 种锆基块体非晶合金铸件的铸造成形方式"公开了一种锆基块体非晶合金铸件的铸造成 形方法，其铸件的化学成分的3七％是：2^5-45、1111-16、（：1110-15、附8-12、8616-25，熔炼 前对上述原材料用超声波在酒精介质中进行净化处理，再将每一种平均分成两份，按其各 自的密度，由下到上两次重复布料装入坩埚中，布料时要避免原料铜和铜坩埚相接触，以防 止原料铜熔化时与铜坩埚发生粘结；然后合炉进行抽真空，充入〇. 〇5MPa的氩气保护，开始 加热熔炼，在60KW、80KW、120KW各保持5分钟后将功率加至140KW使合金熔体的温度达到 800°C以上。专利CN101164722 "一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法"公开一 种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法。本发明方法是把合金母料加热熔化后注入 可溃型模具中，待熔融合金冷却后形成非晶态合金，模具溃型后对试件进行简单的清理即 可获得所需工件。利用可溃型模具通过铸造的方法制备出任何复杂形状的临界厚度在一定 范围内的非晶合金工件，实现了复杂非晶合金工件的制备、加工，净成形一体化技术。专利 CN1199747C "一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法"公开了一种用于大块 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。可以成形外廓直径尺寸0. 1?1〇〇_、厚度尺寸0. 1?50mm的各种复杂形状零部 件，如齿轮类、实心或实心台阶轴（锥度轴）类以及等轴类扁薄零件等。所发明的装置由真 空炉、可更换压头和模具三部分组成。专利CN100473472C "金属玻璃的成形方法"公开了 一种金属玻璃的成形方法。该方法在保持金属玻璃的非晶质的同时成形不产生表面缺陷的 成形品，即便是薄壁或厚度不等的成形品或复杂形状的成形品也可简单地成形。
[0004] 吹塑（又称吹塑模塑）是借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型塑料坯料吹胀 形成中空制品的方法，是第三种最常用的塑料加工方法，同时也是发展较快的一种塑料成 型方法。吹塑用的模具只有阴模（凹模），与注塑成型相比，设备造价较低，适应性较强，可 成型性能好（如：低应力）、可成型具有复杂起伏曲线（形状）的制品。
[0005] 非晶态合金在过冷液态时能像塑料一样具有良好的可塑性和较低的加工成本，在 室温时又能像钢铁一样具有很好的强度和硬度。非晶态合金在玻璃化温度Tg和晶化温度 Tx之间时，会逐渐软化并能像熔融的塑料一样流动，而且在一定的时间内不会出现晶化现 象，为此可以像吹塑工艺中对塑料坯料进行吹塑成形一样，利用一定压力的气体对非晶态 合金进行气动成形。非晶态合金具有高强度、高硬度和优良的耐磨及耐腐蚀性，而且表面光 亮、美观，但是非晶态合金的价格较高。黄铜、钢、热固性塑料等材料的价格要比非晶态合 金低很多，但是他们的某些物理和化学性能与非晶态合金相比，要差很多。由于非晶态合 金在300?400°C即可玻璃化，并具有极好的塑性，因而可以将非晶态合金包覆在其他材料 的表面，综合利用这些材料各自的优势，制造低成本、高强度、高硬度、耐磨损和耐腐蚀的零 件。通过将非晶态合金包覆在相应零件外表面，改善零件表面质量、耐磨性、耐腐蚀性，提高 零件的使用寿命，也可将包覆非晶态合金的零件用于其他零件无法承受的腐蚀环境。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置及工艺，将非晶 态合金膜包覆在零件的表面，改善零件的表面质量，使其具有优良的耐腐蚀和耐磨损性能， 提高零件的使用寿命。
[0007] 本发明采取的技术方案为：
[0008] -种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，包括与气缸相连的压板、能与压下 的压板形成凹形腔的固定座，固定座、气缸均固定在框架上，压板上设有通向凹形腔的氮气 输孔，氮气输孔与氮气系统连接，压板上还设有加热非晶金属坯料的电热元件和测量温度 的温度传感器，所述的固定座的底部设有通气孔与凹形腔相通，固定座上还设有冷却水道， 冷却水道连接冷却水系统，所述的框架及其上的部件置于气氛箱内。
[0009] 所述的气氛箱上设有真空泵和卸压阀。
[0010] 所述的冷却水系统包括冷却水箱，冷却水箱通过过滤器、水泵、冷却水阀门与冷却 水道相通。
[0011] 所述的氮气系统包括氮气发生器，氮气发生器通过油水分离器连接氮气罐，氮气 罐通过三位四通电磁阀与气缸连通，氮气罐通过电磁阀与氮气输孔连通。
[0012] 所述的电热元件、温度传感器连接温度控制器。
[0013] 所述的温度控制系统、冷却水系统、氣气系统与总控制系统连接。
[0014] 所述的氮气系统提供两路独立的氮气输送，一路用于控制气缸上行和下行，另一 路用于非晶态合金膜的吹塑成形。
[0015] 所述的气缸为双作用气缸，气缸上进（排）口进气时，气缸带动压板下行；气缸下 进（排）口进气时，气缸带动压板上行。
[0016] 利用上述装置通过气动成形包覆非晶态合金层的工艺，包括步骤如下：
[0017] (1)将需要包覆非晶态合金膜的零件和非晶态合金膜坯料放入气氛箱，将气氛箱 抽真空后通入氮气；
[0018] (2)将需要包覆非晶态合金膜的零件放在固定座上，再将非晶态合金膜坯料放上， 盖住需要包覆非晶态合金膜的零件；
[0019] (3)用压板压紧非晶态合金膜坯料，利用电热元件对压板进行加热，通过温度传感 器测量压板的温度，通过电热元件、温度传感器和温度控制器将压板的温度控制在非晶态 合金膜玻璃化温度以上15?25°C ;
[0020] (4)将高压氮气通入由压板和非晶态合金膜坯料所形成的空隙，对非晶态合金膜 坯料进行气动成形，并通过高压氮气使非晶态态合金膜贴合在需要包覆非晶态合金膜的零 件表面；
[0021] (5)通冷却水冷却后打开模具，取出工件。
[0022] 成批加工时，工艺步骤如下：
[0023] (1)将一批需要包覆非晶态合金膜的零件和非晶态合合金膜坯料放入气氛箱，通 过总控制系统给真空泵发送信号，利用真空泵对气氛箱抽真空；
[0024] (2)当真空度达到设定的值时，通过总控制系统给真空泵发送信号，真空泵停止工 作；同时，总控制系统给氮气系统发出控制信号，打开电磁阀，通过压板上的通道向气氛箱 内充氮气，当卸压阀开始排气时，关闭电磁阀；
[0025] (3)总控制系统给温度控制器发送信号，由温度控制器控制电热元件对压板加热； 总控制系统给冷却水系统发送信号，由冷却水系统向固定座的冷却水道供应冷却水；
[0026] (4)将需要包覆非晶态合金膜的零件放在固定座上，再将非晶态合合金膜坯料固 定座上，盖住需要包覆非晶态合金膜的零件；
[0027] (5)利用总控制系统给氮气系统发送信号，通过三位四通电磁阀控制由气缸上进 (排）口进气，由气缸的下进（排）口排气，使压板压紧非晶态合金坯料，利用电热元件对压 板进行加热，通过温度传感器测量压板的温度，通过电热元件、温度传感器和温度控制器将 压板的温度控制在非晶态合金膜玻璃化温度以上15?25°C。
[0028] (6)总控制系统给氮气系统发送信号，打开电磁阀，氮气进入由压板和非晶态合金 坯料所形成的空隙，对非晶态合金膜进行气动成形并贴合在需要包覆非晶态合金膜的零件 表面。
[0029] (7)总控制系统给氮气系统发送信号，关闭电磁阀，停止气动成形的氮气供应。同 时，利用总控制系统给氮气系统发送信号，通过三位四通电磁阀控制由气缸上进（排）口排 气，由气缸的下进（排）口进气，压板上升，打开模具，取出工件；
[0030] (8)重复（4)?（7)，直到完成所有零件（放在气氛箱内）的非晶态合金合金膜的 包覆过程。
[0031] (9)打开气氛箱，取出所有零件。
[0032] (10)重复（1)?（9)，进行下一批零件的处理。
[0033] 成形时，先将需要包覆非晶态合金的零件放在固定座内，再将非晶态合金膜放在 固定座上，并盖住需要包覆非晶态合金的零件；由气缸带动压板压住非晶态合金膜，并由温 度控制器控制压板的温度；由氮气系统往压板与非晶态合金膜之间通入氮气，对非晶态合 金膜进行气动成形，让非晶态合金膜贴合在需要包覆非晶态合金的零件表面；通过固定座 对非晶态合金膜进行冷却；通过气缸带动压板上升，取出包覆非晶态合金膜的零件；再进 行下一个工作循环。
[0034] 本发明的有益效果是：
[0035] 除固定座以外，工装中的其他零件均可通用，对于不同的零件，只需要更换相应的 固定座即可，工装结构简单，工装的加工成本低。
[0036] 利用气动成形技术对非晶态合金膜进行吹塑成形，可以成形厚度很薄的非晶态合 金膜，并将其包覆在零件的表面。
[0037] 包覆的非晶态合金膜厚度很小，包覆过程中所用的非晶态合金少，包覆工艺的成 本低。
[0038] 利用气动成形技术对非晶态合金膜进行吹塑成形，需要包覆的零件即为成形的阳 模或阴模，不需要专门加工模具。
[0039] 包覆工艺不受零件形状的限制，可对任意复杂形状的零件进行非晶态合金膜的包 覆。
[0040] 非晶态合金包覆在相应零件外表面，改善零件表面质量、耐磨性、耐腐蚀性，提高 零件的使用寿命，也可将包覆非晶态合金的零件用于其他零件无法承受的腐蚀环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1为本发明装置结构示意图；
[0042] 图2为本发明氮气系统结构示意图；
[0043] 图3为本发明冷却水系统结构示意图；
[0044] 图4为实施例1振荡器的零件图；
[0045] 图5为实施例1得到的非晶态合金膜厚度分布情况；
[0046] 图6为实施例1得到的产品形貌图；
[0047] 其中，1、氮气系统，2、温度控制器，3、冷却水系统，4、温度传感器，5、压板，6、非晶 态合金膜，7、需要包覆非晶态合金膜的零件，8、冷却水道，9、固定座，10、框架，11、电热元 件，12、气氛箱，13、气缸，14、总控制系统，15、真空泵，16、卸压阀，17、氮气发生器，18、油水 分离器，19、氮气罐，20、压力表，21、三位四通电磁阀，22、电磁阀，23、冷却水箱，24、过滤器， 25、水泵，26、冷却水阀门。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合【具体实施方式】和实施例进一步说明。
[0049] 一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，包括与气缸13相连的压板5、能与 压下的压板5能形成凹形腔的固定座9,固定座9、气缸13均固定在框架10上，压板5上设 有通向凹形腔的氮气输孔，氮气输孔与氮气系统1连接，压板5上还设有加热非晶金属坯料 的电热元件11和测量温度的温度传感器4,所述的固定座9的底部设有通气孔与凹形腔相 通，固定座9上还设有冷却水道8,冷却水道8连接冷却水系统3,所述的框架10及其上的 部件置于气氛箱12内。
[0050] 氮气系统包括氮气发生器17,氮气发生器17通过油水分离器18连接氮气罐19， 氮气罐19通过三位四通电磁阀21与气缸13连通，氮气罐19通过电磁阀22与氮气输孔连 通。
[0051] 冷却水系统3包括冷却水箱23,冷却水箱23通过过滤器24、水泵25、冷却水阀门 26与冷却水道8相通。
[0052] 为了避免非晶态合金膜的氧化，影响其表面质量，成形工装置入充有氮气作为保 护气氛的气氛箱中。所述的气氛箱12上设有真空泵15和卸压阀16。
[0053] 氮气系统1、温度控制器2、和冷却水系统3均通过信号线与总控制系统14相连 接；固定座通过内六角螺钉与框架10相连接；气缸的杆部通过螺纹与压板5相连接；真空 泵15通过信号线与总控制系统14相连接。
[0054] 在固定座的中心部位，设置有通气孔，便于由非晶态合金膜与需要包覆非晶态合 金膜的零件所围成的空腔内的氮气沿着固定座与需要包覆非晶态合金膜的零件之间的空 隙排出，有利于非晶态合金膜贴合需要包覆非晶态合金膜的零件的表面，保证成形质量。
[0055] 在固定座中设置有冷却水道，在整个过程中利用冷却水对需要包覆非晶态合金膜 的零件、贴合以后的非晶态合金膜进行冷却。
[0056] 在压板中设置有电热元件，利用电热元件对压板进行加热，并通过压板以热传导、 热辐射的形式对非晶态合金膜进行加热。
[0057] 在压板中设置有温度传感器，利用温度传感器测量压板的温度，实现对压板和非 晶态合金膜温度的精确控制。
[0058] 非晶态合金膜分为两部分，一部分是由压板和固定座夹持的部分，另一部分是位 于压板和需要包覆非晶态合金膜的零件之间的部分。由压板和固定座夹持的部分，在成形 过程中不参与变形，另一部分在气动成形过程中通过厚度减薄，表面积增大的形式与需要 包覆非晶态合金膜的零件的表面进行贴合。
[0059] 当需要压板压紧非晶态合金膜时，气缸的上进（排）口进气，下进（排）口排气， 压板下行，压紧非晶态合金膜；成形结束后，气缸的上进（排）口排气，下进（排）口进气， 压板上升，打开工装，拿出包覆了非晶态合金膜的零件。
[0060] 成形过程中，由气缸排出的氮气、进入压板进行气动成形的氮气，最终都排放到气 氛箱中，对气氛箱进行保护气氛的补充。
[0061] 气氛箱设置有用于操作的密封手套，手套的根部固定在气氛箱上，并保证密封。气 氛箱上设置有卸压阀，当气氛箱的气压高于设置值时，通过卸压阀减压。
[0062] 成形过程中，将一批零件和非晶态合合金膜坯料放入气氛箱，然后利用真空泵对 气氛箱抽真空，再通过氮气系统向气氛箱内充氮气，然后就可以对这一批零件表面进行非 晶态合金贴膜处理。
[0063] 工艺过程如下：
[0064] (1)将一批需要包覆非晶态合金膜的零件和非晶态合合金膜坯料放入气氛箱，通 过总控制系统给真空泵发送信号，利用真空泵对气氛箱抽真空；
[0065] (2)当真空度达到设定的值时，通过总控制系统给真空泵发送信号，真空泵停止工 作；同时，总控制系统给氮气系统发出控制信号，打开电磁阀，通过压板上的通道向气氛箱 内充氮气，当卸压阀开始排气时，关闭电磁阀。
[0066] (3)总控制系统给温度控制器发送信号，由温度控制器控制电热元件对压板加热； 总控制系统给冷却水系统发送信号，由冷却水系统向固定座的冷却水道供应冷却水。
[0067] (4)将需要包覆非晶态合金膜的零件放在固定座上，再将非晶态合合金膜坯料固 定座上，盖住需要包覆非晶态合金膜的零件。
[0068] (5)利用总控制系统给氮气系统发送信号，通过三位四通电磁阀控制由气缸上进 (排）口进气，由气缸的下进（排）口排气，使压板压紧非晶态合金坯料，并对非晶态合金膜 进行加热30?180秒。
[0069] (6)总控制系统给氮气系统发送信号，打开电磁阀，氮气进入由压板和非晶态合金 坯料所形成的空隙，对非晶态合金膜进行气动成形并贴合在需要包覆非晶态合金膜的零件 表面。
[0070] (7)总控制系统给氮气系统发送信号，关团电磁阀，停止气动成形的氮气供应。同 时，利用总控制系统给氮气系统发送信号，通过三位四通电磁阀控制由气缸上进（排）口排 气，由气缸的下进（排）口进气，压板上升，打开模具，取出工件。
[0071] (8)重复（4)?（7)，直到完成所有零件（放在气氛箱内）的非晶态合金合金膜的 包覆过程。
[0072] (9)打开气氛箱，取出所有零件。
[0073] (10)重复（1)?（9)，进行下一批零件的处理。
[0074] 实施例1 :振荡器通过气动成形包覆非晶金属层（不完全包覆）
[0075] 包覆非晶态合金前的振荡器是采用压铸工艺生产，材料为YZAlSilOMg。为了增强 其表面光洁度、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能，在其表面通过气动成形技术包覆一层非晶态 合金，非晶态合金的成分为Zr58. 5Cul5. 6Nil2. 8A110. 3Nb2. 8。非晶态合金原材料的厚度为 0. 08mm，通过真空甩带工艺得到。要求：在振荡器球面区域表面包覆0. 03-0. 06mm厚的非晶 态合金膜，在中心的圆柱表面包覆〇. 01-0. 〇3_厚的非晶态合金膜。
[0076] 非晶态合金Zr58. 5Cul5. 6Nil2. 8A110. 3Nb2. 8的玻璃化温度和晶化温度分别为 385°C和470°C，在加热温度为405°C时，可以保温30分钟而没有晶化现象，可以满足包覆工 艺的要求。采用上述装置及工艺，在气动成形过程中，将温度控制器的温度设置为405°C ; 压板压紧非晶态合金坯料，对非晶态合金膜进行加热的时间为60秒；抽真空时，设置的真 空度为〇· 〇〇lPa ;卸压阀的压力设置为150000Pa ;氮气系统的压力为2. OMPa。
【权利要求】
1. 一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，包括与气缸相连的压板、能 与压下的压板能形成凹形腔的固定座，固定座、气缸均固定在框架上，压板上设有通向凹形 腔的氮气输孔，氮气输孔与氮气系统连接，压板上还设有加热非晶金属坯料的电热元件和 测量温度的温度传感器，所述的固定座的底部设有通气孔与凹形腔相通，固定座上还设有 冷却水道，冷却水道连接冷却水系统，所述的框架及其上的部件置于气氛箱内。
2. 根据权利要求1所述的一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，所 述的冷却水系统包括冷却水箱，冷却水箱通过过滤器、水泵、冷却水阀门与冷却水道相通。
3. 根据权利要求1所述的一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，所 述的氮气系统包括氮气发生器，氮气发生器通过油水分离器连接氮气罐，氮气罐通过三位 四通电磁阀与气缸连通，氮气罐通过电磁阀与氮气输孔连通。
4. 根据权利要求1所述的一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，所 述的气氛箱上设有真空泵和卸压阀。
5. 根据权利要求1所述的一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，所 述的电热元件、温度传感器连接温度控制器。
6. 根据权利要求1所述的一种通过气动成形包覆非晶态合金层的装置，其特征是，所 述的温度控制系统、冷却水系统、氮气系统与总控制系统连接。
7. 利用权利要求1-6任一项所述装置通过气动成形包覆非晶态合金层的工艺，其特征 是，包括步骤如下： (1) 将需要包覆非晶态合金膜的零件和非晶态合金膜坯料放入气氛箱，将气氛箱抽真 空后通入氮气； (2) 将需要包覆非晶态合金膜的零件放在固定座上，再将非晶态合金膜坯料放上，盖住 需要包覆非晶态合金膜的零件； (3) 用压板压紧非晶态合金膜坯料，利用电热元件对压板进行加热，通过温度传感器测 量压板的温度，通过电热元件、温度传感器和温度控制器将压板的温度控制在非晶态合金 膜玻璃化温度以上15?25°C ; (4) 将高压氮气通入由压板和非晶态合金膜坯料所形成的空隙，对非晶态合金膜坯料 进行气动成形，并通过高压氮气使非晶态态合金膜贴合在需要包覆非晶态合金膜的零件表 面； (5) 通冷却水冷却后打开模具，取出工件。
【文档编号】C23C6/00GK104152842SQ201410427399
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】李辉平, 贺连芳, 孔令亮, 盖康 申请人:山东科技大学