專利名稱：一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置及方法
技術領域：
本發明屬于非晶合金新材料成形技術領域，特別是提供了一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置及方法。可用于Zr-系、La-系、Pd-系等具有大過冷區域的大塊非晶合金的成形。
背景技術：
精密成形技術是先進制造技術中十分重要的組成部分，是許多國防和民用尖端產品的關鍵技術，對提高一個國家工業競爭力和國防安全具有重大影響[李敏賢等.精密成形技術發展前沿.中國機械工程，2000，11(1-2)183-186]。精細零部件，特別是三維復雜形狀零部件，可以采用精密鑄造、精密塑性成形或注射成形工藝制備。一般而言，精密鑄造所能成形的最小孔徑和壁厚大于2mm、且成形件的尺寸和表面精度較低；注射成形在形狀復雜的小型零件(尺寸小于50mm、重量小于250g)制造上具有優勢，但其在最高精度水平下所能達到的1～1.6μm的表面粗糙度、±0.3％的尺寸精度仍不能滿足某些特別精密器件的使用要求，而且尺寸和工藝的穩定性難以精確控制[曹勇家.金屬注射成形發展的機遇和挑戰.粉末冶金工業，2001，11(3)7-17]；精密塑性成形，無論是采用普通材料還是超塑性材料(目前有工業實用價值的是細晶超塑性材料)，都無法克服由于晶粒的各向異性和晶界在變形過程中的影響所導致的制品表面精度低、工具異常磨損等不利因素，同時對于某些零部件，如直齒圓柱齒輪的精密成形，可用于工業生產的成熟工藝還有待于進一步發展和完善。
大塊非晶合金制備是近年來材料研究領域的重要成果之一，但其作為結構材料尚未獲得廣泛應用。大塊非晶合金具有高強度(Zr基和Pd基大塊非晶合金的抗拉強度均超過1600MPa)、優異的耐蝕性能(Ni基大塊非晶合金的耐蝕性能是不銹鋼的100倍以上)、高的沖擊斷裂能(Zr基和Pd基大塊非晶合金的沖擊斷裂能分別達到63kJ/mm2和70kJ/mm2，而鋁基高強度合金的沖擊斷裂能為12～36kJ/mm2)以及低的熱膨脹系數、高硬度等[Inoue A，Hashimoto K.Amorphousand Nanocrystalline Materials.TokyoSpringer，2001]。因此，用大塊非晶合金制備精密零部件可以獲得比常規結構材料更優異的使用性能。
大塊非晶合金在過冷區域(即玻璃轉變溫度和晶化開始溫度之間)呈應變速率敏感指數m＝1的牛頓粘性流體狀態(即便出現少量析晶，其在過冷區域的應變速率敏感指數也遠遠大于一般超塑性材料m≥0.3的要求)，是理想的超塑性材料。而且其較低的可加工溫度，使其在模具材料的選用、減少對模具的熱沖擊以及節約能源等方面更具優勢。
另一方面，國內對精細零部件超塑性成形研究較少，而在大塊非晶合金的超塑性成形加工方面尚未見到相關的研究報道。
因此，以大塊非晶合金為成形材料，進行精密零部件的超塑性成形研究，制備具有優異使用性能、高尺寸精度和表面精度的精細零部件，將進一步拓展大塊非晶合金材料和超塑性成形技術的應用范圍。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于大塊非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形的裝置及采用這種裝置制備大塊非晶合金精密零件的工藝。可成形外廓直徑尺寸0.1～100mm、厚度尺寸0.1～50mm的各種復雜形狀零部件，如齒輪類、實心或空心臺階軸(錐度軸)類以及等軸類扁薄零件等。根據不同零件的使用要求、復雜程度和尺寸范圍，可以選擇Zr-系、La-系、Pd-系、Cu-系等具有大過冷區域的大塊非晶合金為成形材料。所制備的零件尺寸精度在±0.1％～±0.3％之間，表面粗糙度Ra小于0.8μm，甚至可以達到納米級鏡面。
本發明裝置由真空爐1、可更換壓頭、模具三部分組成。可更換壓頭由內壓頭2、外壓頭3、滑塊4、聯結座5組成，模具由模具7、頂出機構8組成。真空爐的極限真空度為3×10-3Pa，采用電阻加熱方式，最高溫度800℃，可充氮氣或氬氣形成保護氣氛。壓頭部分可以更換，對實心零件的成形，去掉外壓頭3、滑塊4、聯結座5，將內壓頭2更換為整體式平壓頭，實現一次成形；對空心零件則采用如圖1所示的組合壓頭機構實現兩步成形即坯料6和模具7在真空爐中加熱到預定溫度；在外加壓力的作用下，內壓頭2和外壓頭3通過滑塊4的作用同步向下運動，使坯料充填型腔，完成第一步成形——充型；然后滑塊4滑入聯結座5中，外壓頭3與聯結座5聯結，內壓頭2單獨繼續向下運動，成形內孔，完成第二步成形——沖孔。空心零件成形過程的主要特點是充型和沖孔兩次動作在真空爐內連續完成。模具7部分帶有頂出機構8，成形結束卸載后，直接將零件從模具7的模腔內頂出。
對于空心零部件，為提高制品尺寸精度，根據零件形狀與坯料尺寸情況，也可采用二次成形方法(參考具體實施例)，即首先采用整體式平壓頭進行初步的充填成形，提高坯料形狀與模腔形狀的相似性，然后更換為組合式壓頭進行成形。
本發明的精密零件超塑性成形工藝為根據不同零件的使用要求，分別選擇適當厚度和直徑(根據零件體積計算確定)的Zr-系、La-系、Pd-系或Cu-系大塊非晶合金坯料，將坯料和模具置于真空爐中，當真空度達到8×10-3Pa時，開始加熱，加熱速度0.5～3.0℃/s；加熱溫度應在Tg～Tx之間(Tg和Tx分別為所選合金的玻璃轉變溫度和晶化開始溫度)，以保證在超塑性狀態下成形；成形應變速率范圍為5×10-4～1×10-2s-1。
本發明的主要優點采用真空或保護氣氛，保證了成形零件的表面質量；采用頂出機構和特殊的壓頭機構保證成形和脫模在真空爐中連續完成，減少工藝流程和工藝周轉時間。對空心零件采用兩步成形工藝，使成形壓力降低、充填型腔效果提高。選擇具有較低超塑性成形溫度、性能優異的大塊非晶合金材料，降低了對模具材料、成形設備的要求。成形后的零部件輪廓清晰、尺寸穩定精確，力學性能大大優于常規結構材料(如不銹鋼、鈦合金、中低碳鋼等)制品。
圖1是本發明的超塑性模鍛成形裝置示意圖。由真空爐1、內壓頭2、外壓頭3、滑塊4、聯結座5、坯料6、模具7、頂出機構8組成。
圖2是用本發明裝置成形的齒輪零件圖。嚙合參數齒形角α＝20°，齒數z＝24，模數m＝0.2具體實施例方式成形對象是某儀器上使用的如附圖2所示的帶輪轂直齒圓柱齒輪，其輪轂壁厚1mm，內孔直徑φ2.6mm，尺寸公差0～+0.01mm，表面粗糙度1.6μm；齒頂圓直徑φ6.5mm，尺寸公差-0.02～0mm，齒面粗糙度1.6μm。要求該零件具有高強度、高耐磨性和高耐蝕性。為此采用直徑φ5mm的Zr41.25Ti3.75Cu12.5Ni10Be22.5大塊非晶合金棒作為成形材料(常溫壓縮屈服強度大于1.9GPa、維氏硬度大于5.0GPa)進行超塑性成形。成形溫度為380～395℃、應變速率1×10-3～5×10-4s-1。成形過程分兩步進行第一步使用整體式平沖頭使金屬初步充填齒形和輪轂部位，同時形成部分內孔；第二步換用組合式穿孔沖頭形成內孔并迫使金屬作徑向流動，進一步充填齒形和輪轂下角。成形后的齒輪經測試分析證實沒有發生晶化現象、較好地保持了大塊非晶合金坯料原有的優異性能，同時成形件的尺寸精度和表面粗糙度達到了設計要求。
權利要求
1.一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置，其特征在于由真空爐(1)、可更換壓頭、模具三部分組成。可更換壓頭由內壓頭(2)、外壓頭(3)、滑塊(4)、聯結座(5)組成，模具由模具(7)、頂出機構(8)組成；真空爐的極限真空度為3×10-3Pa，采用電阻加熱方式，最高溫度800℃，可充氮氣或氬氣形成保護氣氛；壓頭部分可以更換；模具(7)部分帶有頂出機構(8)，成形結束卸載后，直接將零件從模具(7)的模腔內頂出。
2.一種按照權利要求1所述的超塑性模鍛成形裝置，其特征在于對實心零件的成形，去掉外壓頭(3)、滑塊(4)、聯結座(5)，將內壓頭(2)更換為整體式平壓頭，實現一次成形。
3.一種按照權利要求1所述的超塑性模鍛成形裝置，其特征在于對空心零件的成形，則采用組合壓頭機構實現兩步成形即坯料(6)和模具(7)在真空爐中加熱到預定溫度；在外加壓力的作用下，內壓頭(2)和外壓頭(3)通過滑塊(4)的作用同步向下運動，使坯料充填型腔，完成第一步成形——充型；然后滑塊(4)滑入聯結座(5)中，外壓頭(3)與聯結座(5)聯結，內壓頭(2)單獨繼續向下運動，成形內孔，完成第二步成形——沖孔，實現空心零件成形過程的充型和沖孔兩次動作在真空爐內連續完成。
4.一種按照權利要求1所述的超塑性模鍛成形裝置，其特征在于對于空心零部件，也可采用二次成形方法，即首先采用整體式平壓頭進行初步的充填成形，提高坯料形狀與模腔形狀的相似性，然后更換為組合式壓頭進行成形。
5.一種用權利要求1所述的超塑性模鍛裝置成形非晶合金精密零部件的方法，其特征在于以Zr-系、La-系、Pd-系或Cu-系大塊非晶合金為成形坯料，將坯料和模具置于真空爐中，當真空度達到8×10-3Pa時，開始加熱，加熱速度0.5～3.0℃/s；加熱溫度應在Tg～Tx之間，Tg和Tx分別為所選合金的玻璃轉變溫度和晶化開始溫度，以保證在超塑性狀態下成形；成形應變速率范圍為5×10-4～1×10-2s-1。
全文摘要
一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置及方法,本發明提供了一種非晶合金精密零部件超塑性模鍛成形裝置及方法，裝置由真空爐(1)、可更換壓頭、模具三部分組成。可更換壓頭由內壓頭(2)、外壓頭(3)、滑塊(4)、聯結座(5)組成，模具由模具(7)、頂出機構(8)組成。其工藝為將坯料和模具置于真空爐中，當真空度達到8×10
文檔編號B21J5/00GK1456401SQ03137428
公開日2003年11月19日 申請日期2003年6月23日 優先權日2003年6月23日
發明者謝建新, 張志豪, 周成, 劉新華 申請人:北京科技大學