一种基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置，该方法包括：非晶合金样件在感应电流的作用下升温至过冷液态区，同时在洛伦兹力的驱动下变形至模具冷却成形；感应电流和洛伦兹力均由成形线圈放电产生，感应电流由设置在成形线圈周围的导体在成形线圈放电过程中感应产生，洛伦兹力由放电过程中成形线圈产生的磁场与非晶合金样件流过的感应电流共同作用产生，导体与非晶合金样件构成感应回路，以使感应电流流过所述非晶合金样件。非晶合金样件的升温、成形、冷却过程在数毫秒脉冲放电时间内一次完成，具有升温、成形、冷却一体化的优点。

说明书

技术领域

本发明属于非晶合金材料成形制造领域，更具体地，涉及一种基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置。

背景技术

块体非晶合金(又称金属玻璃)是上世纪80年代末和90年代初发展起来的一种新型金属材料，兼具金属和玻璃双重性质，被认为是孕育着继钢铁、塑料之后第三次材料工业革命的新型工程材料。然而其室温脆性导致其通过传统的成形加工困难，从而制约了其广泛的应用。

目前，非晶合金材料的成形主要采用铜模压铸和热塑性成形两种方法。一种是铜模铸造成形法，即将非晶合金熔体注入已加工好形状的铜模内，实现非晶零件的直接成形。但由于非晶熔体的流动性差，需要的冷却速率快，所以对非晶合金的玻璃成形能力要求高，同时成形件中容易产生空洞等缺陷。

非晶合金成形的另一种方法是热塑性成形法，它是利用非晶合金在过冷液态区(玻璃化温度至晶化温度之间的温区)呈现出的粘滞流变特性，实现超塑性变形。由于非晶合金是一种亚稳态材料容易晶化，传统的利用加热炉加热方式升温速率慢，专利(CN201510870920)提出先通过电容器放电产生的脉冲电流流过非晶合金实现快速加热，当其升至预设成形温度(处于过冷液态区)后，再通过线圈放电产生磁场对非晶合金进行电磁成形。非晶合金的加热和成形分别进行，因此需要严格匹配非晶合金样件加热和电磁成形之间的时序，时序匹配不及时会造成非晶合金温升偏低，没有进入过冷液态区难以成形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶合金的洛伦兹力成形方法及装置，旨在解决现有技术中由于对非晶合金样件的加热和成形需要分开完成，对加热温度的调控以及成形时间的精确控制要求很高，容易导致非晶合金样件晶化或者氧化，甚至无法成形的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于洛伦兹力的非晶合金成形装置，该成形装置包括：电容器、开关、充电模块、成形线圈、外导电通道，非晶合金样件以及模具，所述充电模块与所述电容器构成充电回路，所述电容器、开关以及成形线圈构成放电回路，所述外导电通道与非晶合金样件构成感应回路，所述成形线圈设置在所述感应回路的内部；所述充电模块对所述电容器充电，然后闭合所述开关，充电后的电容器对所述成形线圈放电，所述外导电通道产生相应的感应电流，所述非晶合金样件在所述感应电流的作用下升温至过冷液态区，同时在所述充电后的电容器对所述成形线圈进行放电产生磁场，磁场与非晶合金样件中流过的感应电流的共同作用下产生洛伦兹力，使得升温至过冷液态区的非晶合金样件在所述洛伦兹力的驱动下变形至所述模具冷却成形。

本发明通过选取一定参数的高压电容器，同时，选取电导率较大的材料做外导电通道的导体材料，使得高压电容器通过成形线圈放电过程中，可以使外导电通道感应产生一个较大的感应电流，同时外导电通道使得非晶合金样件中的感应电流分布均匀，可以完成对非晶合金样件的快速加热。另外，当非晶合金样件被快速加热至过冷液态区后，此时，高压电容器在成形线圈放电所产生的洛伦兹力还足够将加热至过冷液态区的非晶合金样件快速驱动，变形至模具快速冷却成形。

具体地，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于电容器一次放电完成对非晶合金样件加热和成形两个步骤，实现加热、成形一体化，操作简单。整个过程在数毫秒级内完成，进一步节约了成形时间，不但有效避免了非晶合金在成形过程中可能发生的氧化与晶化，而且大幅提高了成形效率，降低了生产成本。

需要说明的是，虽然电容器在成形线圈上放电时，非晶合金样件上会感应出一部分电流，但是，由于非晶合金样件的电导率较低，故这部分的感应电流相对较小，若仅通过这部分感应电流对非晶合金样件进行加热，则不足于将非晶合金样件加热至过冷液态区。本发明实施例中，流过非晶合金样件的感应电流包括非晶合金样件本身产生的感应电流和外导电通道产生的感应电流两部分，其中，外导电通道的感应电流占主要部分，感应电流足够将非晶合金样件加热至过冷液态区。

因此，本发明实施例提供的方案可以利用高电导率外导电通道的大感应电流对非晶合金样件加热，同时使得加热和成形可以一体化进行。

在一个可选的实施例中，所述外导电通道的导电材料的电导率为(1～100)×10⁶S/m，所述导电材料为铜或铝。

具体地，由于设置在成形线圈的高电导率导体构成的外导电通道的电导率很高，则使得电容器在成形线圈放电时，其周围的外导电通道产生的感应电流较大。又由于外导电通道与非晶合金样件形成感应回路，较大的感应电流作用于非晶合金样件使得非晶合金样件快速加热至过冷液态区。

在一个可选的实施例中，该成形装置还包括：绝缘层，所述绝缘层位于所述模具和所述非晶合金样件之间，所述绝缘层用于促使所述感应电流流过所述非晶合金样件。

具体地，通过绝缘层，可以使得感应电流几乎全部流过非晶合金样件，更快地对非晶合金样件完成加热。

在一个可选的实施例中，所述成形线圈根据所述非晶合金样件的成形形状设计，所述成形线圈为圆形线圈或跑道形线圈。

其中，圆形线圈对应较大的成形力，跑道形线圈对应的成形力更加均匀、同时使得所述感应电流对所述非晶合金样件的加热也更加均匀。可根据实际需要，确定成形线圈的形状。此外，也可根据本发明的实际需要，设计其他形状的成形线圈。具体地，可通过选取合适的成形线圈，可以使得感应电流以及成形力更加合适，以完成对非晶合金样件的快速加热和快速成形。

在一个可选的实施例中，所述模具的形状为凹模或波浪型，所述模具的成形区的尺寸为压印刻纹或贴膜成形。

本发明实施例提供的成形装置可以适用于不同非晶合金材料、不同模具等需求领域，具有较好的应用前景。应当理解，利用本发明实施例提供的思路，如通过电容在成形线圈放电，放电过程中对应的感应电流和洛伦兹力分别完成对非晶合金样件的加热和成形两个步骤，简化操作，无需分两个电路分别前后完成加热和成形步骤，做出改进的方案，均应属于本发明实施例的保护范围。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于洛伦兹力的非晶合金成形方法，该成形方法包括：非晶合金样件在感应电流的作用下升温至过冷液态区，同时在洛伦兹力的驱动下变形至模具冷却成形；所述感应电流和所述洛伦兹力均由成形线圈放电产生，所述感应电流由设置在所述成形线圈周围的导体在所述成形线圈放电过程中感应产生，所述导体与所述非晶合金样件构成感应回路，以使所述感应电流流过所述非晶合金样件，所述的洛伦兹力由放电过程中成形线圈产生的磁场与非晶合金样件流过的感应电流共同作用产生。

在一个可选的实施例中，所述导体的电导率为(1～100)×10⁶S/m，所述导体为铜或铝。

具体地，通过电容器对成形线圈放电，以及在成形线圈周围设置一个电导率相对较高的导体，可以即完成对非晶合金样件加热和成形两个步骤，实现加热、成形一体化，操作简单。简化加热和成形两个步骤的控制，有效避免了非晶合金样件加热时间过程可能导致氧化或者晶化，提高了非晶合金样件的成形成功率。

第三方面，本发明实施例提供了一种基于上述第一方面提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形方法，该方法包括对所述电容器充电，然后使充电后的电容器对所述成形线圈进行放电，使得所述外导电通道感应产生相应的感应电流，所述非晶合金样件在所述感应电流的作用下升温至过冷液态区，同时所述充电后的电容器对所述成形线圈进行放电时产生洛伦兹力，使得升温至过冷液态区的非晶合金样件在所述洛伦兹力的驱动下变形至模具冷却成形。

在一个可选的实施例中，所述外导电通道的导电材料的电导率为(1～100)×10⁶S/m，所述导电材料为铜或铝。

在一个可选的实施例中，在所述模具和所述非晶合金样件之间设置绝缘层以确保所述感应电流流过所述非晶合金样件。

在一个可选的实施例中，所述成形线圈根据所述非晶合金样件的成形形状设计，所述成形线圈为圆形线圈或跑道形线圈；所述圆形线圈对应较大的成形力，所述跑道形线圈对应的成形力更加均匀、同时使得所述感应电流对所述非晶合金样件的加热也更加均匀。

本发明提供一种基于洛伦兹力的非晶合金的成形方法及装置整个成形过程在数毫秒级内完成，不但避免了非晶合金样件在成形过程中可能发生的氧化与晶化，而且大幅提高了成形效率，降低了生产成本。

本发明公开了一种利用上述成形方法或装置所制备的非晶合金零件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)在本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置中，由于在外导电通道的作用下，非晶合金样件中的感应电流较大，且分布均匀，从而实现非晶样件在数毫秒内快速均匀加热，既避免加热过程中晶化和氧化，也避免了由于加热不均匀的局部晶化问题。

(2)在本发明实施例提供的非晶合金的基于洛伦兹力的成形方法及装置中，非晶合金样件的升温、成形、冷却过程几乎在一次数毫秒脉冲放电内完成，具有升温、成形、冷却一体化的优点。

(3)在本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置中，对于非晶合金样件的温升和成形力的控制通过高压电容器放电波形控制，进一步解释为在其他电气参数(线路阻抗，非晶合金样件阻抗等)确定下由高压电容器的容量和放电电压决定非晶合金样件的温升和成形力，可以适应不同非晶合金材料不同玻璃转化温度，调控方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

按照本发明一个实施例的成形方法，用于成形智能手机外壳。该方法通过将非晶合金快速升温至过冷液态区，同时利用洛伦兹力高速驱动过冷液态非晶合金至凹模中，制备出智能手机(例如iphone手机)外壳。本实施例中优选制备成形智能手机外壳，但本发明的方法所适用成形的零件并不限于此。

在实施例中，该方法的具体步骤如下：

(1)电容器参数的选择

选择640uF电容和放电电压10kV内连续可调，以做为非晶合金样件成形的控制条件。

(2)非晶合金选择及制备

可选的，非晶态合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg或Ce基等非晶态合金。

本实施例中，以合金体系为Zr₃₅Ti₃₀Cu_7.5Be_27.5为一种示例进行说明。根据所选非晶合金体系，将金属原料按原子比进行配比，熔炼均匀后，通过铜模喷铸浇注法制备出长度40mm，厚度1mm的正方形非晶合金板材。

(3)线圈和模具设计

图1为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的一种结构示意图，如图1所示，该实施例提供的成形装置包括：电容器7、开关6、充电模块8、成形线圈1、外导电通道2以及非晶合金样件3。

其中，充电模块8与电容器7构成充电回路。电容器7、开关6以及成形线圈1构成放电回路。外导电通道2与非晶合金样件3构成感应回路。成形线圈1位于外导电通道2与非晶合金样件3构成的感应回路的内部。当成形线圈1上有电流流过时，外导电通道2将感应出相应的感应电流，由于外导电通道2的导电材料的电导率较低，因此感应电流较大。又由于外导电通道2与非晶合金样件3构成的回路，则非晶合金样件3在外导电通道2感应的大电流的作用下快速升温至过冷液态区。

在一个可选的实现中，充电模块8对电容器7充电，然后闭合开关6，充电后的电容器7对成形线圈1放电，外导电通道2产生相应的感应电流。非晶合金样件3在感应电流的作用下快速升温至过冷液态区，同时充电后的电容器7对成形线圈1进行放电时产生洛伦兹力，使得升温至过冷液态区的非晶合金样件3在洛伦兹力的驱动下快速变形至模具5快速冷却成形。

其中，外导电通道2的导电材料的电导率为(1～100)×10⁶S/m，导电材料可以是铜，铝以及任意高电导率的材料。

本发明实施例通过选取一定参数的高压电容器，同时，选取电导率较大的材料做外导电通道的导体材料，使得高压电容器通过成形线圈放电过程中，可以使外导电通道感应产生一个较大的感应电流，同时外导电通道使得非晶合金样件中的感应电流分布均匀，可以完成对非晶合金样件的快速加热。另外，当非晶合金样件被快速加热至过冷液态区后，此时，高压电容器在成形线圈放电所产生的洛伦兹力还足够将加热至过冷液态区的非晶合金样件快速驱动，变形至模具快速冷却成形。

同时，本发明实施例对于非晶合金样件的温升和成形力的控制通过高压电容器放电波形实现，进一步解释为在其他电气参数(线路阻抗，非晶合金样件阻抗等)确定下由高压电容器的容量和放电电压决定非晶合金样件的温升和成形力，可以适应不同非晶材料不同玻璃转化温度，调控方便。

具体地，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于电容器放电可以即完成对非晶合金样件加热和洛伦兹力成形两个步骤，可以实现加热、成形一体化，操作简单。整个过程在数毫秒级内完成，进一步节约了成形时间，不但避免了非晶合金在成形过程中可能发生的氧化与晶化，而且大幅提高了成形效率，降低了生产成本。两个步骤通过设置一次电容器放电即可实现，简化了操作步骤，加快了非晶合金样件的成形时间。

具体地，由于设置在成形线圈的高电导率导体构成的外导电通道的电导率很高，则使得电容器在成形线圈放电时，其周围的外导电通道产生的感应电流较大。又由于外导电通道与非晶合金样件形成感应回路，较大的感应电流作用于非晶合金样件使得非晶合金样件快速加热至过冷液态区。

图2为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的另一种结构示意图，如图2所示，该实施例提供的成形装置还包括：模具5和绝缘层。

其中，如图2所示，绝缘层包括位于非晶合金样件3两端下方的绝缘层41和绝缘层42两部分。绝缘层位于模具5和非晶合金样件3之间，绝缘层用于促使电流较好的流过非晶合金样件3。

本发明利用外导电通道2电导率高的特性，对应的感应电流大，同时非晶合金样件的电导率低，则在感应电流流过非晶合金样件时，产生焦耳热从而实现非晶合金样件的快速升温。本发明大大发挥了外导电通道2的电导率高，其感应电流大的特性，同时外导电通道使得感应电流在非晶合金样件均匀分布，实现了非晶样件在数毫秒级内快速均匀加热，既避免加热过程中晶化和氧化，也避免了由于加热不均匀的局部晶化问题。

其中，成形线圈1可以根据非晶合金样件3成形形状设计，可以是圆形线圈、跑道形线圈等。圆形线圈具有较大的成形力特点，而跑道形线圈，则使成形力更加均匀、同时加热也更加均匀。

其中，非晶合金样件3可以任意形状，同时其尺寸也不受限制只要与之拼配的高电导率外导电通道构成回路即可。外导电通道2和块体非晶合金样件3在外部压力的作用下紧密构成回路。因此，本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形方法及装置可以适应不同的需求，具有较好的应用前景。

其中，模具5用以约束成形样件特定形状和尺寸以及用于非晶样件与其碰撞过程中快速冷却，其形状不受约束，可以是凹模，波浪型等，同时其成形区的尺寸也可以自由设定，可以是压印刻纹也可以是贴膜成形。

本发明实施例提供的非晶合金的基于洛伦兹力快速成形方法及装置，对于非晶合金样件的温升和成形力的控制通过高压电容器的放电波形统一控制，例如在线路阻抗，非晶合金样件阻抗等确定时，由高压电容器的容量和放电电压决定非晶合金样件的温升和成形力，可以适应不同非晶材料不同玻璃转化温度，调控方便。

本发明实施例提供的非晶合金的基于洛伦兹力快速成形方法及装置中，非晶合金样件的升温、成形、冷却过程几乎在一次数毫秒脉冲放电内完成，具有升温、成形、冷却一体化的优点。

相应的，图3为本发明实施例提供的基于洛伦兹力的非晶合金成形装置的结构示意图。如图3所示由非晶合金样件3、成形线圈1、外导电通道2，模具5构成。其中成形线圈1可以为4mm×1mm的带绝缘层铜导线缠绕在环氧树脂线圈骨架上，并采用玻璃纤维加固。同样外导电通道2可以由铜块加工而成。整个装置装配好后有压力机或其他机械装置固定，以防成形过程中回弹。

需要说明的是，如图3所示的装置中，模具5和非晶合金样件3之间需要根据模具5的材料，确定是否设置绝缘层。例如，当模具5为铜模时，需要在模具5和非晶合金样件3之间设置绝缘层，如在图3所示的非晶合金样件3的两端裹一层绝缘层，以确保感应电流全部流过非晶合金样件。当模具5的材料为环氧树脂材料时，将不需要再设置绝缘层。具体可根据实际需要做调整，本发明实施例将不对此做任何限定。

(4)电脉冲快速成形

在640uF电容10kV放电电压下，非晶样件快速升温至500摄氏度，并在洛伦兹力的驱动下成形，成形精度高。

本发明实施例提供的非晶合金的基于洛伦兹力快速成形方法及装置，由于在外导电通道的作用下，非晶合金样件中的感应电流分布均匀，从而实现非晶样件在数毫秒内快速均匀加热，既避免加热过程中晶化和氧化，也避免了由于加热不均匀的局部晶化问题。非晶合金样件的升温、成形、冷却过程几乎在一次数毫秒脉冲放电内完成，具有升温、成形、冷却一体化的优点。

本发明实施例可通过一个电容器放电完成升温、成形、冷却一体化，节省了非晶合金成形步骤，简化了非晶合金成形装置。

本发明实施例对于非晶合金样件的温升和成形力的控制通过放电波形控制，进一步解释为若其他电气参数(如线路阻抗，非晶合金样件阻抗等参数)确定，则由电容器的容量和放电电压决定非晶合金样件的温升和成形力，可以适应不同非晶材料不同玻璃转化温度，调控方便。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。