一种非晶合金件加工方法与流程

本发明属于金属材料制件加工领域，具体涉及一种非晶合金制件的加工方法。

背景技术：

非晶合金材料是近年来研究最多的新型金属材料之一，非晶合金因其微观结构短程有序长程无序的特点，具备高硬度、高强度、好的成型能力等优点。非晶合金因其本身优良特性，在许多行业中逐渐取代传统金属材料。在手机、平板电脑等电子电器制造领域中，随着电子产品逐渐轻薄化、穿戴式电子产品的兴起，电子产品的结构设计越来越薄，结构也越来越复杂。相比起传统材料，如不锈钢在成型能力上的局限，又如铝合金在强度上的缺陷，非晶合金材料能够直接利用现有技术中的压铸工艺进行复杂结构的成型，在制备出超薄结构件的同时又能够保证结构件的强度。

尽管非晶合金材料具有优异的成型性，但是在实际应用过程中，非晶合金材料往往需要根据针对所开发产品的结构设计在铸造出来毛坯件以后进行进一步的精细加工，如钻孔、在制件内部加设空腔、在外侧加工出模具精度难以达到的特异形状，用于满足产品整体装配的需求以及外观设计的需求。在对非晶合金制件进行机械精细加工的过程中，正是由于非晶合金材料具备高硬度高强度的特点，使得机械精细加工尤其困难，主要表现在一下几个方面：

1、非晶合金一旦成型，由于具有过于稳定的物化性质，如锆基非晶合金和铜基非晶合金可达到维氏硬度500（HV3.0）以上，铁基、非晶合金可以达到更高，这样对机械加工的刀具就提出的挑战，如利用现有刀具或者CNS进行钻孔攻牙，丝锥和CNC刀头的损耗率非常高，导致加工工艺的成本居高不下而且加工过程会影响到非晶合金制件尺寸稳定性，导致产品良率低。

2、精细加工几乎没有可能，尤其是针对非晶合金制件内腔的精细化加工。

3、非晶合金制件一旦成型以后，为保持其特有的非晶态微观结构，需避免进行二次热加工，局部长时间加工或者为解决某些装配问题所采取的涉及到高温的工艺，如焊接与产品其他零部件的连接部件，往往会导致非晶合金制件表面氧化以及局部晶化，对产品品质影响极大。

技术实现要素：

针对现有技术中非晶合金制件难以进行机械加工，尤其针对难以进行精细化加工的问题，本发明提供了一种新的非晶合金件加工方法，该方法简单易行，通过合理设计，可加工出复杂非晶合金制件、异形非晶合金制件、具有复杂内腔的非晶合金制件等利用现有机械加工方法难以进行处理的非晶合金制件加工工艺。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

本发明中提供的非晶合金件制备方法，包括如下步骤：

S01：将具有预定形状且能够通过利用预定溶液溶解、施加外力作用或者改变环境温度将其去除的植入体置入模具内的设定位置；

S02：将非晶合金熔体注入模具内成型，使非晶合金与所述植入体结合形成非晶合金毛坯件；

S03：将非晶合金毛坯件取出后，再利用预定溶液溶解植入体、施加外力或者改变环境温度使植入体与非晶合金件本体分离；

S04：去除经S03步骤处理后的非晶合金件表面的植入体残留物，得到所需非晶合金件。

与现有技术加工金属制件的工艺路线：制备出金属制件框架→机械去除“待去除料”不同，本发明的非晶合金件加工方法中在非晶合金件铸造过程中，将“待去除料”采用预制为易加工处理的植入体，待毛坯件成型后，再根据不同植入体的特性，采用不同的方法将其去除，从而得到常规加工方法无法获取的异形结构件。

在本发明中，采用的植入体材质为耐热塑料、黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙、水溶性陶瓷中的一种或者多种或者以上述材料为原料的复合材料。

进一步地，所述水溶性陶瓷为由陶瓷粉体、水溶性无机盐与熔融塑化剂均匀混合制成的混合物。

进一步地，所述植入体材质为聚苯酯、聚苯并咪唑、聚硼二苯基硅氧烷或者其他添加无机矿物填料提升其使用温度达500℃以上的改性塑料中的一种或者多种；利用普通切刀切割、电热切刀切割、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸中一种或多种方式去除上述植入体。

进一步地，所述植入体材质为硬度低于维氏硬度HV 300的黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙；利用普通切刀切割、CNC、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸中一种或多种方式去除上述植入体。

进一步地，所述植入体材质为黑色金属、铜及铜合金、镁及镁合金、锌及锌合金、铍及铍合金中的一种或者多种；利用强酸溶液作为预定溶液溶解去除上述植入体。

进一步地，所述植入体材质为铝及铝合金、铍及铍合金中一种或多种；利用强碱溶液作为预定溶液溶解去除上述植入体。

进一步地，所述植入体材质为金属钙、水溶性陶瓷中的一种或者多种；利用循环水流或者冲击水流作为预定溶液溶解去除上述植入体。

进一步地，所述植入体材质为金属钙，利用含有络合剂的水溶液作为预定溶液去除上述植入体。所述优选络合剂为NTA、EDTA、HEDTA、DTPA中的一种。

进一步地，所述植入体材质为耐热塑料、铜及铜合金、铍及铍合金、水溶性陶瓷中的一种或者多种；利用改变环境温度或者改变环境温度与施加机械外力相结合的方式去除上述植入体。

进一步优选处理，所述耐热塑料材质植入体使用前做表面处理，使其表面能低于25mJ/m²。

进一步地，所述非晶合金为锆基非晶合金、铁基非晶合金、铜基非晶合金、铝基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、钛基非晶合金、稀土基非晶合金。所述植入体设于非晶合金件内腔、外侧或者边缘。所述非晶合金毛坯成型方法包括重力铸造、熔模铸造、压力铸造、吸铸。

本发明具有如下有益效果：本发明提供了一种新的非晶合金件加工方法，该方法简单易行，通过合理设计，可加工出复杂非晶合金制件、异形非晶合金制件、具有复杂内腔的非晶合金制件等利用现有机械加工方法难以进行处理的非晶合金制件加工工艺。

附图说明

图1为根据本发明中实施例的非晶合金件加工方法制得的非晶合金与植入体的毛坯结构示意图，其中植入体为阶梯状；

图2为根据本发明中实施例的非晶合金件加工方法制得的另一非晶合金与植入体的毛坯结构示意图，其中植入体为薄片状；

图3为根据本发明中实施例的非晶合金件加工方法制得的另一非晶合金与植入体的毛坯结构示意图，其中植入体为螺钉状。

具体实施方式

以下结合附图以及对实施例的进一步详细描述来对本发明的技术方案做进一步的讲解，使本发明中的技术方案更为容易理解。

现有技术中对金属之间进行二次机械精加工的工艺路线为：制备出金属制件框架结构、然后机械去除多余部分保留所需部分。与现有技术加工工艺的路线不同，本发明中采用的思路是在制备非晶合金件时就将待去除部分作为植入体与需保留的非晶合金制件部分用不同材料作为区分，使两种不同材料的结构制件在模具中一体成型，然后再根据不同植入体的特性，采用相适宜的方式将其去除，从而获得通过常规方法无法获取的结构件。

实施例1 加工包含异形内腔的非晶合金件

如附图1所示的非晶合金件，非晶合金件本体101内包含有一阶梯状的内腔102，这样复杂结构的内腔制件采用现有技术中的加工方法无法得到。

利用本发明中的思路，本实施例中采用的加工方法为：

S01：制备出具有附图1中所示，与内腔102结构相同的阶梯状植入体，将其置入非晶合金件铸造模具内的设定位置；

S02：将非晶合金熔体注入模具内成型，使非晶合金与所述植入体结合形成非晶合金毛坯件；

S03：将非晶合金毛坯件取出后，根据植入体的特性去除植入体；

S04：去除经S03步骤处理后的植入体残留物，得到所需非晶合金件。

对于加工上述复杂结构的内腔，可采用如下多种加工工艺：

1.1 S01中选择植入体材质为黑色金属如铸铁、生铁、铜及铜合金如无氧铜、普通黄铜、镁及镁合金、锌及锌合金、铍及铍合金中的一种或者多种制成如附图1所示内腔102的阶梯状结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属钻头除掉可见的植入体部分，然后再利用10-25wt%的硫酸溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在酸液中溶解量可忽略不计。

1.2 S01中选择植入体材质为铝及铝合金、铍及铍合金中一种或多种制成如附图1所示内腔102的阶梯状结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属钻头除掉可见的植入体部分，然后再利用饱和氢氧化钠或者饱和氢氧化钾溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在饱和碱液中溶解量可忽略不计。

金属铍是一种两性碱土金属，酸碱皆可与之反应。在制备非晶合金件的过程中应用铍或者铍合金还具有一个其他金属无法比拟的优点：铍元素微量渗入非晶合金件本体中可增强非晶合金本体的成形性和增强其塑性。在本实施例中，优选采用硬度适中的铍铜合金作为植入体材质。

1.3 S01中选择植入体材质为金属钙或者水溶性陶瓷制成如附图1所示内腔102的阶梯状结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，将毛坯件置入预定溶液中，所述预定溶液可选择使用自来水，同时可辅助采用循环水流或者冲击水流冲击植入体部分，使植入体部分溶解速度加快，进一步地，还可对上述预定溶液进行适当的升温。

当采用金属钙作为植入体材料时，溶解植入体的水中可添加适量的络合剂，如NTA、EDTA、HEDTA、DTPA中的一种，其中DTPA络合钙离子的稳定常数最高，络合效率也为最高，推荐使用。上述4中络合剂工艺成熟、市场化程度高，应用过程中的浓度根据植入体的体积大小进行选择即可。在本实施例试验过程中，发明发现使用草酸、酒石酸、柠檬酸和葡萄糖酸也可作为耦合剂的选择，但是相比起上述四种络合剂效果稍弱，可适当添加与NTA、EDTA、HEDTA、DTPA中的一种配合使用，能够起到辅助提升去除钙植入体的效果。在该步骤中还可使用其他起到钙离子络合作用的络合剂，考虑到工业化的实用性，本发明中仅优选上述四种较为优质并常见、易得的络合剂，但是其他可实现相同技术目的的物质只要与本发明的构思相同，都应落入本发明的保护范围内。

水溶性陶瓷是由陶瓷粉体、水溶性无机盐与熔融塑化剂均匀混合制成的混合物。水溶性陶瓷植入体的制备方法为将陶瓷原料混合均匀后进行注射成型，成型工艺简单。水溶性陶瓷化学性质稳定，不会发生界面反应，而且热膨胀率也非常小，应用于本发明中时，不仅成型性能好、变形率小，而且去除工艺简单，利用水流持续冲击即可，无需采用其他添加剂，所以采用水溶性陶瓷作为植入体加工工艺产生的工业废水环保性最佳，简单过滤后即可重复循环使用。综合考虑原料来源和价格等因素，水溶性陶瓷使用的陶瓷粉体优选为氧化硅、氧化铝、氧化锆、莫来石、锆英石等，无机盐优选采用碳酸钾、氯化钠、氯化钾、硫酸钾、硫酸钠、硼酸钾、硼酸钠、磷酸钾、磷酸钠等，熔融塑化剂则可优选采用蜡和热塑性聚合物的混合物，所述热塑性聚合物如聚乙二醇、聚乙烯、聚乙烯醇等，还可采用油类产品与蜡组成的塑化剂。本实施例中采用的水溶性陶瓷植入体原料为50-70wt%无机盐、20-45wt%陶瓷粉体、2-10wt%塑化剂混合而成，搅拌均匀后注射成型，然后烧结制得。

在加工包含异形内腔的非晶合金件的工艺中，主要可采用上述3中工艺方法，考虑到复杂内腔中植入体更加难以去除，故实施例1中并不采用耐热塑料作为植入体材料。结合后续实施例的说明可以知道，如果内腔结构为直上直下较为简单的结构，或者具有拔模角度易于去除的结构，则采用耐热塑料为较佳选择。

实施例2 加工包含侧边空腔结构的非晶合金件

2.1 S01中选择植入体材质为黑色金属如铸铁、生铁、铜及铜合金如无氧铜、普通黄铜、镁及镁合金、锌及锌合金、铍及铍合金中的一种或者多种制成如附图2所示侧边空腔202所示结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属钻头除掉可见的植入体部分，然后再利用10-25wt%的硫酸溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在酸液中溶解量可忽略不计。

2.2 S01中选择植入体材质为铝及铝合金、铍及铍合金中一种或多种制成如附图2所示侧边空腔202所示结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属钻头除掉可见的植入体部分，然后再利用饱和氢氧化钠或者饱和氢氧化钾溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在饱和碱液中溶解量可忽略不计。

2.3 S01中选择植入体材质为金属钙或者水溶性陶瓷制成如附图1所示侧边空腔202所示结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，将毛坯件置入预定溶液中，所述预定溶液可选择使用自来水，同时可辅助采用循环水流或者冲击水流冲击植入体部分，使植入体部分溶解速度加快，进一步地，还可对上述预定溶液进行适当的升温。

本实施例中，加工侧边空腔的难度略低于实施例1中内腔。在本实施例2.1-2.3的方法中，可优选采用植入体材料为硬度低于维氏硬度HV 300的黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙等，然后利用普通切刀切割、CNC、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸中一种或多种方式去除上述植入体。若加工复杂结构的侧边空腔，则可先用机械方式去除大部分的植入体，然后再利用化学溶解的方法去除残留植入体。由于维氏硬度低于HV300的材质加工难度远远低于硬度动辄高于HV450的非晶合金材料，所以上述加工步骤难度非常低、效率高。

2.4 对于侧边空腔的加工，本发明中提出的最优选的加工方法为采用植入体材质为耐热塑料，优选耐热塑料为聚苯酯、聚苯并咪唑、聚硼二苯基硅氧烷或者其他添加无机矿物填料提升其使用温度达500℃以上的改性塑料中的一种或者多种。将植入体置入模具后与非晶合金一同成型，待非晶合金毛坯件成型后，利用普通切刀切割、电热切刀切割、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸中一种或多种方式去除上述植入体。

非晶合金铸造用的熔汤温度在1000-1200℃，在该温度下，普通塑料完全无法成型，大部分都会被烧损。在非晶合金铸造过程中，随着熔汤流入模具进行分布，最终进入模具内的非晶熔液温度并没有熔料池内的高温，尤其较为大型的非晶合金件进行铸造时，侧边温度更低。利用上述特点，在加工侧边空腔时，采用使用温度耐受度达到500℃及以上的耐热塑料即可满足本发明中的需求，尤其可使用耐热性改性塑料，如填充硅灰石、云母、铝矾土、纳米蒙脱石、滑石粉、石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等优良耐热添加剂的塑料。

使用上述耐热塑料作为植入体材料的优点在于：首先，应用于本发明中的耐热塑料的强度、塑性等理化性质要求不要，只要能满足本发明中的需求成型即可，这样的要求不仅扩大了塑料的选择范围，而且能够很大程度上降低塑料的成本；其次，塑胶材料的硬度强度比金属低得多，采用机械方式即可快速去除，避免使用化学溶剂造成工业废水的排放。

2.5 进一步地，还可将植入体材料设为耐热塑料、铜及铜合金、铍及铍合金、水溶性陶瓷中的一种或者多种，然后利用改变环境温度或者改变环境温度与施加机械外力相结合的方式去除上述植入体。

耐热塑胶材料、铜及铜合金、铍及铍合金、水溶性陶瓷是本发明选择作为植入体材质中热膨胀系数最大的材料，以耐热塑胶材料为最，铜及铜合金、铍及铍合金次之。非晶合金对温度较为敏感，一次成型后应避免热处理以免对非晶合金微观结构造成改变，如重结晶晶化。所以，在本实施例中，采用耐热塑胶材料、铜及铜合金、铍及铍合金、水溶性陶瓷作为植入体时，将加工完毕后的非晶合金毛坯件进行降温处理，降到0℃以下，当植入体体积小且薄时，部分接触点会明显与脱离非晶合金本体，在此条件下进行机械去除植入体会更加简单，

进一步地，在使用该工艺时，优选表面能低的原材料，如对耐热塑胶和水溶性陶瓷材料进行表面改性、抛光合金植入体表面，使植入体表面表面能低于25mJ/m²。表面能低的植入体更加容易与非晶合金本体分离。低温与低表面能的植入体表面是实现本工艺加工方法中的优选。

实施例3 加工包含螺纹结构的非晶合金件

3.1 S01中选择植入体材质为黑色金属如铸铁、生铁、铜及铜合金如无氧铜、普通黄铜、镁及镁合金、锌及锌合金、铍及铍合金中的一种或者多种制成如附图3所示的螺纹302结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属丝锥除掉可见的植入体部分，然后再利用10-25wt%的硫酸溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在酸液中溶解量可忽略不计。

3.2 S01中选择植入体材质为铝及铝合金、铍及铍合金中一种或多种制成如附图3所示的螺纹302结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，可优先利用机械加工的手段去除明显可见的植入体，如先利用金属丝锥除掉可见的植入体部分，然后再利用饱和氢氧化钠或者饱和氢氧化钾溶液冲刷植入体部分，使植入体全部溶解。由于非晶合金已经合金化，微观结构稳定，具备非常好的抗腐蚀性，短时间内在饱和碱液中溶解量可忽略不计。

3.3 S01中选择植入体材质为金属钙或者水溶性陶瓷制成如附图3所示的螺纹302结构，然后置入模具内。

待非晶合金毛坯件成型后，将毛坯件置入预定溶液中，所述预定溶液可选择使用自来水，同时可辅助采用循环水流或者冲击水流冲击植入体部分，使植入体部分溶解速度加快，进一步地，还可对上述预定溶液进行适当的升温。

因螺纹结构对进度要求高，在工艺方法3.1-3.3中不宜采用硬度较低的植入体材料，因为一旦植入体材料硬度低，往往会导致铸造的过程中发生一定的形变，从而导致螺纹结构公差过大，会带来后续组件装配上的问题。考虑到上述问题极易去除植入体加工过程的难易程度，在实际操作中，优选维氏硬度在HV400左右的金属材料。由于螺纹结构对进度要求高，热膨胀性能略高的耐热塑料不宜在此使用。

本发明中所制备的非晶合金件使用的非晶合金原料可为锆基非晶合金、铁基非晶合金、铜基非晶合金、铝基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、钛基非晶合金、稀土基非晶合金。制备非晶合金件的成型方法包括重力铸造、熔模铸造、压力铸造、吸铸等模具铸造。非晶合金铸造工艺非本发明中的创造性发明点，故在此不加赘述。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。