專利名稱：一種非晶合金熱壓成形裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非晶合金成形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非晶合金熱壓成形裝置 及工藝。
背景技術(shù)：
近年來，隨著對塊體非晶合金的成分、結(jié)構(gòu)與性能研究的不斷深入，人們 越來越認識到塊體非晶合金所具有的優(yōu)異物理、化學、力學性能及精密成型性， 將使之成為支撐未來精密機械、信息、航空航天器件、國防工業(yè)等高新技術(shù)的 關(guān)鍵材料。
與傳統(tǒng)晶態(tài)合金材料相比，塊體非晶合金材料在多項使用性能方面具有明 顯的優(yōu)勢，并具有更為優(yōu)異的力學性能，它們不僅在強度、彈性、韌性、硬度 等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，而且在強度、疲勞性能等方面也不亞于晶體材
料。另外，非晶材料具有良好的加工性能，當溫度超過Tg (玻璃化轉(zhuǎn)變溫度) 后，塊體非晶合金的粘性隨著溫度的升高急劇降低，在較低應(yīng)變速率條件下， 其應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值接近l，其塑性變形呈牛頓粘性流動特征，是理想的 超塑性材料，可對非晶合金進行各種微米甚至納米級精密加工變形。
現(xiàn)有的非晶成形設(shè)備一般采用電阻加熱的方式，升溫速度較慢，加工過程 中溫度的控制比較困難，然而，非晶合金超塑性變形的實現(xiàn)具有強烈的溫度和 應(yīng)變速率敏感性，目前絕大多數(shù)的大塊非晶合金體系，其過冷液相區(qū)寬度(即 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和晶化開始溫度Tx之間)只有幾十度，可供加工的溫度區(qū) 間非常窄，為避龍非晶合金在加熱成形過程中發(fā)生晶化，坯料變形溫度一般處 于過冷液相區(qū)內(nèi)，在這樣一個較窄的溫度范圍內(nèi)，成形應(yīng)變速率一般只能控制 在1(T3 1(T4S"。按照上述的加熱方式，加熱時間太長，再加上很低的變形速率，不僅導致加工效率很低，而且還非常容易導致非晶合金在變形過程中晶化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于提供一種非晶合金熱壓成形裝置， 旨在解決現(xiàn)有的非晶成形設(shè)備加熱時間長，變形速率低，加工效率低，導致非 晶合金在變形過程中容易晶化的問題。
本發(fā)明實施例所要解決的另 一個技術(shù)問題在于提供一種采用上述成形設(shè)備 進行非晶合金熱壓成形的工藝。
對于本發(fā)明的非晶合金熱壓成形裝置來說，上述技術(shù)問題是這樣加以解決
的該非晶合金熱壓成形裝置具備真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境以及處于所 述環(huán)境下的才莫具組、感應(yīng)加熱線圈，模具組包括上、下模和成形模，感應(yīng)加熱 線圈至少圍繞于成形模周圍的空間內(nèi)，且不與成形模相接觸。
對于本發(fā)明的非晶合金熱壓成形工藝來說，上述技術(shù)問題是這樣加以解決 的該非晶合金熱壓成形工藝，采用上述非晶合金熱壓成形裝置，包括在真空、 惰性氣體或氮氣保護環(huán)境下依次進行如下步驟
(1) 將非晶合金或具有非晶合金成分的晶體材料作為坯料置于成形模中， 采用感應(yīng)加熱，在一定成形壓力下，以150~ 180°C/s的加熱速度加熱至Tg以 上溫度，以10-2 ~ 10-3S"的應(yīng)變速率成形得到工件；
(2) 將工件快速冷卻至Tg以下溫度，然后取模。
上述技術(shù)方案，由于采用感應(yīng)加熱方式，靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱 的坯料，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線圏與被加熱金屬并不直接接 觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。這樣，可迅速集中加熱成形坯料至Tg溫度以 上，在Tg~Tm (非晶合金熔點)溫度范圍內(nèi)或Tm溫度以上進行熱壓成形，成 形應(yīng)變速率可以達到10-2~ 10-3S_1,加工效率高，在短的升溫時間內(nèi)可有效防止 非晶合金在成形過程中的晶化。


圖l是本發(fā)明一較佳實施例中的一種非晶合金熱壓成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明 一較佳實施例中的一種非晶合金熱壓成形工藝溫度曲線圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
圖1顯示了本發(fā)明實施例提供的一種非晶合金熱壓成形裝置，包括密閉室
1,以及位于密閉室1內(nèi)的模具組2，模具組2包括上模21、下模22和位于上、下模21、 22之間的成形模23,坯料100置于成形模23中。密閉室l上設(shè)有一閥體3,閥體3與抽真空系統(tǒng)或供氣系統(tǒng)(圖中未示出)相連接，可保證整個熱壓過程具有真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境，可防止工件在高溫下被氧化，以保證工件的表面質(zhì)量。上、下模21、 22中分別集成有冷卻裝置，冷卻裝置包括冷卻介質(zhì)及供冷卻介質(zhì)流動的冷卻管4,所述冷卻管4插置于上、下模21、22中，其兩端分別為冷卻介質(zhì)入口 41及冷卻介質(zhì)出口 42。這樣，導入冷卻介質(zhì)后，可實現(xiàn)對型腔230的強制快冷，從而縮短工件在Tg溫度以上的停留時間，這樣有利于非晶制品獲得良好的使用性能。
上述成形裝置還包括感應(yīng)加熱線圈5,其至少圍繞于成形模23周圍的空間內(nèi)，并且不與成形模23接觸，在本實施例中，該感應(yīng)加熱線圈5進一步圍繞于上、下才莫21、 22周圍的空間內(nèi)。該感應(yīng)加熱線圈5可以是普通感應(yīng)加熱線圈或;磁懸浮電石茲約束線圈，在本實施例中，該感應(yīng)加熱線圈5包括普通感應(yīng)加熱線圈51及》茲懸浮電》茲約束線圏52。由于采用感應(yīng)加熱方式，靠感應(yīng)線圈4巴電能傳遞給坯料100，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線圏與被加熱金屬未直接接觸，能量通過電磁感應(yīng)傳遞，這樣，可迅速集中加熱坯料lOO至Tg以上溫度，在Tg-Tm溫度范圍內(nèi)或Tm溫度以上進行熱壓成形，成形應(yīng)變速率可以達到1(T2~ lO^S",加工效率高，在短的升溫時間內(nèi)可有效防止非晶合金在成形過程中的晶化。另外，需要指出的是，當成形溫度為Tg以上時，普通感應(yīng)加熱線圏51均可以選用，但是，當成形溫度大于Tm時，優(yōu)選磁懸浮電磁約束線圈52作為加熱線圈，此時，成形模23選用上表面無凹槽且為一平面的成形模，利用^f茲懸浮電^t約束線圏52內(nèi)》茲場和液態(tài)金屬感應(yīng)出的渦流之間相互作用產(chǎn)生的電磁壓力，使熔化的金屬在無接觸條件下保持一定的形狀。這樣可以最大限度的避免坯料與才莫具的接觸，減少因坯料與模具接觸而散失的熱量，從而達到快速升溫的目的。
本發(fā)明實施例提供一種非晶合金熱壓成形工藝，采用上述非晶合金熱壓成形裝置，包括如下步驟
(1)將非晶合金或具有非晶合金成分的晶體材料作為坯料置于成形模23中，釆用感應(yīng)加熱，在一定成形壓力下，以150~ 180。C/s的加熱速度加熱至Tg以上溫度，以1(T2~ 1(^S"的應(yīng)變速率成形得到工件；
(2 )將工件快速冷卻至Tg以下溫度，然后取模。
本實施例各步驟在真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境下依次進行，惰性氣體優(yōu)選為氬氣，這樣可防止工件在高溫下被氧化，以保證工件的表面質(zhì)量。坯料成形過程在Tn。se (鼻尖溫度)溫度對應(yīng)的時間點之前完成，參見圖2的冷卻曲線C。冷卻后可通過機械或負壓取模。
選擇合適的感應(yīng)線圏和感應(yīng)加熱電源，可以在2 ~ 4秒時間內(nèi)將坯料加熱至Tg-Tm成形溫度，其時間一溫度一晶化轉(zhuǎn)變曲線，即TTT曲線如圖2中A所示；甚至可將坯料加熱超過Tm溫度而成為液態(tài)，其TTT曲線如圖2中B所示。這樣，溫度越高，非晶合金的粘性越小，即流動性越好，越有利于坯料成形。
本實施例中坯料為非晶體時，成形溫度不小于Tg,成形壓力小于200Mpa。成形溫度為Tg-Tm時，壓力優(yōu)選為30MPa 200Mpa;成形溫度大于Tm時，壓力優(yōu)選為小于30Mpa。
本實施例中坯料為具有非晶合金成分的晶體材料時，成形溫度大于Tm,成形壓力小于30Mpa，此時，優(yōu)選磁懸浮電石茲約束線圏52作為加熱線圏，成形模23選用上表面無凹槽且為一平面的成形模。
本實施例由于采用感應(yīng)加熱方式，可迅速集中加熱坯料至Tg以上溫度，在Tg ~ Tm溫度范圍內(nèi)或Tm溫度以上進行熱壓成形，成形應(yīng)變速率可以達到l(T2 ~lO^S",加工效率高，在短的升溫時間內(nèi)可有效防止非晶合金在成形過程中的晶化。
本實施例中步驟(2)采用前述實施例中所提及的冷卻裝置進行，由冷卻管4導入冷卻介質(zhì)，從出口42排出冷卻介質(zhì)，如此循環(huán)通入和排出冷卻介質(zhì)，可實現(xiàn)對型腔9的強制快冷，從而縮短工件在Tg溫度以上的停留時間，保證冷卻曲線C不與非晶合金的TTT曲線交叉，從而避免合金發(fā)生晶化，這樣有利于非晶制品獲得良好的使用性能。冷卻介質(zhì)可為水、油或液氮，優(yōu)選水，更優(yōu)選去離子水。此外，需要指出的是，本實施例也不排除采用將工件取出進行水冷的方式進行冷卻。
根據(jù)不同零件的使用要求、復雜程度和尺寸范圍，上述坯料可以為薄片、粉末、棒狀或塊狀，坯料中非晶合金可以選擇本領(lǐng)域所常見的非晶合金，例如Zr、 Cu、 Fe、稀土、 Ti、 Ni、 Al、 Mg、 Co、 Pd、 Au基非晶合金中的一種。其中，優(yōu)選Zr、 Fe、 Cu、稀土、 Mg或Ti基非晶合金。上、下模21、 22的材料選用導熱系數(shù)大于10W/m*K的金屬或非金屬材料。根據(jù)要加熱的工件的形狀和尺寸選擇感應(yīng)力口熱線圈和感應(yīng)加熱電源，，力口熱時，感應(yīng)加熱電源的振蕩頻率為lKHz 1.2MHz,額定輸入功率為10KW 180KW，感應(yīng)加熱線圏匪數(shù)為2-6匝，線圈為平面線圏或筒形線圈。坯料若為薄片或粉末，線圏優(yōu)選平面線圈，若為棒狀或塊狀，則優(yōu)選筒形線圈。
若選擇塊狀坯料，其尺寸介于2mm 100mm之間，感應(yīng)加熱電源頻率優(yōu)選20KHz lOOKHz;若選擇粉體坯料，粉體平均粒徑小于2mm,感應(yīng)加熱電源的頻率優(yōu)選lOOKHz ~ 1.2MHz,感應(yīng)電源額定輸入功率優(yōu)選為100KW-160KW。坯4+如果只估文表面復印處理，加熱深度不超過10mm，感應(yīng)加熱電源額定輸入功率優(yōu)選為20KW~ 100KW;若加熱深度超過10mm,感應(yīng)電源額定輸入功率優(yōu)選為100KW 160KW。
上述非晶合金為Zr基、稀土基和Mg基非晶合金中的一種時，保護氣體選用純度大于98%的氬氣，上、下模21、 22的材料選用導熱系數(shù)大于50W/m*K的金屬或非金屬材料，例如鋼、銅合金和石墨。
非晶合金采用Cu基、Fe基、Ti基、Ni基、Al基、Co基、Pd基和Au基非晶合金中的一種時，保護氣體采用純度大于99.9%的氬氣或氮氣，上、下模21、 22的材料可選用導熱系數(shù)大于150W/m.K金屬或非金屬的材料，例如銅合金和高導熱石墨等。
本實施例中上、下模21、 22選用銅合金、鋼、陶乾或石墨材料制成，其中，若選用陶瓷，感應(yīng)加熱電源功率優(yōu)選為小于80KW;選用銅合金、鋼或石墨，感應(yīng)加熱電源功率則優(yōu)選為大于40KW。
本發(fā)明實施例主要用于大塊非晶合金的加工，由于采用感應(yīng)加熱方式，可迅速集中加熱坯料至Tg以上溫度，在Tg~ Tm溫度范圍內(nèi)或Tm溫度以上進行熱壓成形，大的溫度區(qū)間降低了對溫控精確度的要求，成形應(yīng)變速率可以達到io-2~io-3s",加工效率高，在短的升溫時間內(nèi)可有效防止非晶合金在成形過程中的晶化。而且，上、下模21、 22中集成了冷卻裝置，不僅操作簡單方便，提高了生產(chǎn)效率，而且可迅速將成形工件溫度降至Tg溫度以下，利于大塊非晶制品獲得良好的使用性能。此外，如果批量生產(chǎn)，原料的形狀和尺寸固定，通過線圏形狀、感應(yīng)加熱電源的功率和頻率調(diào)整可實現(xiàn)對工件的準確升溫。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種非晶合金熱壓成形裝置，具備真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境，以及處于所述環(huán)境下的模具組，所述模具組包括上、下模和位于所述上、下模之間的成形模，其特征在于，所述成形裝置還包括感應(yīng)加熱線圈，所述感應(yīng)加熱線圈至少圍繞于成形模周圍的空間內(nèi)，且不與成形模相接觸。
2、 如權(quán)利要求1所述的非晶合金熱壓成形裝置，其特征在于，所述感應(yīng)加熱線圈為磁懸浮電磁約束線圈。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的非晶合金熱壓成形裝置，其特征在于，所述上、 下模中分別集成有冷卻裝置。
4、 如權(quán)利要求3所述的非晶合金熱壓成形裝置，其特征在于，所述冷卻裝 置具有可在所述上、下才莫中流動的冷卻介質(zhì)。
5、 如權(quán)利要求4所述的非晶合金熱壓成形裝置，其特征在于所述冷卻裝 置具有供所述冷卻介質(zhì)流動的冷卻管，所述冷卻管插置于所述上、下模中，其 兩端分別具有冷卻介質(zhì)入口及冷卻介質(zhì)出口 。
6、 一種非晶合金熱壓成形工藝，采用如權(quán)利要求1所述非晶合金熱壓成形 裝置，包括在真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境下依次進行如下步驟(1) 將非晶合金或具有非晶合金成分的晶體材料作為坯料置于成形模中， 采用感應(yīng)加熱，在一定成形壓力下，以150- 180°C/s的加熱速度加熱至Tg以上 溫度，以1(^-10-Ss"的應(yīng)變速率成形得到工件；(2) 將工件快速冷卻至Tg以下溫度，然后取模。
7、 如權(quán)利要求6所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述步驟(2) 中，在所述上、下才莫中導入冷卻介質(zhì)，對工件進行冷卻。
8、 如權(quán)利要求6所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述坯料為 非晶體，成形溫度不小于Tg,成形壓力小于200Mpa;其中，當成形溫度為Tg Tm時，成形壓力為30MPa 200Mpa;當成形溫度大于Tm時，成形壓力小于 30Mpa。
9、 如權(quán)利要求6所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述坯料為 非晶成分的晶體材料，成形溫度大于Tm,成形壓力小于30Mpa。
10、 如權(quán)利要求6所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述非晶 合金選自Zr基、Cu基、Fe基、稀土基、Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Co基、 Pd基和Au基非晶合金中的一種，所述上、下模材料選用導熱系數(shù)大于10W/m*K 的金屬或非金屬材料，所述感應(yīng)加熱電源的振蕩頻率為lKHz 1.2MHz,額定 輸入功率為10KW 180KW，感應(yīng)加熱線圈匝數(shù)為2~6匝，線圏為平面線圈 或筒形線圈；其中，當所述非晶合金為Zr基、稀土基和Mg基非晶合金中的一 種時，保護氣體選用純度大于98%的氬氣，所述上、下模材料選用導熱系數(shù)大 于50W/m*K的金屬或非金屬材料；當所述非晶合金為Cu基、Fe基、Ti基、 Ni基、Al基、Co基、Pd基和Au基非晶合金中的一種時，保護氣體采用純度 大于99.9%的氬氣或氮氣，所述上、下模材料選用導熱系數(shù)大于150W/m《金 屬或非金屬的材料。
11、 如權(quán)利要求IO所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，當加熱深 度不超過10mm時，感應(yīng)加熱電源額定輸入功率為20KW~ 100KW;當加熱深 度超過10mm時，感應(yīng)電源額定輸入功率為100KW 160KW。
12、 如權(quán)利要求IO所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述坯料 為塊體或粉體非晶合金；其中，當所述坯料為塊體非晶合金時，塊體尺寸為 2mm 100mm,感應(yīng)加熱電源的振蕩頻率為20KHz ~ lOOKHz;當所述坯料為 粉體非晶合金時，平均粒徑小于2mm,感應(yīng)加熱電源的振蕩頻率為100KHz 1.2MHz，感應(yīng)電源額定輸入功率為100KW 160KW。
13、 如權(quán)利要求IO所述的非晶合金熱壓成形工藝，其特征在于，所述上、 下模選用銅合金、鋼、陶瓷或石墨材料制成；其中，當所述上、下模材料選用 陶瓷時，感應(yīng)加熱電源功率小于80KW;當所述上、下模材料選用銅合金、鋼 或石墨時，感應(yīng)加熱電源功率大于40KW。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種非晶合金熱壓成形的裝置及工藝，該裝置具備真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境以及處于所述環(huán)境下的模具組、感應(yīng)加熱線圈，模具組包括上、下模和成形模，感應(yīng)加熱線圈至少圍繞于成形模周圍的空間內(nèi)，且不與成形模相接觸；該工藝包括在真空、惰性氣體或氮氣保護環(huán)境下依次進行如下步驟放入坯料、感應(yīng)加熱、熱壓成形、冷卻和取模。本發(fā)明采用感應(yīng)加熱方式，可迅速集中加熱成形坯料至T_g溫度以上，在T_g～T_m溫度范圍內(nèi)或T_m溫度以上進行熱壓成形，成形應(yīng)變速率可以達到10^-2～10^-3S^-1，加工效率高，在較短的升溫時間內(nèi)可有效防止非晶合金在成形過程中的晶化。
文檔編號B21D22/00GK101468370SQ20071012570
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者張法亮, 馬志軍 申請人:比亞迪股份有限公司