一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置及工藝的製作方法

2023-07-16 04:59:41 4

一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置及工藝的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置及工藝，裝置包括與氣缸相連的壓板、能與壓下的壓板能形成凹形腔的固定座，固定座、氣缸均固定在框架上，壓板上設有通向凹形腔的氮氣輸孔，氮氣輸孔與氮氣系統連接，壓板上還設有加熱非晶金屬坯料的電熱元件和測量溫度的溫度傳感器，所述的固定座的底部設有通氣孔與凹形腔相通，固定座上還設有冷卻水道，冷卻水道連接冷卻水系統，所述的框架及其上的部件置於氣氛箱內。本發明將非晶態合金膜包覆在零件的表面，改善零件的表面質量，使其具有優良的耐腐蝕和耐磨損性能，提高零件的使用壽命。
【專利說明】一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置及工藝

【技術領域】
[0001] 本發明涉及非晶態金屬玻璃氣動成形裝置及工藝，屬於非晶態金屬成形技術領 域。

【背景技術】
[0002] 金屬玻璃又稱非晶態合金，由於其獨特的無序微觀結構，使其既有金屬和玻璃的 優點，又克服了它們各自的弊端。玻璃易碎，沒有延展性；但金屬玻璃的強度高於鋼，硬度超 過高硬工具鋼，且具有一定的韌性和剛性，所以，人們稱金屬玻璃為"敲不碎、砸不爛"的"玻 璃之王"。非晶態合金具有高強度、高硬度、良好的耐磨性和耐蝕性等較好的力學、物理和化 學性能，從而決定其應用的領域非常廣泛，具有廣闊的應用前景。
[0003] 鋯基非晶對於極限冷卻速度的要求較低，可以在低於lOOK/s以下的冷卻速度下 得到完全的非晶態組織，因而針對鋯基非晶的零件有多種成形工藝。專利CN102877010A"一 種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成形方式"公開了一種鋯基塊體非晶合金鑄件的鑄造成 形方法，其鑄件的化學成分的3七％是：2^5-45、1111-16、（：1110-15、附8-12、8616-25，熔煉 前對上述原材料用超聲波在酒精介質中進行淨化處理，再將每一種平均分成兩份，按其各 自的密度，由下到上兩次重複布料裝入坩堝中，布料時要避免原料銅和銅坩堝相接觸，以防 止原料銅熔化時與銅坩堝發生粘結；然後合爐進行抽真空，充入〇. 〇5MPa的氬氣保護，開始 加熱熔煉，在60KW、80KW、120KW各保持5分鐘後將功率加至140KW使合金熔體的溫度達到 800°C以上。專利CN101164722 "一種非晶合金工件的製備加工淨成形一體化方法"公開一 種非晶合金工件的製備加工淨成形一體化方法。本發明方法是把合金母料加熱熔化後注入 可潰型模具中，待熔融合金冷卻後形成非晶態合金，模具潰型後對試件進行簡單的清理即 可獲得所需工件。利用可潰型模具通過鑄造的方法製備出任何複雜形狀的臨界厚度在一定 範圍內的非晶合金工件，實現了複雜非晶合金工件的製備、加工，淨成形一體化技術。專利 CN1199747C "一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置及方法"公開了一種用於大塊 非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形的裝置及採用這種裝置製備大塊非晶合金精密零件 的工藝。可以成形外廓直徑尺寸0. 1?1〇〇_、厚度尺寸0. 1?50mm的各種複雜形狀零部 件，如齒輪類、實心或實心臺階軸（錐度軸）類以及等軸類扁薄零件等。所發明的裝置由真 空爐、可更換壓頭和模具三部分組成。專利CN100473472C "金屬玻璃的成形方法"公開了 一種金屬玻璃的成形方法。該方法在保持金屬玻璃的非晶質的同時成形不產生表面缺陷的 成形品，即便是薄壁或厚度不等的成形品或複雜形狀的成形品也可簡單地成形。
[0004] 吹塑（又稱吹塑模塑）是藉助於氣體壓力使閉合在模具中的熱熔型塑料坯料吹脹 形成中空製品的方法，是第三種最常用的塑料加工方法，同時也是發展較快的一種塑料成 型方法。吹塑用的模具只有陰模（凹模），與注塑成型相比，設備造價較低，適應性較強，可 成型性能好（如：低應力）、可成型具有複雜起伏曲線（形狀）的製品。
[0005] 非晶態合金在過冷液態時能像塑料一樣具有良好的可塑性和較低的加工成本，在 室溫時又能像鋼鐵一樣具有很好的強度和硬度。非晶態合金在玻璃化溫度Tg和晶化溫度 Tx之間時，會逐漸軟化並能像熔融的塑料一樣流動，而且在一定的時間內不會出現晶化現 象，為此可以像吹塑工藝中對塑料坯料進行吹塑成形一樣，利用一定壓力的氣體對非晶態 合金進行氣動成形。非晶態合金具有高強度、高硬度和優良的耐磨及耐腐蝕性，而且表面光 亮、美觀，但是非晶態合金的價格較高。黃銅、鋼、熱固性塑料等材料的價格要比非晶態合 金低很多，但是他們的某些物理和化學性能與非晶態合金相比，要差很多。由於非晶態合 金在300?400°C即可玻璃化，並具有極好的塑性，因而可以將非晶態合金包覆在其他材料 的表面，綜合利用這些材料各自的優勢，製造低成本、高強度、高硬度、耐磨損和耐腐蝕的零 件。通過將非晶態合金包覆在相應零件外表面，改善零件表面質量、耐磨性、耐腐蝕性，提高 零件的使用壽命，也可將包覆非晶態合金的零件用於其他零件無法承受的腐蝕環境。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置及工藝，將非晶 態合金膜包覆在零件的表面，改善零件的表面質量，使其具有優良的耐腐蝕和耐磨損性能， 提高零件的使用壽命。
[0007] 本發明採取的技術方案為：
[0008] -種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，包括與氣缸相連的壓板、能與壓下 的壓板形成凹形腔的固定座，固定座、氣缸均固定在框架上，壓板上設有通向凹形腔的氮氣 輸孔，氮氣輸孔與氮氣系統連接，壓板上還設有加熱非晶金屬坯料的電熱元件和測量溫度 的溫度傳感器，所述的固定座的底部設有通氣孔與凹形腔相通，固定座上還設有冷卻水道， 冷卻水道連接冷卻水系統，所述的框架及其上的部件置於氣氛箱內。
[0009] 所述的氣氛箱上設有真空泵和卸壓閥。
[0010] 所述的冷卻水系統包括冷卻水箱，冷卻水箱通過過濾器、水泵、冷卻水閥門與冷卻 水道相通。
[0011] 所述的氮氣系統包括氮氣發生器，氮氣發生器通過油水分離器連接氮氣罐，氮氣 罐通過三位四通電磁閥與氣缸連通，氮氣罐通過電磁閥與氮氣輸孔連通。
[0012] 所述的電熱元件、溫度傳感器連接溫度控制器。
[0013] 所述的溫度控制系統、冷卻水系統、氣氣系統與總控制系統連接。
[0014] 所述的氮氣系統提供兩路獨立的氮氣輸送，一路用於控制氣缸上行和下行，另一 路用於非晶態合金膜的吹塑成形。
[0015] 所述的氣缸為雙作用氣缸，氣缸上進（排）口進氣時，氣缸帶動壓板下行；氣缸下 進（排）口進氣時，氣缸帶動壓板上行。
[0016] 利用上述裝置通過氣動成形包覆非晶態合金層的工藝，包括步驟如下：
[0017] (1)將需要包覆非晶態合金膜的零件和非晶態合金膜坯料放入氣氛箱，將氣氛箱 抽真空後通入氮氣；
[0018] (2)將需要包覆非晶態合金膜的零件放在固定座上，再將非晶態合金膜坯料放上， 蓋住需要包覆非晶態合金膜的零件；
[0019] (3)用壓板壓緊非晶態合金膜坯料，利用電熱元件對壓板進行加熱，通過溫度傳感 器測量壓板的溫度，通過電熱元件、溫度傳感器和溫度控制器將壓板的溫度控制在非晶態 合金膜玻璃化溫度以上15?25°C ;
[0020] (4)將高壓氮氣通入由壓板和非晶態合金膜坯料所形成的空隙，對非晶態合金膜 坯料進行氣動成形，並通過高壓氮氣使非晶態態合金膜貼合在需要包覆非晶態合金膜的零 件表面；
[0021] (5)通冷卻水冷卻後打開模具，取出工件。
[0022] 成批加工時，工藝步驟如下：
[0023] (1)將一批需要包覆非晶態合金膜的零件和非晶態合合金膜坯料放入氣氛箱，通 過總控制系統給真空泵發送信號，利用真空泵對氣氛箱抽真空；
[0024] (2)當真空度達到設定的值時，通過總控制系統給真空泵發送信號，真空泵停止工 作；同時，總控制系統給氮氣系統發出控制信號，打開電磁閥，通過壓板上的通道向氣氛箱 內充氮氣，當卸壓閥開始排氣時，關閉電磁閥；
[0025] (3)總控制系統給溫度控制器發送信號，由溫度控制器控制電熱元件對壓板加熱； 總控制系統給冷卻水系統發送信號，由冷卻水系統向固定座的冷卻水道供應冷卻水；
[0026] (4)將需要包覆非晶態合金膜的零件放在固定座上，再將非晶態合合金膜坯料固 定座上，蓋住需要包覆非晶態合金膜的零件；
[0027] (5)利用總控制系統給氮氣系統發送信號，通過三位四通電磁閥控制由氣缸上進 (排）口進氣，由氣缸的下進（排）口排氣，使壓板壓緊非晶態合金坯料，利用電熱元件對壓 板進行加熱，通過溫度傳感器測量壓板的溫度，通過電熱元件、溫度傳感器和溫度控制器將 壓板的溫度控制在非晶態合金膜玻璃化溫度以上15?25°C。
[0028] (6)總控制系統給氮氣系統發送信號，打開電磁閥，氮氣進入由壓板和非晶態合金 坯料所形成的空隙，對非晶態合金膜進行氣動成形並貼合在需要包覆非晶態合金膜的零件 表面。
[0029] (7)總控制系統給氮氣系統發送信號，關閉電磁閥，停止氣動成形的氮氣供應。同 時，利用總控制系統給氮氣系統發送信號，通過三位四通電磁閥控制由氣缸上進（排）口排 氣，由氣缸的下進（排）口進氣，壓板上升，打開模具，取出工件；
[0030] (8)重複（4)?（7)，直到完成所有零件（放在氣氛箱內）的非晶態合金合金膜的 包覆過程。
[0031] (9)打開氣氛箱，取出所有零件。
[0032] (10)重複（1)?（9)，進行下一批零件的處理。
[0033] 成形時，先將需要包覆非晶態合金的零件放在固定座內，再將非晶態合金膜放在 固定座上，並蓋住需要包覆非晶態合金的零件；由氣缸帶動壓板壓住非晶態合金膜，並由溫 度控制器控制壓板的溫度；由氮氣系統往壓板與非晶態合金膜之間通入氮氣，對非晶態合 金膜進行氣動成形，讓非晶態合金膜貼合在需要包覆非晶態合金的零件表面；通過固定座 對非晶態合金膜進行冷卻；通過氣缸帶動壓板上升，取出包覆非晶態合金膜的零件；再進 行下一個工作循環。
[0034] 本發明的有益效果是：
[0035] 除固定座以外，工裝中的其他零件均可通用，對於不同的零件，只需要更換相應的 固定座即可，工裝結構簡單，工裝的加工成本低。
[0036] 利用氣動成形技術對非晶態合金膜進行吹塑成形，可以成形厚度很薄的非晶態合 金膜，並將其包覆在零件的表面。
[0037] 包覆的非晶態合金膜厚度很小，包覆過程中所用的非晶態合金少，包覆工藝的成 本低。
[0038] 利用氣動成形技術對非晶態合金膜進行吹塑成形，需要包覆的零件即為成形的陽 模或陰模，不需要專門加工模具。
[0039] 包覆工藝不受零件形狀的限制，可對任意複雜形狀的零件進行非晶態合金膜的包 覆。
[0040] 非晶態合金包覆在相應零件外表面，改善零件表面質量、耐磨性、耐腐蝕性，提高 零件的使用壽命，也可將包覆非晶態合金的零件用於其他零件無法承受的腐蝕環境。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1為本發明裝置結構示意圖；
[0042] 圖2為本發明氮氣系統結構示意圖；
[0043] 圖3為本發明冷卻水系統結構示意圖；
[0044] 圖4為實施例1振蕩器的零件圖；
[0045] 圖5為實施例1得到的非晶態合金膜厚度分布情況；
[0046] 圖6為實施例1得到的產品形貌圖；
[0047] 其中，1、氮氣系統，2、溫度控制器，3、冷卻水系統，4、溫度傳感器，5、壓板，6、非晶 態合金膜，7、需要包覆非晶態合金膜的零件，8、冷卻水道，9、固定座，10、框架，11、電熱元 件，12、氣氛箱，13、氣缸，14、總控制系統，15、真空泵，16、卸壓閥，17、氮氣發生器，18、油水 分離器，19、氮氣罐，20、壓力表，21、三位四通電磁閥，22、電磁閥，23、冷卻水箱，24、過濾器， 25、水泵，26、冷卻水閥門。

【具體實施方式】
[0048] 下面結合【具體實施方式】和實施例進一步說明。
[0049] 一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，包括與氣缸13相連的壓板5、能與 壓下的壓板5能形成凹形腔的固定座9,固定座9、氣缸13均固定在框架10上，壓板5上設 有通向凹形腔的氮氣輸孔，氮氣輸孔與氮氣系統1連接，壓板5上還設有加熱非晶金屬坯料 的電熱元件11和測量溫度的溫度傳感器4,所述的固定座9的底部設有通氣孔與凹形腔相 通，固定座9上還設有冷卻水道8,冷卻水道8連接冷卻水系統3,所述的框架10及其上的 部件置於氣氛箱12內。
[0050] 氮氣系統包括氮氣發生器17,氮氣發生器17通過油水分離器18連接氮氣罐19， 氮氣罐19通過三位四通電磁閥21與氣缸13連通，氮氣罐19通過電磁閥22與氮氣輸孔連 通。
[0051] 冷卻水系統3包括冷卻水箱23,冷卻水箱23通過過濾器24、水泵25、冷卻水閥門 26與冷卻水道8相通。
[0052] 為了避免非晶態合金膜的氧化，影響其表面質量，成形工裝置入充有氮氣作為保 護氣氛的氣氛箱中。所述的氣氛箱12上設有真空泵15和卸壓閥16。
[0053] 氮氣系統1、溫度控制器2、和冷卻水系統3均通過信號線與總控制系統14相連 接；固定座通過內六角螺釘與框架10相連接；氣缸的杆部通過螺紋與壓板5相連接；真空 泵15通過信號線與總控制系統14相連接。
[0054] 在固定座的中心部位，設置有通氣孔，便於由非晶態合金膜與需要包覆非晶態合 金膜的零件所圍成的空腔內的氮氣沿著固定座與需要包覆非晶態合金膜的零件之間的空 隙排出，有利於非晶態合金膜貼合需要包覆非晶態合金膜的零件的表面，保證成形質量。
[0055] 在固定座中設置有冷卻水道，在整個過程中利用冷卻水對需要包覆非晶態合金膜 的零件、貼合以後的非晶態合金膜進行冷卻。
[0056] 在壓板中設置有電熱元件，利用電熱元件對壓板進行加熱，並通過壓板以熱傳導、 熱輻射的形式對非晶態合金膜進行加熱。
[0057] 在壓板中設置有溫度傳感器，利用溫度傳感器測量壓板的溫度，實現對壓板和非 晶態合金膜溫度的精確控制。
[0058] 非晶態合金膜分為兩部分，一部分是由壓板和固定座夾持的部分，另一部分是位 於壓板和需要包覆非晶態合金膜的零件之間的部分。由壓板和固定座夾持的部分，在成形 過程中不參與變形，另一部分在氣動成形過程中通過厚度減薄，表面積增大的形式與需要 包覆非晶態合金膜的零件的表面進行貼合。
[0059] 當需要壓板壓緊非晶態合金膜時，氣缸的上進（排）口進氣，下進（排）口排氣， 壓板下行，壓緊非晶態合金膜；成形結束後，氣缸的上進（排）口排氣，下進（排）口進氣， 壓板上升，打開工裝，拿出包覆了非晶態合金膜的零件。
[0060] 成形過程中，由氣缸排出的氮氣、進入壓板進行氣動成形的氮氣，最終都排放到氣 氛箱中，對氣氛箱進行保護氣氛的補充。
[0061] 氣氛箱設置有用於操作的密封手套，手套的根部固定在氣氛箱上，並保證密封。氣 氛箱上設置有卸壓閥，當氣氛箱的氣壓高於設置值時，通過卸壓閥減壓。
[0062] 成形過程中，將一批零件和非晶態合合金膜坯料放入氣氛箱，然後利用真空泵對 氣氛箱抽真空，再通過氮氣系統向氣氛箱內充氮氣，然後就可以對這一批零件表面進行非 晶態合金貼膜處理。
[0063] 工藝過程如下：
[0064] (1)將一批需要包覆非晶態合金膜的零件和非晶態合合金膜坯料放入氣氛箱，通 過總控制系統給真空泵發送信號，利用真空泵對氣氛箱抽真空；
[0065] (2)當真空度達到設定的值時，通過總控制系統給真空泵發送信號，真空泵停止工 作；同時，總控制系統給氮氣系統發出控制信號，打開電磁閥，通過壓板上的通道向氣氛箱 內充氮氣，當卸壓閥開始排氣時，關閉電磁閥。
[0066] (3)總控制系統給溫度控制器發送信號，由溫度控制器控制電熱元件對壓板加熱； 總控制系統給冷卻水系統發送信號，由冷卻水系統向固定座的冷卻水道供應冷卻水。
[0067] (4)將需要包覆非晶態合金膜的零件放在固定座上，再將非晶態合合金膜坯料固 定座上，蓋住需要包覆非晶態合金膜的零件。
[0068] (5)利用總控制系統給氮氣系統發送信號，通過三位四通電磁閥控制由氣缸上進 (排）口進氣，由氣缸的下進（排）口排氣，使壓板壓緊非晶態合金坯料，並對非晶態合金膜 進行加熱30?180秒。
[0069] (6)總控制系統給氮氣系統發送信號，打開電磁閥，氮氣進入由壓板和非晶態合金 坯料所形成的空隙，對非晶態合金膜進行氣動成形並貼合在需要包覆非晶態合金膜的零件 表面。
[0070] (7)總控制系統給氮氣系統發送信號，關團電磁閥，停止氣動成形的氮氣供應。同 時，利用總控制系統給氮氣系統發送信號，通過三位四通電磁閥控制由氣缸上進（排）口排 氣，由氣缸的下進（排）口進氣，壓板上升，打開模具，取出工件。
[0071] (8)重複（4)?（7)，直到完成所有零件（放在氣氛箱內）的非晶態合金合金膜的 包覆過程。
[0072] (9)打開氣氛箱，取出所有零件。
[0073] (10)重複（1)?（9)，進行下一批零件的處理。
[0074] 實施例1 :振蕩器通過氣動成形包覆非晶金屬層（不完全包覆）
[0075] 包覆非晶態合金前的振蕩器是採用壓鑄工藝生產，材料為YZAlSilOMg。為了增強 其表面光潔度、硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能，在其表面通過氣動成形技術包覆一層非晶態 合金，非晶態合金的成分為Zr58. 5Cul5. 6Nil2. 8A110. 3Nb2. 8。非晶態合金原材料的厚度為 0. 08mm，通過真空甩帶工藝得到。要求：在振蕩器球面區域表面包覆0. 03-0. 06mm厚的非晶 態合金膜，在中心的圓柱表面包覆〇. 01-0. 〇3_厚的非晶態合金膜。
[0076] 非晶態合金Zr58. 5Cul5. 6Nil2. 8A110. 3Nb2. 8的玻璃化溫度和晶化溫度分別為 385°C和470°C，在加熱溫度為405°C時，可以保溫30分鐘而沒有晶化現象，可以滿足包覆工 藝的要求。採用上述裝置及工藝，在氣動成形過程中，將溫度控制器的溫度設置為405°C ; 壓板壓緊非晶態合金坯料，對非晶態合金膜進行加熱的時間為60秒；抽真空時，設置的真 空度為〇· 〇〇lPa ;卸壓閥的壓力設置為150000Pa ;氮氣系統的壓力為2. OMPa。
【權利要求】
1. 一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，包括與氣缸相連的壓板、能 與壓下的壓板能形成凹形腔的固定座，固定座、氣缸均固定在框架上，壓板上設有通向凹形 腔的氮氣輸孔，氮氣輸孔與氮氣系統連接，壓板上還設有加熱非晶金屬坯料的電熱元件和 測量溫度的溫度傳感器，所述的固定座的底部設有通氣孔與凹形腔相通，固定座上還設有 冷卻水道，冷卻水道連接冷卻水系統，所述的框架及其上的部件置於氣氛箱內。
2. 根據權利要求1所述的一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，所 述的冷卻水系統包括冷卻水箱，冷卻水箱通過過濾器、水泵、冷卻水閥門與冷卻水道相通。
3. 根據權利要求1所述的一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，所 述的氮氣系統包括氮氣發生器，氮氣發生器通過油水分離器連接氮氣罐，氮氣罐通過三位 四通電磁閥與氣缸連通，氮氣罐通過電磁閥與氮氣輸孔連通。
4. 根據權利要求1所述的一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，所 述的氣氛箱上設有真空泵和卸壓閥。
5. 根據權利要求1所述的一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，所 述的電熱元件、溫度傳感器連接溫度控制器。
6. 根據權利要求1所述的一種通過氣動成形包覆非晶態合金層的裝置，其特徵是，所 述的溫度控制系統、冷卻水系統、氮氣系統與總控制系統連接。
7. 利用權利要求1-6任一項所述裝置通過氣動成形包覆非晶態合金層的工藝，其特徵 是，包括步驟如下： (1) 將需要包覆非晶態合金膜的零件和非晶態合金膜坯料放入氣氛箱，將氣氛箱抽真 空後通入氮氣； (2) 將需要包覆非晶態合金膜的零件放在固定座上，再將非晶態合金膜坯料放上，蓋住 需要包覆非晶態合金膜的零件； (3) 用壓板壓緊非晶態合金膜坯料，利用電熱元件對壓板進行加熱，通過溫度傳感器測 量壓板的溫度，通過電熱元件、溫度傳感器和溫度控制器將壓板的溫度控制在非晶態合金 膜玻璃化溫度以上15?25°C ; (4) 將高壓氮氣通入由壓板和非晶態合金膜坯料所形成的空隙，對非晶態合金膜坯料 進行氣動成形，並通過高壓氮氣使非晶態態合金膜貼合在需要包覆非晶態合金膜的零件表 面； (5) 通冷卻水冷卻後打開模具，取出工件。
【文檔編號】C23C6/00GK104152842SQ201410427399
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】李輝平, 賀連芳, 孔令亮, 蓋康 申請人:山東科技大學