一种块体非晶合金坯件的加工方法及其所使用的设备技术

一种用于块体非晶合金及其复合材料的加工方法及其所使用的设备，是采用静液挤压机，利用高压液体进行加工，将块体非晶合金棒坯封闭于包套中，加热到挤压加工温度即待加工非晶材料的过冷液相区ΔＴｘ的温度，将挤压介质加入静液挤压机的模腔，在挤压加工温度下进行挤压加工，除去包套，即可得到块体非晶合金坯件。静液挤压设备增加一反压装置。解决块体非晶合金尤其是过冷液相区宽度很窄的块体非晶合金及其复合材料的加工成形和避免晶化问题。本发明专利技术工件的应力状态好，变形均匀，润滑良好，而且高压液体也会对工件有冷却作用，可较精确控制加工变形过程中的温度，避免非晶晶化或者长时间处于较高温度发生结构驰豫。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种块体非晶合金坯件的加工方法及其所使用的设备，属于金属材料加工成形

技术介绍
块体非晶合金又称块体金属玻璃材料，是国际上二十世纪九十年代迅速发展起来的一类先进材料。由于受当时的各种非晶态合金形成时所必须的快速冷却条件(＞106K/s)的限制，非晶态合金在以后相当长的一段时期内只能以粉、丝、薄带等低维形式存在，大大削弱了非晶态合金性能潜力的充分发挥，同时也限制了非晶态合金的广泛使用。直到二十世纪九十年代，Inoue和Johnson等人通过合金成分设计，突破了高速冷却的限制，在常规铸造技术所能够达到的冷却速度条件下(＜103K/s)制备出了块体非晶合金材料，使得非晶态合金的研究与应用跨入了一个崭新的时代。目前已经发展出的块体非晶合金体系包括金属、过渡金属、类金属及稀土元素合金系，如Zr基、Fe基、Mg基、Ti基、Pd基和La基等块体非晶合金材料等。块体非晶合金具有许多优异的力学和物理化学性能，因而在航空航天、能源化工、生物医用和信息等领域具有很大应用潜力。由于块体非晶合金是热力学亚稳态，原子排列没有达到高度致密化，因此铸造的块体非晶合金存在很多空位和自由体积。通过对铸造块体非晶合金的加工变形，将有利于进一步提高块体非晶合金的致密度和强度，同时块体非晶合金经过加工成形，才能更好地满足实际应用的需要。块体非晶合金在连续加热时会发生由非晶—玻璃转变—过冷液相—结晶化的连续转变。过冷液相区ΔTx(ΔTx＝Tx-Tg，Tx，Tg分别为晶化温度和玻璃转变温度)的存在是块体非晶合金的内禀特性，任何晶体合金都没有这种特性。过冷液相有一种独特的短程有序原子状态，高密度的无序排列和较低的扩散能力，对晶化有很强的阻力。在过冷液相区中，块体非晶合金的粘度大幅度降低，具有很高的应变速率敏感指数(约为1.0)和理想的Newtonian流变行为，可以通过理想的超塑性流变来加工变形。但是，目前块体非晶合金材料的研究仍主要集中在成分体系设计、结构与性能以及制备技术等方面。尽管日本东北大学在块体非晶合金的过冷液相区利用挤压方法制造出了Zr基非晶齿轮，块体非晶合金作为新一代高尔夫球拍材料也已经商业化(Akihisa Inoue，Acta mater，48(2000)279-306)，但是面向实用化的块体非晶合金坯件加工技术还远未发展起来。主要原因是，块体非晶合金在过冷液相区的加工变形，给实际操作带来很大困难。一方面要求坯料加热控温精确，另一方面还要严格控制塑性形变过程中产生的温升，由于普通加工方法很难产生均匀变形，所以变形热不容易准确计算，而且变形过程中的摩擦与润滑状况非常复杂，无法维持恒定，所以变形过程中产生的温升很难精确控制。同时，目前已发现的大多数块体非晶合金的过冷液相区宽度只有几十度，一旦温度超过晶化温度Tx将引起非晶晶化，而低于玻璃转变温度Tg由于非晶合金的低塑性和高强度，采用普通加工方法可能根本无法进行加工，因此工艺控制难度非常大。尤其以块体非晶合金为基的复合材料是超高强材料，例如，Zr基块体非晶合金用W纤维复合后，压缩断裂强度高达3500～4000MPa，而未复合的Zr基块体非晶合金为1800～2000MPa(张海峰，金属学报，2001，V37(11)1131-1140)，其加工难度就更大。这些因素限制了块体非晶合金加工技术的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种块体非晶合金的加工方法，以解决块体非晶合金尤其是过冷液相区宽度很窄的块体非晶合金及其复合材料的加工成形和避免晶化等问题。本专利技术的另一个目的在于提供一种块体非晶合金的加工方法所使用的设备。有力改善工件从模具出口后的应力状态，减轻“竹节断裂”现象，并避免非晶晶化或者长时间处于较高温度发生结构驰豫。为实现这样的目的，采取以下技术方案一种块体非晶合金坯件的加工方法，是采用静液挤压机通过高压液体对块体非晶合金进行加工方法，包括如下步骤首先将块体非晶合金棒坯封闭于预先加工好的包套中，然后一起放入加热炉中加热，加热温度为挤压加工温度，所述的挤压加工温度为待加工非晶材料的过冷液相区ΔTx的温度，即晶化温度Tx和玻璃转变温度Tg之间的温度；同时，将润滑剂均匀涂敷于静液挤压机的挤压模具表面，并将挤压介质加入静液挤压机的模腔，然后启动模腔的加热系统，将模腔连同其中的挤压介质一起加热到设定的挤压加工温度；将已加热到设定挤压加工温度的包套和非晶坯料从加热炉中取出，迅速装入静液挤压机的模腔中，然后进行挤压加工；再将挤压后的制品清理干净，除去包套，即可得到加工好的块体非晶合金坯件。本专利技术采用静液挤压方法对块体非晶合金进行加工。静液挤压方法是特种加工方法之一，坯料在加工时处干高压液体的包围之中，受力状态好，在模具入口处连续供应高压液体(通常还混有润滑液)，保证毛坯和模具接触面之间有良好的连续润滑，从而可以降低摩擦力，使挤压力大大下降，同时减少了材料挤压时表面严重受剪引起的破坏，并使得工件表面与心部变形均匀，挤压过程中材料在高静水压的作用下变形有可能抑制或减少材料变形中的微裂纹产生，在一定程度上还能使微小裂纹愈合，改善材料组织，提高材料的工艺塑性。因此，静液挤压方法可进行低温大变形量加工，特别适合加工硬脆等难变形材料。在本专利技术的方法中，所述的包套材料根据在挤压温度区间其力学性能和塑性形变行为与待加工非晶材料的相近程度来选择。因为，在物质世界中，要想找到两种性能一致的材料非常困难的，因此，只能找到两种性能相近的材料。所述“相近”是指上述两种材料在挤压温度区间它们的力学性能和塑性形变行为接近，而且二者越接近越好。此外，包套的尺寸取决于待加工非晶材料的尺寸及挤压比和应变速率等因素。在本专利技术的方法中，所述的待加工非晶材料为Zr基非晶合金，所述的包套材料选自A3钢和纯铁等材料中的一种。在本专利技术的方法中，所述的挤压速率是指相当于应变速率为10-2s-1-1s-1。在本专利技术的方法中，所述的封闭于包套中块体非晶合金棒坯在加热炉中加热过程是加热到设定温度后保温均热2至5分钟，且炉温控制精确到±5℃。在本专利技术的方法中，所述的模腔连同其中的挤压介质一起加热到设定的挤压加工温度后，要保温均热2至5分钟。在本专利技术的方法中，加热炉可以是电阻加热炉，也可根据包套材料和非晶材料的种类选择其它加热方式，例如感应加热，红外加热等。静液挤压用高压介质主要有各种植物油和矿物油、耐热脂、熔融盐和氧化物、玻璃以及低熔点金属等。在本专利技术中，静液挤压用高压介质优选蓖麻油。这是由于蓖麻油具有良好的润滑性能和合适的黏性，常被用作冷静液挤压与中、低温静液挤压的高压介质。较高温度范围内的静液挤压可用呈黏塑性变形行为的耐热脂、熔融盐乃至玻璃作高压介质，其中耐热脂在实际生产中获得较广泛的应用。本专利技术的方法所使用的静液挤压机，可以是普通的静液挤压机，该挤压机具有加热系统、由传动机构控制的挤压轴，该挤压轴装配在挤压筒的模腔内，挤压筒的前端设有挤压模。也可以采用以下优选的技术方案在普通的静液挤压机上还可以增加一反压装置，即，所述的挤压模的前端依次又设有挤压筒、挤压模。实际上，反压装置还是一个静液挤压装置(但没有由传动机构控制的挤压轴及加热系统)，挤压筒内仍然有模腔，有挤压介质，但为加速挤压后非晶坯件的冷却，不设加热系统。按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种块体非晶合金坯件的加工方法，其特征在于是采用静液挤压机通过高压液体对块体非晶合金进行加工方法，包括如下步骤：首先将块体非晶合金棒坯封闭于预先加工好的包套中，然后一起放入加热炉中加热，加热温度为挤压加工温度，所述的挤压加工温度为待加工非晶材料的过冷液相区ΔＴｘ的温度，即晶化温度Ｔｘ和玻璃转变温度Ｔｇ之间的温度；同时，将润滑剂均匀涂敷于静液挤压机的挤压模具表面，并将挤压介质加入静液挤压机的模腔，然后启动模腔的加热系统，将模腔连同其中的挤压介质一起加热到设定的挤压加工温度；将已加热到设定挤压加工温度的包套和非晶坯料从加热炉中取出，迅速装入静液挤压机的模腔中，然后进行挤压加工；再将挤压后的制品清理干净，除去包套，即可得到加工好的块体非晶合金坯件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张曙光，胡捷，朱学新，熊柏青，石力开，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]